Citologija

Virusi

POGLAVLJE I Acelularni i najprostiji celularni organizmi Prokarioti Organizmi koji naseljavaju Zemlju su po stepenu složenosti i nivou telesne organizacije podeljeni u acelularne i celularne. Acelularni organizmi još nisu dostigli nivo ćelijske građe, pa je njihova organizacija na prelazu iz živog u neživo. U ovu kategoriju spadaju virusi. U celularne oblike života spadaju svi organizmi, koji su izgrađeni od ćelija. Po najnovijoj klasifikaciji svi celularni organizmi su grupisani u 5 carstava. Najprostije carstvo monera obuhvata prokariote, organizme koji su međusobno na nivou rRNK potpuno različiti tako da su svrstani u dve potpuno odvojene grupe organizama (bakterije i arxea bakterije). Ove razlike između monera su toliko velike da se sve češće govori o tri domena živog sveta. Carstvo eukariota obuhvata: carstvo jednoćelijskih organizama sa jedrom (Protista), carstvo gljiva (Fungi), carstvo biljaka (Plantae), carstvo životinja (Animalia). Dakle, virusi nisu obuhvaćeni ni jednim od carstava koja obuhvataju živi organizmi, i predstavljaju zasebnu grupu organizama.

Virusi su najprostiji organizmi, koji još nisu uspostavili nivo ćelijske organizacije, pa se nalaze na granici živog i neživog. Predstavljaju sitne infektivne čestice. Prisustvo nukleinskih kiselina, koje imaju sposobnost mutiranja, kao i prisustvo proteina, svrstavaju ih u živa bića. S druge strane, u odnosu na živi svet virusi nemaju ćelijsku građu (acelularni su), nemaju sposobnost obavljanja metabolizma, što ih svrstava u neživu materiju. Jedini od svih organizama nemaju obe vrste nukleinskih kiselina. Isljučivo su paraziti, nesposobni su za samostalnu reprodukciju van ćelije u kojoj parazitiraju. Izvan ćelije domaćina u kojoj parazitiraju ne pokazuju osobine živih bića, nemaju sopstveni metabolizam, čak mogu i da kristalizuju, ali i kao kristali zadržavaju sposobnost infekcije ćelije. Zrela virusna vanćelijska čestica sposobna da inficira ćeliju domaćina se naziva virion. Ulaskom u ćeliju virion postaje aktivan i sposoban da uspostavi kontrolu nad biosintetskim aparatom ćelije, koristeći ga za svoje umnožavanje. To su veoma sitni organizmi, veličina im je od 10-300nm, pa su vidljivi samo pod elektronskim mikroskopom. Poseduju najmanji genom na planeti. Čini ga skup svih gena koji se uvek nalaze u jednoj kopiji (haploidni su). Veličina genoma je od

150-200000 nukleotida, što znači da mogu da nose informaciju od nekoliko do stotinak gena. Ovi organizmi su dovoljno mali da njihov genetički materijal može da bude i molekul iRNK, za razliku od svih celularnih organizama čiji je genetički materijal uvek molekul DNK. Elektronskom mikroskopijom ustanovljeno je pet osnovnih oblika virusa. Većina je okrugla, neki imaju oblik dužeg ili kraćeg štapića, ili oblik dugih zavojitih niti. Kod nekih virusa je štapić kratak i zaobljen na jednom kraju pa podseća na peščani metak. Najveći virusi, poxvirusi, imaju oblik kvadra. Bakterijski virusi-bakteriofazi imaju karakteristični oblik nalik na punoglavce. Postoje dve teorije o nastanku virusa, pri čemu i jedna i druga teorija imaju svoje pozitivne i negativne strane. Po prvoj teoriji virusi potiču od predćelijskih oblika žive materije, a po drugoj su nastali regresivnom evolucijom bakterija. Virusi su građeni od dve osnovne komponente: genetičkog materijala i proteinskog omotača-kapsule ili kapsida. Genom i kapsid zajedno čine nukleokapsid.

Kao što je već istaknuto, virusi predstavljaju jedine poznate organizme čiji genetski materijal može da bude i molekul RNK. Međutim, u ovu heterogenu grupu organizama spadaju i oni čiji genetski materijal može da bude jednolančani ili dvolančani molekul DNK ili RNK, na čemu se temelji i podela virusa na DNK i RNK viruse. Dužina nukleinske kiseline viriona varira od 5 do 500 kb (1 kilobaza=1000 nukleotida), što ukazuje da prosečan virusni genom nosi informaciju za 5-500 gena. Virusni geni kodiraju, ne samo proteine kapsida, već i specifične enzime neophodne za udvajanje virusne nukleinske kiseline.

Genetički materijal virusa DNK ili RNK, ali nikad obe vrste nukleinskih kiselina su prisutne u istom tipu virusa nukleinska kiselina može biti jednolančana ili dvolančana +RNK deluje kao iRNK, upoređujemo je s kodirajućim lancom DNK -RNK ne može direktno da posluži za sintezu proteina, tako da se može uporediti sa nekodirajućim lancom DNK

Genom virusa

Proteinski omotač- kapsid Kapsid je proteinski omotač koji štiti virusni genom od fizičkog oštećenja, hemijskog oštećenja, enzimskog oštećenja, nukleaza iz oštećenih ili mrtvih ćelija. Pomaže pri prenosu genetičkog materijala između ćelija domaćina, pri čemu je nukleinska kiselina inertna i neaktivna unutar kapsida. Nosilac je virusnih antigena. Kapsid se sastoji iz kapsomera koje su građene od istovetnih proteinskih jedinica koje se ponavljaju, protomera. Na površini kapsida se nalaze reaktivne grupe koje su u stanju da prepoznaju receptore na specifičnim ćelijama u koje može da uđe virus. Sposobnost virusa da uđe u samo određeni tip ćelije se naziva tropizam. Kapsid može da ima zavoičastu, polihedričnu simetriju, ili njihovu kombinaciju. Zavoičast ili helikalni oblik ima virus mozaične bolesti duvana. Korona virus ima takođe zavoičastu strukturu. Kapsomere su spiralno povezane gradeći cev oko nukleinskih kiselina. Polihedričnu simetriju imaju virusi koji kod ljudi. Gotovo su sferičnog oblika. izazivaju prehladu

Spoljašnji omotač Spoljašnji omotač imaju samo neki RNK virusi. U građu omotača ulaze lipidi i glikoproteini. Glikoproteini se sintetišu na osnovu genetičkog materijala virusa, dok prisustvo lipida može da potiče od plazma membrane ćelije domaćina u kojoj virus parazitira. Virusi sa omotačem u eukariotsku ćeliju ulaze endocitozom, a nakon umnožavanja je napuštaju procesom nazvanim pupljenje.

adenovirusi imaju polihedrično simetričan kapsid, a nemaju spoljašnji omotač. Izazivaju infekcije usne duplje, kao i sistema za varenje i disanje. Neki virusi iz ove raznovrsne grupe izazivaju tumore. Umnožavanje ovih virusa je slično normalnoj replikaciji DNK i translaciji proteina u ćeliji. U jedru oba lanca virusne DNK služe kao kalup za replikaciju. Većina DNA virusa se

replicira u jedru gdje im je dostupna DNA-polimeraza i ostali potrebni enzimi. Replikacija je vezana za S fazu ćelijskog ciklusa domaćina. DNK

Virusni domaćini Virusi su unutarćelijski paraziti. Svi tipovi organizama su podložni napadima virusa. Virusi su paraziti životinja, biljaka, gljiva i bakterija. Specifičnost je omogućena komplementarnim prepoznavanjem proteina ili glikoproteina na kapsidu virusa sa proteinima ili glikoproteinima na površini ćelije domaćina. Biljni virusi su manje istraženi iako je prvi virus izolovan iz duvana, virus možaične bolesti duvana TMV. Ovi virusi inficiraju biljne ćelije najčešće razaranjem ćeliskog zida biljke domaćina.

Podela virusa Postoji više kriterijuma po kojima se može izvršiti podela virusa. Jedna od podela se bazira na vrsti nukleinskih kiselina koje grade virus, prema tome da li imaju omotač ili ne, kao i prema obliku i veličini. Na osnovu prirode genetičkog materijala i prema načinu njegove transkripcije, animalni virusi mogu da se podele na nekoliko grupa. Prvu grupu virusa karakteriše prisustvo dvolančanog molekula DNK (Adenoviroidae, virus SV 40, virusi izazivači malih boginja, Herpes virusi). Herpes, papiloma i

se prepisuje u iRNK a proteini kapsomera se sintetišu u citosolu ili na endoplazmatičnom retikulumu odakle prelaze na doradu u Goldžijev aparat odakle se u obliku vezikule spajaju sa membranom i procesom pupljenja se otkidaju od ćelije domaćina. Drugu klasu čine jednolančani DNK virusi čiji je predstavnik Parvovirus. Enzimi domaćina sintetišu novi komplementaran lanac DNK koji sa jednolančanim DNK virusa gradi dvolančani molekul DNK. Ovakav dvolančani molekul DNK se prepisuje u iRNK koja sintetiše proteine kapsida u koji se pakuju jednolančani molekuli DNK koji formiraju virione. Virusi, koji imaju RNK kao genetički materijal, se nazivaju RNK virusi. Imaju spiralno simetričan kapsid i spoljašnji omotač. RNK virusi su heterogena grupa organizama, koja obuhvata nekoliko različitih klasa virusa. Replikacija RNK virusa nije vezana za jedro ćelije domaćina; npr. celi ciklus umnožavanja ljudskog polio virusa odvija se u citoplazmi, izuzetak čini virus gripa koji se replicira u jedru domaćina. RNK virusi imaju najčešće neobičan mehanizam replikacije. Da još jednom istaknemo, udvajanje nukleinskih kiselina kod RNK virusa se obavlja pretežno u citoplazmi domaćina, dok se udvajanje DNK virusa dešava uglavnom u jedru. Posebno interesantna grupa RNK virusa su retrovirusi, čiji se genom

sastoji od plus lanca RNK. Složenost ovih virusa se ogleda u tome što poseduju enzim, reverznu transkriptazu, koji im omogućava da se ugrade u genom domaćina. Ova polimeraza katalizuje sintezu DNK lanca, prema informaciji datoj u RNK genomu.

Ovako dobijeni DNK lanac služi kao matrica za sintezu komplementarnog lanca DNK, koji može da se ugraditi u genom domaćina. Sudbina ugrađenog profaga je dvojaka: može da ostane u latentnom stanju ili, može da se odmah transkribuje u nove RNK viruse. Ovu grupa virusa je izuzetno opasna za čoveka, i u nju spada virus HIVa, koji izaziva bolest AIDS (sindrom stečene imunološke deficijencije kod ljudi) i neki onkogeni (izazivači sarkoma i leukemije kod majmuna). Prilikom izvlačenja virusa iz ćelije, virus može da ponese i deo genoma domaćina. Bar 20 gena kičmenjaka koji mogu da izazovu kancer su identifikovani kod retrovirusa. Ekspresijom ovih gena u inficiranoj ćeliji domaćina, dolazi do nekontrolisanog deljenja ćelije i pojave kancera. U retroviruse spada, kako smo istakli i virus HIVa, koji je prvi put opisan 1981 god., a do 2000 god., njime je bilo inficirano skoro 50 miliona ljudi. U Americi sida je jedan od najčešćih

uzroka smrti kod muškaraca, između 25-44 god. Klinička slika side je rezultat gubitka, ili pada imunološkog sistema obolele osobe. Usled pada imunološkog sistema, ovi pacijenti su podložni raznim infekcijama (virusima, bakterijama, protozoama), na koje obično ne reaguju ljudi sa normalnim imunološkim sistemom. Kod ljudi sa sidom je visoka učestalost obolelih od raznih tipova kancera, pre svega limfoma i sarkoma. Virus HIVa je veoma osetljiv i brzo gubi svoju infektivnost van organizma. Prenosi se na tri načina: seksualnim kontaktom, putem transfuzije krvi, odnosno zaraženom iglom i sa majke na dete za vreme trudnoće ili dojenja. Do danas nije pronađena vakcina koja bi sprečila sidu. Lečenje se svodi na uzimanje lekova koji sprečavaju replikaciju virusa, ili inhibiraju reverznu transkriptazu. Kombinacija lekova produžava život obolelih, ali izlečenja nema.

nukleinske kiseline i proteina. Na primeru bakteriofaga prikazaćemo mogućnosti umnožavanja virusa u bakterijskoj ćeliji. Ulaskom u ćeliju virus ima dve mogućnosti: da se odmah umnožava i dovede do njene destrukcije (litički ciklus), ili da se ugradi u genom domaćina i sačeka pogodan momenat da se replikuje (lizogeno stanje). Uobičajena predstava o virusnoj infekciji podrazumeva takozvani litički ciklus, koji se sastoji od nekoliko faza: ◄adsorpcije virusa na membranu ćelije, ◄penetracije (prodiranja) virusa u ćeliju, ◄ višestruke replikacije virusnog naslednog materijala, ◄ sinteze komponenti kapsida i formiranje novih viriona, ◄ liziranje ćelije i oslobađanje virusa. Litički ciklus bakteriofaga podrazumeva prihvatanje faga na površinu bakterije koja se ostvaruje preko specifičnih proteina koji su smešteni na nitima repa sa receptorima na specifičnim bakterijama. Nakon odabira domaćina sledi unošenje nukleinskih kiselina u bakteriju, koje je praćeno otpuštanjem enzima lizozima, kontrakcijama repa koje omogućuju da se nukleinske kiseline ubace pod pritiskom u bakteriju. Sledi faza sinteze delova faga, koja je praćena razgradnjom bakterijske DNK i korišćenjem ćelijske mašinerije za proizvodnju virusnih nukleinskih kiselina i proteina.

Sudbina virusa u ćeliji Virusi imaju sposobnost umnožavanja samo u specifičnim ćelijama koje imaju receptore za tu vrstu virusa. Umnožavanju virusa prethodi: infekcija žive ćelije, virus koristi energiju ćelije, ćelijske mehanizme i ćelijske produkte za sintezu vlastite

Poslednja faza je sklapanje virusnih čestica, koje je praćeno sa spontanim povezivanjem kapsomera, i enzimskim ubacivanjem nukleinskih kiselina u formirani kapsid, nakon čega sledi otpuštanje zrelih viriona. Kod virusa koji parazitiraju u ćelijama životinja, prva faza je vezivanje virusa na površinu ćelije. Ovi virusi nemaju rep kao bakteriofag, tako da se prepoznavanje receptora na ćeliji domaćina dešava preko glikoproteina (ili proteina) na kapsidu virusa. Ako se radi o golom virionu, on ulazi direktnom penetracijom, dok virioni sa omotačem se fuzionišu sa membranom i zatim se fagocitozom ubacuju u ćeliju domaćina. Ulazak virusa u životinjsku ćeliju je najčešće procesom endocitoze pri čemu nastaje intracelularna vakuola; tek u citoplazmi virusna nukleinska kiselina se oslobađa iz endozoma. Stapanje virusne čestice sa ćelijskom membranom se ostvaruje posredstvom specifičnih proteina u virusnom omotaču. Dakle, najčešće cela virusna čestica prolazi kroz ćelijsku membranu, a svlačenje (razgradnja) kapsida se dešava nakon prodora virusa u ćeliju, pri

čemu kapsid biva potpuno ili delimično otklonjen da bi se oslobodio virusni genom. Dalji tok umnožavanja se razlikuje zavisno od vrste virusa, odnosno od vrste njegovog genetičkog materijala. Kada prodre u ćeliju domaćina, virus zaustavlja sve procese u njoj, i započinje sa sopstvenim umnožavanjem. Na bazi genetičkog materijala virusa, vrši se sinteza virusnih komponenti. Ćelija obavlja replikaciju virusne DNK ili RNK, kao i transkripciju iRNK koja obezbeđuje sintezu proteina. U ekspresiji virusnih gena razlikuju se rani i kasni geni. U slučaju ranih gena, ekspresija se dešava brzo nakon infekcije i odnosi se na gene koji su odgovorni za sintezu proteina potrebnih za replikaciju virusnog genoma. Kasni geni pretežno kodiraju strukturne proteine viriona, kao i proteine potrebne za lizu ćelija domaćina. Završni proces je sličan kod svih virusa i obuhvata sastavljanje, sazrijevanje i izlazak virusa iz inficirane ćelije. Sazrevanje, odnosno skupljanje svih sintetisanih komponenti i stvaranje zrelog viriona se dešava u tačno određenom delu inficirane ćelije i zavisi od mesta umnožavanja i načina napuštanja same ćelije. Životinjski virusi mogu da napuste životinjsku ćeliju na dva načina. Virusi bez omotača obično pupljenjem napuštaju ćeliju domaćina, dok goli virusi bez omotača obično liziraju ćeliju ili je napuštaju egzocitozom. Virusom inficirana ćelija luči interferon, koji sprečava ulazak virusa u susedne ćelije. Interferon nije specifičan za određeni virus, ali štiti samo onu vrstu ćelija koja ga je proizvela. λ fag je umereni fag koji nakon unosa nukleinskih kiselina u bakteriju ne preuzima odmah kontrolu nad ćelijom već se njegov genom ugrađuje u genom domaćina, i na taj način nastaje inaktivni profag, koji se replicira zajedno sa genomom domaćina kroz mnoge generacije. Delovanjem nekih induktora, bilo da se radi o fizičkim ili hemijskim agensima koji oštećuju DNK (UV zraci,

X zraci i kancerogeni), može doći do aktivacije profaga koji sad postaje litički fag i koji zaustavlja metabolizam ćelije i aktivno se replikuje i translatuje, formirajući zrele virione. Lizogeni ciklus virusa ne podrazumeva trenutno ubijanje ćelija domaćina već procese ugrađivanja genoma virusa u hromozome domaćina, pri čemu nastaje provirus-profag, koji postaje deo naslednog materijala svih ćerki ćelija u koju je virus ugrađen. U povoljnim uslovima se genom virusa izvlači iz genoma domaćina i dovedi do lize ćelije. Posledice virusne infekcije mogu biti: ►smrt ćelije (kao posledica umnožavanja virusa) ► nastanak latentnog profaga ►transformacija ćelije, koja dovodi do promene u ćeliji, pre svega do njenog ubrzanog i nekontrolisanog rasta. Virusi koji mogu da izazovu transformaciju ćelija se nazivaju tumorski ili onkogeni virusi. Latentni virusi ili provirusi, kao što su virusi malih boginja i herpes virusi mogu da ostanu godinama u utišanom stanju bez izazivanja simptoma infekcije. U njihovom slučaju ugradnja u genom domaćina je moguća ali nije obavezna kao kod lizogenih faga.

vidjeti pod mikroskopom. Vlakna i plake se mogu taložiti godinama, prije nego što se pojave simptomi .

Monere

U subvirusne čestice koje se po mnogim osobinama razlikuju od virusa spadaju: virus-sateliti, viroidi, virusoidi i prioni. To su infektivne čestice koji mogu da izazovu neka oboljenja kod životinja i čoveka, koje se nazivaju encefalopatije. Zajedničke osobine svih encefalopatija su veoma dug period inkubacije, spor i progresivan tok bolesti i redovno fatalan ishod, izazvan spongioformnim degenerativnim promenama nervnog sistema. Prvi jasni klinički slučajevi spongiformne encefalopatije kod goveda registrovani su 1984 god., a bolest je još uvek nedovoljno ispitana. Slično oboljenje ovaca (skrapi) opisano je mnogo ranije. Osamdesetih godina XX veka otkriveno je da se neke infekcije mogu širiti preko infektivnih proteina koji su možda kodirani genima u DNK domaćina. Izazivač encefalapatije je označen kao prion. Po nekim autorima prioni predstavljaju posttranslaciono modifikovan protein domaćina koji se uobičajeno nalazi i stvara u ćelijama. Prioni se javljaju u dva oblika: kao normalni bezopasni proteini kao i u abnormalnom obliku koji izaziva bolest. Infektivni oblik ima nešto drugačiju strukturu u odnosu na normalan protein. Dakle, tokom bolesti normalni prion se spontano menja u zarazni oblik proteina, i tada se menjaju prioni u drugim ćelijama u organizmu u lančanim reakcijama. Kada se jednom pojave, abnormalni prioni se drže zajedno i formiraju vlakna i plake, što se može

Prokariotski organizmi su najstariji živi celularni organizmi koji su se pojavili pre 2-3 milijarde god. Predstavljaju najbrojniju grupu organizama. Žive svuda oko nas, kao i u nama. Žive u živim organizmima, vodi, vazduhu, zemlji, na leševima. Moguće ih je naći u lednicima, termalnim izvorima, na dubinama do 4000m u okeanima, u nafti. U nepovoljnim uslovima mogu da žive i nekoliko godina u obliku spora. Najveći broj bakterija živi pojedinačno, ali ima i onih koje žive u kolonijama. Prokarioti su jednoćelijski organizmi, sa plazma membranom na površini citoplazme. U citoplazmi se nalazi rasut genetički materijal. Dakle, njihova ćelija nije diferencirana na dva

osnovna dela, jedro i citoplazmu, već predstavlja jedinstvenu strukturu. Genom prokariota je uvek dvolančani cirkulatorni molekul DNK, koji je ogoljen, tj. bez histona, i rasut u citoplazmi čineći nukleoid. Geni bakterije organizirani su u jednu grupu vezanih gena. Imaju samo jedan hromozom. Pored bakterijskog hromozoma u ćeliji se mogu nalaziti plazmidi, koji se nazavisno replikuju od bakterijskog hromozoma. U citoplazmi nisu prisutne membranozne organele, a od amembranoznih su prisutni samo ribozomi. Plazmalema nekih prokariota može da pravi višestruke uvrate (invaginacije) čime se povećava unutrašnja površina na kojoj su raspoređeni enzimi. Delovi membrane na kojima su smešteni enzimi koji učestvuju u disanju se nazivaju mezozomi. Kod autotrofnih bakterija postoje uvrati na kojima su smešteni enzimi i pigmenti koji im omogućavaju fotosintezu. Na spoljašnjoj površini plazma membrane, kod većine prokariota, luči se čvrsti ili polučvrsti ćelijski zid u čiji sastav ulazi muraminska kiselina i peptidoglikan. Većina bakterija je pokretna, a u nepokretne oblike spadaju koke. Neke bakterije imaju flagele (bičeve) koji im omogućuju kretanje. Ovaj oblik kretanja je karakterističan za štapićaste bakterije, bacile i fibrile.

Građa bakterije Bakterije su jednoćelijski organizmi kod kojih je plazma membrana pokrivena, kod najvećeg broja bakterija, ćelijskim zidom. Ćelijski zid je višeslojan, krut i porozan omotač, od koga zavise oblik i čvrstina bakterije. Peptidoglikani u sastav zida bakterija, predstavljaju jedinstvene polimere, građene od glikozidnih derivata (amino-šećera) i različitih aminokiselina. Lekovi, naročito oni iz porodice penicilina, ometaju sintezu ovih komponenti ćelijskog zida, i zbog toga dovode do smrti bakterije, koje ne mogu da žive bez ćelijskog zida. Prednost ovih lekova je u tome što oni nisu toksični za svoje domaćine, pošto eukariotske ćelije nikada ne sintetišu peptidoglikane. Neke bakterije preko

ćelijskog zida sadrže kapsulu, građenu od polisaharida ili lipida. Kapsula štiti bakterije od imunološkog sistema organizma u kome parazitira.

Ćelijski zid bakterija Bakterijski zid ima složen hemijski sastav i upravo na osnovu razlika u njegovom sastavu bakterije se klasifikuju na Gram(+) i Gram(-) bakterije. Ova klasifikacija je izvršena na osnovu toga da li poprimaju ili ne boju ( procedura otkrivena 1884 godine od strane Christian-a Gram-a koji je uspeo da temperaturom fiksirane ćelije uspešno tretira sa bojom kristal violet i jodom a da ih zatim odboji sa etanolom ili acetonom). Gram(+) bakterije odlikuje zid koji je homogen, debljine oko 40 nm, izgradjen od peptidoglikana i tejhojnih kiselina. Tejhojne kiseline predstavljaju polimere glicerola ili ribitola povezanih fosfodiestarskim vezama. Hidroksilne grupe ovih šećer-fosfat lanaca su zamenjene sa D-Ala ostacima i saharidima kao sto su glukoza ili NAG. Gram(+) bakterije pokazuju tendenciju posedovanja većeg broja peptidoglikanskih slojeva u svom zidu. U grupu gram pozitivnih bakterija spadaju: Clostridia (izazivači tetanusa, botulizma, gangrene), Streptokoke (izazivači infekcije creva, usta, i ždrela), Stafilokoke, Aktinomicete i izazivači difterije, tuberkuloze, lepre. U zidu Gram(-) bakterija razlikuju se unutrašnji i spoljašnji sloj. Unutrašnji sloj grade peptidoglikani, dok u obrazovanju spoljašnjeg sloja (koji se često naziva spoljašnjom membranom) učestvuju proteini, fosfolipidi i lipopolisaharidi organizovani na kompleksan način. Gram(+) bakterije se boje plavoljubičasto Gram(-) se boje crvenkasto

Peptidoglikani Ćelijski zidovi i Gram(+) i Gram(-) bakterija sadrze peptidoglikane (kovalentno vezane polisaharide i polipeptide). Polisaharidna komponenta peptidoglikana (mureina) sastoji se od linearnih lanaca sa alternirajućim β(1>4) vezama izmedju Nacetilglukozamina (NAG) i Nacetilmuraminske kiseline (NAM).

Ona je slično građena kao eukariotska, samo što u njen sastav nikada ne ulazi holesterol. Sastoji se od dva sloja lipida u koje su uronjeni proteini.

Neke bakterije oko svoga tela imaju na stotine filamenata, proteinske prirode, koji se označavaju kao pili. Fimbrije ili pili se javljaju kod štapićastih bakterija, služe za pričvršćivanje bakterije za površinu druge ćelije. Pored ove uloge, pili mogu da učestvuju i u pridržavanju bakterija koje su u konjugaciji. Kao što je već istaknuto, prokariotskim ćelijama nedostaju gotovo sve membrane izuzev plazmamembrane.

predstavljaju grozdove koka, koje ostaju zajedno. Štapićaste bakterije se nazivaju bacili i kao koke mogu da se razdvoje posle deobe, ili da ostanu zajedno, pa prema tome nastaju Diplobacili i Streptobacili. U bacile spada i jedna od najpoznatijih bakterija, E Coli. Spiralne bakterije su uvijene oko svoje zamišljene ose i u njih spadaju Spirile, Vibrioni i Spirohete.

U citoplazmi bakterija se nalazi oko 70-80 % H2O, kao i organski i neorganski molekuli u obliku jona. Neke bakterije u citoplazmi imaju inkluzije, zrnaste tvorevine, u kojima se nagomilavaju hranjljive materije, molekuli bogati energijom (polisaharidne ili lipidne prirode), a kod nekih može biti prisutan i sumpor. Kod bakterija koje plutaju na vodi prisutne su i gasne vakuole. Neke gram pozitivne bakterije obrazuju spore, da bi preživele nepovoljne uslove. Radi se o endosporama, koje se obrazuju unutar bakterije.

Oblik bakterija Bakterijske ćelije pokazuju tri osnovna morfološka tipa: štapićast, sferičan i spiralan, kao i mnoge njihove prelazne oblike. Interesantno je istaći da je kod bakterija prisutan fenomen da nakon deobe, ćerke ćelije ostaju zajedno obrazujući kolonije, koje mogu da budu u vidu lanaca ili u vidu grozdova. Loptaste bakterije (koke) se razmnožavaju amitozom, kao i svi drugi oblici bakterija. Ako posle deobe ćerke ćelije ostaju zajedno nazivaju se diplokoke, ako se razdvoje nazivaju se monokoke. Streptokoke se ne razdvajaju posle deobe i formiraju lance bakterija. Stafilokoke

Razmnožavanje bakterija Bakterije se razmnožavaju na više načina: prostom deobom (fisionom

deobom), pupljenjem, fragmentacijom (podelom na više delova) i posebnim oblicima polnog razmnožavanja u koje spadaju konjugacija, transdukcija i transformacija. Osnovni oblik razmnožavanja bakterija je amitoza, prosta deoba. Bakterije nemaju jedro, pa kod njih ne postoji mitoza kao oblik deobe ćelije. Tokom amitoze dolazi do proste deobe genetičkog materijala i citoplazme, pri čemu od jedne ćelije nastaju dve. U povoljnim uslovima te deobe su brze i dešavaju se na svakih pola sata. Kod prokariota se pred deobu DNK molekul pričvršćuje za ćelijsku membranu, gde se replikuje-udvaja, pri čemu od jednog nastaju dva lanca DNK. Novonastali molekul DNK se takođe kači za ćelijsku membranu pored prvog. Ćelija se zatim podeli na dva jednaka, ili nejednaka dela, sa po jednim molekulom DNK. Neke bakterije se razmnožavaju pupljenjem. Nema ničeg sličnog sa procesom polnog razmnožavanja, koje se sreće kod eukariota, ali, ako je osnova polnog razmnožavanja razmena genetičkog materijala između različitih jedinki, onda se i kod bakterija sreću neke vrste polnih procesa. Postoje, uslovno rečeno, dve vrste bakterija, one koje daju i one koje primaju genetički materijal. Bakterija koja prima DNK, se naziva recipient ili primalac, a bakterija koja daje

deo svoje DNK, se naziva davaoc (donor). Postoje tri načina pomoću kojih geni mogu biti razmenjeni između bakterija: transformacija, konjugacija, transdukcija. Transformacija je proces tokom koga se DNK jedne oštećene (raspadnute) bakterije uzima u velikim delovima od strane druge bakterije. Konjugacija podrazumeva prelazak fragmenta DNK jedne bakterije u drugu bakteriju, što se obavlja preko protoplazmatičnih mostića koji se formiraju između njih. Količina DNK koja se razmenjuje na ovaj način može varirati od samo malog dela do kompletnog ćelijskog genoma.

Transdukcija je proces u kome se DNK prenosi iz jedne bakterije u drugu uz pomoć posrednika (bakteriofaga). Pri izvlačenju profaga iz genoma bakterije, greškom, virus može da ponese i deo gena jedne bakterije i da ga prenese u drugu bakteriju. Ovo može biti osnova raznih pozitivnih i negativnih mutacija, koje dovode do evolutivnih promena u vrstama bakterija.

Metabolizam bakterija Bakterije pripadaju heterotrofnim i autotrofnim organizmima. Heterotrofne bakterije koriste gotova organska jedinjenja, kao izvor ugljenika i energije, i najveći broj bakterija spada u ovu kategoriju, pri čemu se među njima najveći broj odlikuje saprobnimsaprofitnim načinom ishrane. Saprobne bakterije apsorbuju male organske molekule iz uginulih biljaka ili životinja. Ove bakterije mogu da luče enzime koji su u stanju da razlažu organske molekule tako da predstavljaju najznačajnije organizme iz kategorije razlagača na Zemlji (heterotrofne saprobne bakterije i gljive). Saprofitske bakterije se mogu javiti i u humanim ćelijama, i u njih spadaju meningokoke i gonokoke. Mnogi oblici među heterotrofnim bakterijama snabdevaju se hranom direktno iz tela živih organizama. Mnoge vrste bakterija žive

u određenim simbiotskim odnosima sa drugim organizmima. Postoje tri kategorije simbiotskog odnosa bakterija i organizama: parazitizam, komensalizam i mutualizam. Paraziti su organizmi koji organske materije koriste iz živih organizama, ljudi, životinja i biljaka, i to su uglavnom bakterije koje su patogene, odnosno izazivači raznih oboljenja. Komensalizam predstavlja oblik simbioze u kojoj jedan učesnik ima korist, a drugi ne trpi štetu od zajedničkog odnosa. Mutualizam je oblik simbioze u kome oba učesnika imaju korist od zajedničkog života (bakterije E Colli u crevima čoveka). Amensalizam je poseban oblik odnosa između mikroorganizama, pri kome određeni mikroorganizmi, gljive i neke gram(+) bakterije proizvode supstance, antibiotike, koji inhibitorno deluju na rast drugih mikroorganizama. Autotrofne bakterije za sintezu potrebnih hranljivih molekula koriste neorganske molekule. Kao izvor energije ove bakterije mogu da koriste razne oblike energije: hemijsku, svetlosnu, toplotnu. Hemoautotrofi koriste energiju koja se dobija iz raznih hemijskih reakcija. Ovo predstavlja oblik autotrofne ishrane, karakterističan samo za neke vrste bakterija. U zavisnosti od toga koji tip jedinjenja oksidišu razlikuju se nitrifikacione, gvožđevite, sumporne, metanske, vodonične bakterije. Nitrifikacione bakterije su hemoautotrofni organizmi koji oksiduju amonijak ili amonijum jone u nitrite i dalje u nitrate, koje biljke mogu da koriste (nitrozomonas, nitrobakter), tako da imaju primarnu ulogu u ciklusu kruženja azota na zemlji. Fiksacija azota predstavlja redukcioni proces prevođenja atmosferskog azota iz vazduha u oblik amonijaka. Jedini organizmi koji mogu obaviti ovu redukciju su neke bakterije i cianobakterije, tako da život na zemlji praktično indirektno zavisi od njihove aktivnosti. Na korenu mahunarki žive bakterije roda Rhizobium (aerobna

bakterija simbiotski azotofiksator), koje biljke snabdevaju amonijakom. One stupaju u kontakt sa korenom biljaka, oštećuju korensku dlaku i stvaraju kvržice. U kvržicama bakterije se dele i prelaze u bakteroide. Kvržice su crvene jer sadrže jednu vrstu hemoglobina koji ima ulogu da vezuje kiseonik. Nakon nestanka kiseonika u okolini nastaju anaerobni uslovi u kojima može da se izvrši redukcija azota, u uslovima u kojima deluje enzim nitrogenaza koja ove procese katalizuje. U bakteroidima azot prelazi u amonijum jon a nitrogenaza ga u kvržicama ugrađuje u glutamin i asparagin. Radi se o simbiozi pošto bakterija domaćinu predaje azot a za uzvrat od domaćina dobija šećet. Azotofiksatori mogu da se svrstaju u dve grupe, slobodne i simbiotske. Slobodni azotofiksatori su aerobni (Azotobacter, Nostoc, Anabena) i anaerobni (Clostridium). Fotoautotrofi, koriste sunčevu svetlost, kao izvor energije. Među fotoautotrofnim bakterijama ima aerobnih i anaerobnih. Pigmenti smešteni u uvratima membrane učestvuju u fotosintezi. Neke sumporne fotosintetske bakterije, su prilagođene na život u mulju, gde dopire svetlost većih talasnih dužina, a postoji velika količina vodonik sulfida. Fotosintetičke sumporne bakterije koriste vodonik sulfid umesto vode kao izvor elektrona za fotosintezu. Prema upotrebi kiseonika, bakterije se dele na: aerobne i anaerobne. Aerobne bakterije svoje životne aktivnosti obavljaju u prisustvu kiseonika. Anaerobne bakterije ne mogu da žive u prisustvu kiseonika, tipičan primer su bakterije koje izazivaju gangrenu. Fakultativno anaerobne bakterije se nalaze između aerobnih i anaerobnih, mogu, ali ne moraju da koriste kiseonik. Bakterije mogu biti nepatogene i patogene. Nepatogene bakterije učestvuju u razgrađivanju organskih materija u zemljištu čineći ga plodnim, učestvuju u mlečnokiselinskom vrenju, tako da su od neprocenjivog značaja za živi svet.

Bakterijska oboljenja čoveka i životinja Neke patogene bakterije uništavaju ćeliju svog domaćina, ali najveći broj vrsta prouzrokuje bolest tako što oslobađaju toksine koji nanose štetu metabolizmu ćelije domaćina. Toksini mogu da budu endotoksini i egzotoksini. Egzotoksine produkuju bakterije koje izazivaju, difteriju, tetanus, botulizam, koleru, dijareu, pojavu čireva, otok limfnih žlezdi, kugu, potkožno krvarenja.

Citologija Ćelija je osnovna strukturna i funkcionalna jedinica građe svih živih bića i njenim proučavanjem se bave mnoge načne discipline: citologija, biohemija, molekularna biologija, genetika. Citologija je nauka koja se bavi proučavanjem morfologije ćelije, što znači da se bavi spoljašnjim oblikom i strukturama njene unutrašnjosti. Ćelija je jedinica života. Okružena je plazmamembranom preko koje obavlja razmenu materije sa spoljašnjom sredinom. Dinamički je sistem jer obavlja disanje, hrani se, razmnožava, a jednoćelijski organizmi se i kreću. Veličina ćelije varira, neke su vidljive golim okom, a neke samo pod mikroskopom. Najmanje ćelije čoveka su smeštene u kori malog mozga, a najveće su megakariociti, adipociti, osteoklasti i jajna ćelija. Ćelije skeletnih mišića su duge i po nekoliko cm, a aksoni nekih neurona su dugi i do 1m. Naučnik čije se ime vezuje za razvoj citologije je Robert Huk (davne 1665g). On je proučavao plutu pod spravom koja je bila preteča današnjeg mikroskopa. Prvi je upotrebio termin ćelija, za komorice plute koje je proučavao. Levenhuk je prvi opisao jednoćelijske organizme. Švan je definisao ćeliju kao jedinicu građe živih bića. Za razvoj savremene citologije je važna 1931god. i otkriće elektronskog mikroskopa, što je omogućilo detaljno proučavanje ćelija i

njenih struktura. Za razliku od svetlosnog elektronski mikroskop koristi snop elektrona, a umesto sistema sočiva elektromagnetna polja. Na osnovu stepena složenosti koje su dostigle ćelij se dele na prokariotske i eukariotske, a organizmi sagrađeni od njih prokarioti i eukarioti. U prokariotske organizme spadaju jednoćelijski organizmi bez diferenciranog jedra. Eukariotsku ćeliju imaju jednoćelijski organizmi sa jedrom i sve više biljke i životinje. Za razliku od jednoćelijskih organizama kod viših eukariota, čije je telo sagrađeno od velikog broja ćelija, dolazi do ćelijske specijalizacije. Dakle, u telu višećelijskih eukariota se sreću različiti tipovi visoko diferenciranih ćelija. Njihov oblik zavisi od porekla, funkcije i položaja koji zauzimaju u telu.

Kockast ili prizmatični oblik imaju ćelije koje oblažu spoljašnju površinu tela, unutrašnjih organa kao i ćelije štitne žlezde. Pljosnat oblik imaju ćelije krvnih sudova. Ćelije koje imaju funkciju prenošenja nadražaja su izdužene sa više nastavaka, vretenaste, vlaknaste, kao što je slučaj sa mišićnim ćelijama. Ćelije mogu biti bez stalnog oblika, kao na primer hromatofore sipe ili kameleona. Loptast oblik ćelija, sa izuzetkom jajnih ćelija i belih krvnih zrnaca, je relativno redak. Postoje veoma krupne ćelije, kao što je slučaj sa nervnim ćelijama kičmenjaka (kit) ili jajnom ćelijom ptica.

Prokariotska ćelija Prokariotske ćelije su nastale pre oko 3-4 milijarde godina. Malih su dimenzija, vidljive samo pod mikroskopom, bez diferenciranog jedro. Genetski materijal im je kružni molekul DNK organizovan u nukleoid. Prokarioti su jednoćelijski organizmi, koji obuhvataju modrozelene alge i bakterije. Njihova ćelija je građena od plazma membrane na površini i citoplazme, bakterioplazme. Bakterioplazma je bogata šećerima, mastima i jedinjenjima koja su bogata fosforom, prisutni su joni, mali molekuli, brojni proteini. Ribozomi su manji od eukariotskih i predstavljaju jedine amembranozne organele koje postoje kod prokariota. Od membranoznih organela kod prokariota nije pronađena ni jedna. U citoplazmi nema citoskeleta (miofibrila i miofilamenata), što znači da je odsutno njeno pomeranje, odnosno nema ciklozisa. U bakterioplazmi se mogu povremeno naći gasne vakuole. Genetički materijal je rasut u citoplazmi u delu koji se naziva nukleoid, ali ne postoji membranozna tvorevina koja ga izdvaja od preostalog dela citoplazme. Genom prokariota je predstavljen cirkularnim (kružnim) dvolančanim molekulom DNK. Pošto postoji samo jedan molekul DNK, prokarioti imaju samo jedan hromozom. Molekul DNK je uglavnom vezan za membranu u kojoj se nalaze enzimi neophodni za replikaciju. Na površini prokariotske ćelije nalazi se plazmalema, koja predstavlja periferni deo bakterioplazme. Plazmalema je lipoproteinske strukture, ali za razliku od eukariotske membrane nikada ne sadrži holesterol. Može da pravi višestruke uvrate, čime se povećava unutrašnja aktivna površina, na kojoj su raspoređeni fotosintetski pigmenti, kod

fotosintetičkih prokariota, ili enzimi respiratornog lanca kod heterotrofnih i autotrofnih bakterija. Druga vrsta uvrata u plazma membrani, se sreće kod svih prokariota, ima ulogu u disanju, i naziva se mezozomima. Plazma membrana održava integritet ćelije, polupropustljiva je i omogućava razmenu materije i energije sa spoljašnjom sredinom. Na spoljašnjoj površini plazma membrane, kod većine prokariota, luči se čvrsti, ili polučvrsti ćelijski zid. Zid ima ulogu da obezbedi potporu ćelije i reguliše njenu propustljivost a od zida eukariotskih ćelija, se razlikuje po tome što ne sadrži celulozu. Razmnožavaju se prostom deobom.

membranu, jedro i membranozne organele. U proseku su veće 10 do 15 puta od prokariotskih ćelija. Eukarioti obuhvataju Protozoa i Metazoa

Eukariotska ćelija Eukariotske ćelije su evolutivno mlađe od prokariotskih. Pojavile su se pre oko 1,5 milijarde godina. Vode poreklo od prokariotskih ćelija na šta ukazuje isti genetički kod, genetički materijal i građa i funkcija ribozoma. Eukariotske ćelije su složenije građe. Sadrže kompleksnije građenu plazma

Osnovna karakteristika eukariotskih ćelija, je prisustvo čitavog niza membranskih i amembranskih organela u citoplazmi. Njihova osnovna odlika je prisustvo jedra u kome je smešten genetički materijal. Unutrašnjost ćelije čini vodeni rastvor pretežno bogat kalijumom, koji se naziva citosol. Citosol i sve organele koje se nalaze unutar ćelije, sa izuzetkom jedra se nazivaju citoplazma. Membrane organela čine čak 90% svih ukupnih membrana ćelije. U citoplazmi su prisutni mikrofilamenti i mikrotubule, koje predstavljaju skelet ćelije i omogućavaju pomeranje organela, tako da je kod eukariota prisutan ciklozis. Sve organele u eukariotskoj ćeliji nemaju isto evolutivno poreklo. Mitohondrije i hloroplasti su organele koje su se razvile nezavisno od ostalih organela, pa su zadržale znatan stepen posebnosti u strukturi i funkciji. Ostale organele su istog porekla. Treba razumeti da sve organele u ćeliji ne funkcionišu izolovano. Eukarioti obuhvataju heterogenu grupu organizama pa je jasno da postoje razlike u građi ćelija životinja i biljaka. Biljne ćelije, pored organela koje su prisutne i u životinjskoj ćeliji imaju plastide, vakuole i ćelijski zid. U ćelijskom zidu biljaka između celuloznih fibrila se umeću molekuli pektina i hemiceluloze. Na osnovu količine celuloze u ćelijskom zidu razlikuju se, primarni i sekundarni ćelijski zidovi. Primarni imaju manje celuloze, što ih čin elastičnijim, i oni se uglavnom nalaze na površini mladih ćelija, onih koje rastu, kao i onih koje formiraju zelene delove biljaka. Sekundarni ćelijski zid ima veliku količinu celuloze, što ga čini vrlo krutim. Kod nekih vrsta biljaka ćelijski zid grade

i neke druge materije, tipa kutina, voskova ili lignina.

Animalne ćelije nemaju ćelijski zid i hloroplaste, a samo mali broj ima vakuole, kao privremene organele. Tako su kod slatkovodnih protozoa prisutne kontraktilne vakuole, koje imaju ulogu u ekskreciji i osmoregulaciji. Postoji još jedna razlika između ova dva tipa ćelija, a odnosi se na mehanizam njihove deobe. U animalnoj ćeliji su prisutni centrioli, između kojih se formiraju niti deobnog vretena, tako da je prisutna astralna deoba, dok kod biljaka ne postoje centrioli i organizacija deobnog vretena je drugačija, tako da je prisutna anastralna deoba. Unutrašnjost eukariotske ćelije predstavlja citoplazma, čije je stanje gel-sol i u nju su uronjene ćelijske organele i ćelijski skelet. Citosol predstavlja deo citoplazme koji ne obuhvata ćelijske organele i na njega otpada oko 55% ukupne zapremine ćelije. To je deo ćelije u kome se odvija najveći deo metaboličkih procesa. U citosolu su smešteni enzimi koji imaju ulogu u biohemijskim reakcijama, a uključeni su i u kataboličke procese u ćeliji, tako da je citoplazma bogata raznovrsnim jonima, energetskim materijama i

aminokiselinama. U citoplazmi se organele nalaze u stalnom pokretu. Kretanje organela omogućavaju strukture proteinske prirode u obliku cevčica i tubula, koje prožimaju citoplazmu, a koje predstavljaju citoskelet. U sastav citoskleta ćelije ulaze, mikrotubule koje su građene od tubulina i mikrofilamenti, koji su sastavljeni od aktina. Kao što je već istaknuto, u citoplazmi eukariotskih ćelija mogu biti prisutne membranozne i amembranozne organele. Membranozne organele se međusobno razlikuju po broju membrana koje učestvuju u njihovoj građi. Grupu citoplazmatičnih organela sa jednostrukom membranom čine: endoplazmatični retikulum, Goldžijev aparat, lizozomi, periksozomi i vakuole. Grupu organela sa više membranskih sistema čine mitohondrije, plastidi i jedro. U organele bez membrana spadaju: ribozomi, citoskelet i centriole (kod životinja), a u jedru nukleolus. Pored podele organela prema broju membrana koje poseduju, organele se dele i na osnovu funkcije koju obavljaju u ćeliji. Prva grupa organela je uključena u proces sinteze proteina i lipida i u nju spadaju: endoplazmatična mreža, Goldžijev aparat i ribozomi. Drugu grupu čine organele u kojima se obavlja razgradnja produkata u ćeliji i u nju spadaju lizozomi i vakuole kod biljaka. Treća grupa obuhvata organele uključene u sintezu energijom bogatih jedinjenja, pre svega ATPa, u koje spadaju mitohondrije i hloroplasti kod biljaka. Sve eukariotske ćelije se dele mitozom i mejozom. Kod višećelijskih organizama obezbeđena je stalna komunikacija između ćelija, koja se ostvaruje na više načina. Ćelijske membrane koje su u međusobnoj komunikaciji mogu da budu ili tesno povezane, ili sa uzanim prostorom koji omogućuje da se razmena jona i metabolita direktno uspostavi iz jedne u drugu ćeliju. Drugi oblik komunikacije može da se ostvari

preko dezmozoma, kada postoji prostor između dve ćelije, ali se ćelije održavaju u prisnoj vezi preko athezije. Specijalni tip povezivanja ćelija je putem sinapsi, ako se između ćelija nalaze veće pukotine, što je karakteristično za nervne ćelije. U biljnim ćelijama kontakt između susednih ćelija može da se ostvari preko plazmodezmi, mostića koji ih spajaju.

veze između animalnih ćelija

Kod višećelijskih biljaka i životinja prostor između ćelija predstavlja vanćelijski matriks. To je sredina koja omogućuje komunikaciju između ćelija. Osnovna komponenta vanćelijskog matriksa su molekuli proteoglikani (linearni molekuli polisaharida koji su udruženi sa proteinima). Između celuloznih fibrilarnih vlakana se umeću molekuli pektina i hemiceluloze i formiraju neku vrstu mreže, u koju se smeštaju proteini i glikoproteini. U zavisnosti od starosti ćelija razlikuju se primarni i sekundarni ćelijski zid. Primarni ima manje, a sekundarni više celuloze, pa je manje elastičan.

čvrsta veza – formira se između epitelnih ćelija bez prisutnih pukotina, sprečava prolaz materije, formiraju ga proteini obe ćelije tesna vezaomogućava prolaz malih čestica, hormona i glasnika koji usaglašavaju rad ćelija dezmozomi hemidezmozomi povećan razmak između ćelija i nakupljene substance

veze između biljnih ćelija plazmodezme kanali koji prolaze ćelijski zid biljnih ćelija omogućuju direktnu vezu citoplazme jedne ćelije sa citoplazmom druge ćelije i prolaz raznih molekula i struktura

ĆELIJSKI ZID značajan za biljne ćelije, ćelije gljiva i bakterija

protoplast-gola ćelija bez ćeliskog zida ćelijski zid nemaju animalne ćelije, neke alge i protisti i polne rasplodne ćelije biljaka luči ga citoplazma, ali je mrtva struktura, osim plazmodezmi

sastav

celuloza

pektin

Uloga ćelijskog zida zaštita ćelije održavanje oblika ćelije, zbog velikog unutrašnjeg pritiska vakuola

hemiceluloza

povezivanje biljnih ćelija u tkivo sprečava prevelik ulazak vode u ćeliju plazmodezme omogućuju komunikaciju između ćelija specijalizacija ćelije koja omogućuje uspravan položaj biljke nasuprot gravitaciji

SASTAV ĆELIJSKOG ZIDA UGLJENIHIDRATI

hitin

homopolimer beta glukoze, nerazgranat molekul polimer galakturonske kiseline, lako oksidiše i bubri, zauzima središnji deo ćelije rezervna celuloza, prisutna u zadebljalim semenkama, datule, pri klijanju se razgrađuje do monosaharida i služi kao rezervna supstanca nalazi se u zidu gljiva, i samo u nekim biljkamaalgama, polimer derivat glukoze, Nacetil glukozamina koji su povezani beta 1-4 glikozidnim vezama

subjedinici. U velikoj subjedinici ribozoma, kod prokariota prisutne su dve rRNK, a kod eukariota, tri rRNK sa proteinima. Kod eukariota ukupna količina proteina u ribozomima je znatno povećana u odnosu na prokariote. Ribozomi eukariota mogu da grade polizome. Polizom predstavlja strukturu koju grade veći broj ribozoma nakačenih na istom molekulu iRNK, koji učestvuju u sintezi proteina, pri čemu se na njima sintetiše onoliki broj istih proteina koliko ima ribozoma.

Ribozomi jedina organela svih celularnih organizama Ribozomi su amembranozne, globularne čestice prisutne kod svih celularnih organizama. Predstavljaju jedinu organelu prokariota. Pored toga što su prisutni u citoplazmi eukariota kao slobodni ili vezani za određene organele: spoljašnju membranu jedra i endoplazmatični retikulum, nalaze se i u citosolu mitohondrija i plastida. Ribozomi su amembranozne, globularne ribonukleoproteinske čestice koje ulaze u sastav translacionog sistema ćelije. Sastoje se iz dve subjedinice, velike i male. U citoplazmi ćelije se subjedinice ribozoma nalaze odvojeno, sve do momenta kada se vezuju za određene molekule iRNK, da bi otpočeli sintezu proteina. Osnovu ribozomalnih subjedinica čine ribozomalne RNK za koje su vezani ribozomalni proteini. Ribozomi prokariota i eukariota se razlikuju u veličini. Kod prokariota i kod eukariota u maloj subjedinici je prisutna samo po jedna rRNK za koju su vezani proteini. Na maloj subjedinici se nalazi pukotina kroz koju prolazi iRNK, dok tRNK prilazi kroz udubljenje na većoj

Polizomi u citoplazmi mogu da budu slobodni, ili vezani za endoplazmatični retikulum. Slobodni ribozomi u citoplazmi učestvuju u sintezi proteina citoplazme i citoskeleta, ili za sintezu proteina koji su neophodni ćeliji, kao što je sinteza globina u retikulocitu.

Ribozomi na endoplazmatičnom retikulumu sintetišu proteine koji će biti sekretovani iz ćelije (hormoni, neurotransmiteri) i moraju biti membranom odvojeni od citosola, (lizozomi, vezikule, granule) ili su proteini membrane. Ribozomi su konzervativne, nepromenjljive strukture, kod različitih vrsta organizama, što ukazuje na njihovu opštu ulogu u sintezi proteina.

Hemijski sastav ćelije NEORGANSKI SASTAV ĆELIJE čine isti hemijski elementi koji ulaze u sastav nežive materije, razlika je samo u stepenu zastupljenosti pojedinih elemenata, pri čemu samo 25 elemenata je potrebno za organizaciju života pri čemu C, O, H i N čine 96% žive materije. Pored ovih elemenata koji grade ćeliju su P i S, K i Ca i oni čine preostalih 4% živog tkiva. Ovi elementi su odabrani u toku stvaranja života, zbog svojih povoljnih karakteristika. Svi atomu su mali i laki, u njima su elektroni blizu jezgra, sposobni da formiraju čvrste i stabilne veze. Takođe, svi mogu da formiraju kovalentne veze, i sa izuzetkom vodonika, mogu istovremeno da formiraju veze sa dva i više atoma. Ukupno u sastav ćelije ulazi preko 20 različitih elemenata koji se smatraju esencijalnim za život (bioelementi), i organizam ne može pravilno da funcioniše bez njih. Nedostatak

određenih biolemenata dovodi do niza karakterističnih poremećaja i oboljenja. Svaki bioelement mora da postoji u određenoj optimalnoj koncentraciji u ćeliji, i tek tada ispoljava pozitivno svojstvo na organizam. Prema zastupljenosti u ćeliji bioelementi se dele na: makroelemente u koje spadaju Cl, Na, K, Ca, Mg, H, C, O, P, S i mikroelemente, odnosno oligoelemente: Cu, Mn, Co, Zn, Fe, Cr, F, J, Mo, Co, Se, Li. U ćeliji, uloga i zastupljenost pojedinih neorganskih elemenata je promenjljiva. Elementi u organizmu imaju raznovrsne uloge, oni: učestvuju u održavanju osmotskog pritiska, regulaciji pH sredine, propustivljosti ćelijske membrane, učestvuju u oksidoredukcionim procesima i ulaze u sastav enzima kao njihovi kofaktori. Svaki od ovih elemenata, u zavisnosti od uloge koju obavljaju u ćeliji, ulaze u sastav ćelije ili neke njene organele. Bioelementi se dele na metale i nemetale. Nemetali su vodonik, kiseonik, ugljenik i azot, hlor, sumpor. Azot ulazi u sastav proteina i nukleinskih kiselina, nalazi se u metabolički aktivnim jedinjenjima (hlorofilu, vitaminima, hormonima). Sumpor je sastojak aminokiselina i proteina koje ih sadrže, gde SH grupe imaju značajnu ulogu u formiranju viših nivoa organizacije proteina, vitamina i biljnih hormona. Neorganski sulfati imaju značajnu ulogu u procesu detoksifikacije štetnih materija u jetri. Fosfor u obliku fosfata ima važnu ulogu u održavanju strukture i funkcije svih živih ćelija. Nalazi se u obliku slobodnih jona i u sastavu fosfatnog pufera koji održava pH ćelije. Najzastupljeniji anjoni su: Cl-, PO4, HCO3, i njihova uloga je pretežno puferska. Održavanje konstantnog pH u organizmu je od presudnog značaja za njegovo funkcionisanje. Krv čoveka ima skoro konstantnu pH (7, 4) vrednost, bez obzira što prenosi veliki broj različitih materija koje mogu da utiču na promenu njene pH vrednosti, zahvaljujući

puferskom kapacitetu njenih anjona. Treba istaći da fosfati predstavljaju osnovni oblik za dobijanje energije. Predstavlja osnovnu komponentu nukleinskih kiselina, a takođe ulazi u sastav fosfolipida i nekih proteina. Odlaganje fosfata, u obliku hidroksiapatita u kostima je regulisano paratiroidnim hormonom. Nedostatak fosfora se javlja kao posledica smanjene absorpcije iz creva. Od metala u ćeliji su naročito zastupljeni Na, K, Ca, Mg, Fe, Cu i Mn. Ljudski organizam sarži više kalcijuma, nego bilo kog drugog esencijalnog minerala (čak 1200g kod čoveka težine 70kg). Najmanje 99% od ukupne količine kalcijuma se nalazi u kostima i zubima. Kosti se neprekidno remodeliraju, odnosno učestvuju u održavanju stalne koncentracije Ca u plazmi. Kada se koncentracija u plazmi spusti ispod normalne, otpušta se kalcijum iz kostiju. Nedostatak kalcijuma, dovodi do otežanog stvaranja novih kostiju i pojave rahitisa kod dece. Joni kalcijuma su i neophodna komponenta sarkoplazmatičnog retikuluma, koji obezbeđuje kontrakciju mišića. Nedostatak jona kalcijuma dovodi do grčenja mišića i srodnih neuroloških poremećaja. Dakle, njegova uloga u ćeliji može da bude strukturna, neuromuskularna, kao i u regulaciji kontrakcije mišića. Joni kalcijuma su neophodni u mehanizmu koagulacije krvi, a predstavljaju i aktivatore enzima. Metabolizam jona kalcijuma se ostvaruje dejstvom dva hormona, paratiroidnog i kalcitonina. Kalcijum ulazi u zid biljnih ćelija. Kalijum je glavni intracelularni katjon. Neophodan je u sintezi proteina, ugljenih hidrata i njegov nedostatak utiče na disanje. Takođe, joni kalijuma su osnovni elementi kalijum natrijumove pumpe, koja obezbeđuje normalno funkcionisanje membrane i prenošenje impulsa. Hiperkalijemija dovodi do karakterističnih elektrokardioloških promena, koje su rezultat snažnog, i po život opasnog, delovanja viška jona

kalijuma na srce. Dakle, glavna uloga jona kalijuma je u održavanju osmotskog pritiska, održavanju potencijala mirovanja. Joni Na takođe imaju ulogu u održavanju membranskog potencijala, kao i u procesu razdraženja ćelijske membrane. Regulacija metabolizma Na i K se dešava pod delovanjem hormona aldosterona. Magnezijumovih jona ima u svim ćelijama. Neophodan su aktivator enzima. Tako je utvrđeno da je prisustvo jona magnezijuma neophodno da se obezbedi sinteza proteina, nukleinskih kiselina, nukleotida, lipida, ugljenih hidrata, kao i za aktivaciju mišićne kontrakcije. Metabolizam jona Mg u organizmu reguliše hormon aldosteron. Joni magnezijuma su i osnovna komponenta hlorofila. Joni natrijuma su glavni vanćelijski katjoni. Neophodni su u regulaciji acido-bazne ravnoteže ćelije. Održavaju osmotski pritisak u telesnim tečnostima. Gvožđe ulazi u sastav hemoglobina, mioglobina, ali i citohroma, uključenih u respiratorni lanac. Mn, Cu, B, su značajni aktivatori enzima u metabolizmu ćelije. Voda, predstavlja najrasprostranjenije jedinjenje u organizmu eukariota i najneophodniji uslov za njegov opstanak. Čini oko 70% zapremine prosečne ćelije, mada ćelije u zavisnosti od fiziološkog stanja mogu da sadrže različite količine vode. Izuzetak su: kosti, zubi, hitin, kora biljaka, semenke koji sadrže ekstremno malo vode (10-15% vode). Oko 2/3 težine odraslog čoveka čini voda. Procenat vode u organizmu je promenjljiv. Zavisi od pola osobe, pri čemu žene, koje imaju više masnog tkiva, imaju manji procenat vode u odnosu na muškarce. Količina vode u ćelijama čoveka se menja sa starošću i usporavanjem metabolizma u njima. Zavisi od vrste tkiva, (krv ima veću količinu vode od masnog tkiva), od metaboličke aktivnosti ćelije (aktivne ćelije imaju više vode). Deo vode za normalno funkcionisanje, organizam

dobija delom spolja, unošenjem tečnosti, a deo stvaraju sama tkiva tokom metabolizma. Voda je jedna od najpolarnijih molekula u prirodi, što u mnogome diktira njene osobine i vezu sa drugim molekulima. U stanju je da formira vodonične veze koje održavaju molekul vode na okupu, ali i sa drugim molekulima. Posledica ovih veza je koheziono ponašanje vode, njena sposobnost da stabilizuje temperaturu, da se širi pri zamrzavanju, kao i njena sposobnost rastvaranja substanci. Voda rastvara mnoga jonska jedinjenja, kao i neka polarna jedinjenja proste šećere i neke proteinske molekule. Ova njena sposobnost dovodi do toga da je citosol vodeni rastvor brojnih polarnih i jonskih molekula, K, Ca, Cl, Na, Mg, prostih šećera i proteina. Voda je polarni rastvarač, koji je neophodan za održavanje biohemijskih reakcija. Voda je bitni deo svih ćelija u telu i svih telesnih tečnosti: ona učestvuje u hemijskim reakcijama, predstavlja univerzalni rastvarač za mnoge jone i molekule, olakšava transport u ćeliju i van nje. Takođe, učestvuje i u regulaciji telesne temperature kod homeotermnih organizama, ptica i sisara, odnosno učestvuje u njihovoj termoregulaciji. Različiti tipovi ćelija i organizama različito podnose nedostatak vode. Čovek umire ako ne uzme vodu 5 dana, bacil tuberkuloze može da živi godinu dana u suvoj sredini. Voda ima svojstvo da se jonizuje. Sve hemijske reakcije u živom sistemu se odvijaju u uskom intervalu pH, između 6-8, sa izuzetkom varenja u želucu čoveka i životinja, koje se odvijaju pri izrazito niskom pH 2.

Organski sastav ćelije Sa izuzetkom vode, najrasprostranjenija jedinjenja u ćeliji su biopolimeri, biomakromolekuli: proteini, nukleinske kiseline, ugljenihidrati i lipidi. Od biopolimera u ćeliji su najzastupljeniji proteini (10%), a najmanje su

zastupljene nukleinske kiseline (1%). Ugljenih hidrata ima oko 2% a lipida 5%. O nukleinskim kiselinama će biti više govoreno u poglavlju III Molekularna biologija.

Ugljeni hidrati Ugljeni hidrati su široko rasprostranjeni, kako u životinjskim tkivima tako i u tkivima biljaka. Nastaju u procesu fotosinteze u biljkama, iz ugljendioksida i vode. Odnos H:O je kao u vodi, po čemu su i dobili naziv ugljeni hidrati. U njihov sastav ulaze uglavnom C, H, O, osim u slučaju nekih složenijih jedinjenja, kada mogu biti prisutni i S i N. U ćeliji postoji oko 50 različitih vrsta ugljenih hidrata. Njihova uloga u organizmu je višestruka, mogu da služe kao neposredni izvor energije, dok drugi imaju strukturnu ulogu. Neki ugljeni hidrati predstavljaju rezervne komponente u ćeliji: skrob kod biljaka, glikogen kod životinja. Ulaze u sastav ćelijskog zida, i oklopa određenih vrsta

beskičmenjaka. Ćelijski zid biljaka je izgrađen od celuloze, a egzoskelet insekata od hitina. Derivati šećera se nalaze u sastavu antibiotika, koenzima i nukleinskih kiselina. Na osnovu složenosti svoje strukture dele se na monosaharide, oligosaharide i polisaharide, u zavisnosti od toga da li mogu hidrolizom da se rastave na prostije komponente. Monosaharidi su najjednostavniji od svih vrsta šećera i hidrolizom ne mogu da se rastave na prostije molekule. Osnovna su monomerna jedinica složenijih šećera .

Monosaharidi, u zavisnosti od funkcionalne grupe koju sadrže, mogu biti aldoze ili ketoze. Prema broju C

atoma monosaharidi se dele na trioze, tetroze, pentoze i heksoze. Za ćeliju su od izuzetnog značaja pentoze i heksoze. Od pentoza su najvažnije riboza i dezoksiriboza, koje predstavljaju osnovnu komponentu svih nukleiotida, a riboza ulazi u sastav ATPa. Od heksoza su najvažnije glukoza i fruktoza, koje predstavljaju glavni izvori energije u ćeliji, pri čemu je fruktoza ketoza, a glukoza je aldoza.

Glukoza je glavni šećer u krvi čoveka koja služi tkivima kao najvažnije metaboličko gorivo. U biološkim sistemima osim monosaharida postoje i mnogi njihovi derivati među kojima su od značaja za funkcionisanje ćelije i organizma, glikozidi, amino šećeri (D glukozamin, D galaktozamin, N acetilglukozamin) i dezoksi šećeri. Disaharidi su građeni od dva monosaharida koji su međusobno povezani glikozidnim ili trehaloznim vezama. Oligosaharidi imaju od 3-10, a polisaharidi preko 10 monomernih jedinica. Kod sisara najvažniji disaharidi su saharoza, grožđani šećer, laktoza- mlečni šećer i maltoza.

vrsta disaharida

monomerne jedinice

saharoza-šećer iz glukoza fruktoza repe i šećerne trske maltoza

glukoza glukoza

laktoza

glukoza galaktoza

Polisaharidi su složeni ugljeni hidrati građeni od više monomernih jedinica, koje mogu biti međusobno iste, ili različite (homo i heteropolimeri). Prema funkciji koju obavljaju u organizmu polisaharidi se dele na rezervne i strukturne. Rezervni polisaharidi predstavljaju deponovani oblik glukoze, i služe kao rezervno gorivo, koje se po potrebi može mobilisati. Glikogen je rezervni šećer u animalnim ćelijama, najviše je zastupljen u mišićnim ćelijama i u jetri. Rezervni polisaharidi su obično deponovani u citoplazmi ćelije u obliku velikih granula. Skrob je polisaharid u biljkama i predstavlja rezervnu energiju za biljne ćelije. Najčešće je prisutan u piranoidima (zrncima u biljnoj ćeliji). Prisutan je u krtolama i semenima. Može se dokazati Lugolovim rastvorom (K u KJ) pri čemu se boji plavo. Strukturni polisaharidi služe kao strukturni elementi ćelijskog zida i vezivnog tkiva. Daju oblik, elastičnost, i čvrstinu tkivima biljaka i životinja, a zaštitu i potporu jednoćelijskim organizmima. Ovi polisaharidi su glavni organski sastojci egzoskeleta mnogih beskičmenjaka. Celuloza je najrasprostranjeniji polisaharid. Predstavlja polimere glukoze koje su međusobno vezane β 1-4 glikozidnim vezama, i predstavlja osnovnu komponentu ćelijskog zida biljaka. Kod životinja u digestivnom traktu nema enzima koji mogu da hidrolizuju β 1-4 veze, pa se celuloza ne vari. Izuzetak su preživari, koji mogu da koriste celulozu u ishrani, pošto bakterije koje žive u buragu njihovog želuca proizvode enzim celulazu koja hidrolizuje celulozu na D

glukozu. Posle celuloze, hitin je najrasprostranjenija organska materija na zemlji. Nalazi se u ćelijskom zidu gljiva i egzoskeletu artropoda i insekata. Agar ulazi u sastav modrozelenih algi.

masti, fosfolipidi, holesterol, terpeni i prostaglandini. Nalaze se kao strukturni sastojci plazma membrana i membrana ćelijskih organela (fosfolipidi, holesterol). Imaju ulogu izolatora i zaštitnog omotača nekih organa. Oksidacijom triglicerida se oslobađa velika količina energije, pa predstavljaju značajni izvor energije za ćeliju. U ćeliji postoje 40-50 različitih vrsta lipida. Ćelije mozga i nervnog tkiva su veoma bogate lipidima. Lipidi u ćeliji mogu biti: fosfolipidi, trigliceridi, sfingolipidi, steroli, voskovi. Bez obzira na njihovu veliku raznovrsnost, prema ulozi koju obavljaju u ćeliji mogu se podeliti na strukturne i regulatorne lipide. U strukturne lipide spadaju fosfolipidi, koji ulaze u sastav membrane, voskovi koji formiraju zaštitni sloj na koži, krznu i perju, masno tkivo koje okružuje bubrege sisara i potkožni sloj masti koji doprinosi termičkoj izolaciji. Holesterol predstavlja osnovnu komponentu membrane eukariotskih ćelija. Neutralne masti su građene samo od glicerola i višemasnih kiselina, koje mogu biti zasićene i nezasićene. Ako u sastav masti ulaze zasićene masne kiseline radi se o čvrstim mastima koje su uglavnom zastupljene kod životinja (loj, vosak).

Lipidi Lipidi su jedinjenja nerastvorna u vodi. U njihov sastav ulaze C, H, O. Imaju više značajnih bioloških uloga u ćeliji. Čine ih

Ako u sastav masti pored glicerola ulaze nezasićene masne kiseline, ovakve masti su tečne-ulja, i karakteristične su za biljke. Naziv hidrogenizovana biljna

ulja, koja se nalaze na ambalaži prehranbenih proizvoda, odnosi se na ulja koja su veštački zasićena dodavanjem vodonika.

Masti se kao izvor energije deponuju u masnim ćelijama, adipocitama. Interesanto je da se broj adipoita ne menja pri gladovanju i gojenju, već se samo depoi masti smanjuju ili povećavaju. Kada je organizmu potrebna energija koju ne može da obezbedi iz unete hrane pod delovanjem hormona (adrenalina), u adipoznim ćelijama se vrši hidroliza masti. Ishrana prekomerno bogata mastima smatra se jednim od faktora rizika za nastanak oboljenja krvnih sudova. Taloženje masti na unutrašnjoj površini krvnih sudova (ateroskleroza) dovodi do nastanka naslaga koje umanjuju prohodnost i elastičnost krvnih sudova. Masne kiseline se oslobađaju u krvotok, odakle ih ćelija koristi kao izvor energije. Masti daju šest puta više energije nego ista količina glikogena, jer su deponovane u ćeliji u anhidrovanom obliku. Višak ugljenih hidrata se privremeno deponuje kao glikogen, a trajno kao masti. Kada je organizmu potrebna energija prvo se razlaže glikogen a zatim masti. Lipidi, odnosno fosfolipidi imaju važnu strukturnu ulogu pošto ulaze u sastav membrane. Sastoje se od glicerola i dve masne

kiseline, a treća je esterifikovana sa fosfatnom grupom. Fosfogliceridi su složene masti. Oni su sastojci ćelijske membrane i veoma malo su zastupljeni u drugim delovima ćelije. Grade ih pored glicerola i masnih kiselina fosforna grupa koja je esterifikovana sa holinom ili serinom. Molekul fosfoglicerida ima polarnu glavu i nepolarne ugljovodonične repove, zbog čega se nazivaju amfipatički ili polarni lipidi. Od dve masne kiseline koje se nalaze u njihovom sastavu jedna je obično nezasićena. U složene lipide koji su sastojci membrane spadaju i sfingolipidi.Tkivo najbogatije sfingolipidima je moždano tkivo. Najrasprostranjeniji sfingolipid kod kičmenjaka je sfingomijelin koji ulazi u sastav mijelinskog omotača nervnih vlakana.

U grupu regulatornih lipida u ćeliji spadaju jedinjenja koja u svom sastavu imaju strukturu sterana, u koje spada holesterol i njegovi derivati. Steroidi se međusobno razlikuju po broju i položaju dvogubih veza, po tipu, položaju i broju bočnih grupa i prema konfiguraciji veza između bočnih grupa i steroidnog jezgra. Holesterol se sastoji iz 4 prstena steroidne strukture, koja se sreće i kod polnih hormona i nekih vitamina.

U steroide spada holesterol, polni hormoni i neki vitamini (A i D). Derivati holesterola imaju višestruk značaj u organizmu, tako žučne kiseline koje su krajnji proizvod u metabolizmu holesterola, imaju veliku ulogu u varenju masti. Ženske polne hormone (estrogen i progesteron), luče folikularne ćelije i žuto telo jajnika polno zrelih ženki. Muški polni hormoni, androgeni, se luče u testisima i utiču na ispoljavanje muških polnih karakteristika i spermatogenezu. Kora nadbubrežne žlezde luči mineralokortikoide i glikokortikoide. Od mineralokortikoida značajni su aldosteron i dezoksikortikosteron. Od glikokortikoida su značajni kortikosteron, kortizol i kortizon. Terpeni čine osnovu bioloških pigmenata, kao što je vidni pigment kičmenjaka, retinal, ili fotosintetski pigment, hlorofil, kod biljaka. Prostaglandini čine grupu važnih hemijskih glasnika u ćeliji.

Uloga masti u ćeliji strukturna grade

ćelijsku

membranu. uloga masti u metabolizmu ulaze u sastav vitamina i jedinjenja bogata hemijski vezanom energijom, a zbog velikog broja C atoma predstavljaju glavni izvor rezervne energije. regulatorna uloga, neki hormoni eukariota su lipidne prirode.

Proteini Naziv protein vodi poreklo od Grčke reči proteios, što znači prvi, najvažniji. Proteini ili belančevine su visokomolekulska jedinjenja koja sadrže obavezno azot u svom sastavu i predstavljaju polimere aminokiselina. Ove molekule je prvi opisao i imenovao Džons Bercelijus 1838. Prvi izolovani protein je insulin, a izolovao ga je Sangera, koji je dobio Nobelovu nagradu za ovo otkriće 1958. Među prvim proteinima, čija je struktura otkrivena na osnovu kristalografje Xzračenja, su i hemoglobin i mioglobin. Ćelija sintetiše veliki broj različitih proteina, koji učestvuju kako u izgradnji nekih njenih osnovnih struktura, tako i u regulaciji osnovnih procesa neophodnih za njeno normalno obavljanje. Opšta informacija o genetičkoj strukturi organizma je data u molekulu DNK, ali ovaj molekul nema nikakav direktan uticaj na odvijanje procesa u ćeliji. Ispitivanje gena ne može da pruži informacije o ponašanju proteina u ćeliji, već su proteini ključni molekuli odgovorni za funkcionisanje ćelija. Tako, prenošenje kiseonika u mišićnoj ćeliji ne obavlja gen za mioglobin, već njegov neposredni produkt, protein mioglobin. Različita fiziološka stanja ćelije su povezana sa različitom ekspresijom gena za potrebne proteine, kao i promenama u ulozi proteina koji je obavljaju. Proteini su složena organska jedinjenja u čiji sastav ulaze 20 proteinogenih aminokiselina, koje

predstavljaju raznovrsne gradivne blokove, koji se međusobno razlikuju po hemijskim osobinama. Različitost gradivnih blokova proteina diktiraju veliki spektar različitih osobina proteina u čiji sastav ulaze, a to se odražava i na ulogu u ćeliji koju obavljaju.

Aminokiseline Proteini svih živih organizama su izgrađeni od istih 20 aminokiselina. U ćeliji čoveka se nalazi više stotina hiljada različitih proteina. Iako deluje začudjujuće da lanac amino kiselina može da formira toliko različitih struktura, glavni razlog promenljivosti proteina leži u sastavu bočnih R grupa aminokiselina. Pošto svaka od 20 amino kiselina koje grade proteine, može da se nadje na bilo kom mestu u polipeptidnom lancu to je 20n mogućih polipeptidnih lanaca gde n predstavlja broj amino kiselina. Za tipičan protein dužine oko 300 aminokiselina može se stvoriti više od 20 300 (10390) različitih proteina.

Po hemijskom sastavu radi se o α aminokiselinama sa izuzetkom prolina koji je iminokiselina. Aminokiseline su jedinjenja koja na istom alfa ugljenikovom atomu imaju vezanu i karboksilnu i amino grupu. α-C atom (Ca) je asimetričan kod svih aminokiselina sem kod glicina, pa su aminokiseline optički aktivna jedinjenja.

veličinu, oblik, polarnost i naelektrisanje, što utiče na njihovu fleksibilnost u građenju polipeptidnih lanaca. Tako, neke R grupe kao što su bočni lanci lizina i arginina su bazni i doprinose ukupnoj pozitivnoj šarži aminokiseline pri neutralnom pH, dok prisustvo ekstra karboksilne grupe asparaginske i glutaminske aminokiseline utiče da su one negativno naelektrisane u neutralnoj sredini.

Centralni ugljenikov atom uglavnom ima za sebe vezane četiri različite hemijske grupe, što ga čini hiralnim i što omogućava da se aminokiseline mogu pojaviti u dve verzije, L i D. Analiza proteina živih sistema pokazala je da samo L stereozomeri aminokiselina ulaze u sastav funkcionalnih proteina. D stereoizomeri su nađeni u građi nekih antibiotika koje proizvode bakterije ili u zidu bakterija. D-alanin je prisutan u larvama i lutkama nekih insekata. Strukturna formula aminokiselina je H2N-CHR-COOH, gde R predstavlja varijabilni deo kiseline. Aminokiseline postoje u obliku cvitar jona pri fiziološkom pH, što znači da se proton iz karboksilne grupe vezuje za amino grupu iste aminokiseline: +H3N-CHRCOO-. Monoaminokiseline se ponašaju i kao slabe kiseline i kao slabe baze, jer sadrže bar jednu karboksilnu i jednu amino grupu, što znači da se radi o amfoternim jedinjenjima. Vrednost pH na kome je ukupno naelektrisanje aminokiselina jednako 0 naziva se izoelektrična tačka. Amino kiseline se međusobno razlikuju po strukturi R ostatka. Ovaj varijabilni deo daje svakoj aminokiselini određene osobine:

Serin (Ser, S) i treonin (Thr, T), sadrže hidroksilnu grupu, kao alkoholi, polarne su i sposobne da formiraju vodonične veze. Ostatak prve kolone predstavljaju aminokiseline koje imaju alifatične bočne lance, i koje su nepolarne, iako su glicin (Gly, G) i prolin (Pro, P) specifične. Glicin ima kao bočni lanac samo vodonik, tako da je njegova konformacija mnogo manje ograničena od ostalih aminokiselina. S druge strane bočni lanac prolina je kovalentno zakačen za amingrupu što ima za posledicu da njegov prsten konformaciono daleko rigidniji.

sa vodom, za razliku od grupe aminokiselina sa hidrofobnim bočnim grupama. Pored osnovnih 20 aminokiselina u proteinima živih sistema se mogu naći u manjoj meri modifikovani oblici ovih aminokiselina (4-hidroksiprolin, 5-hidroksilizin) koji stabilišu fibrile kolagena. Nestandardne aminokiseline koje su nađene u proteinima nastaju postranslacionim modifikacijama proteina.

POLARNE NEGATIVNO NAELEKTRISANE AMINOKISELINE

Ostale aminokiseline sa alifatičnim bočnim lancem, izoleucin (Ile, I), valin (Val, V), i leucin (Leu, L) su sa hidrofobnim ostatcima i obično se nalaze u unutratrašnjosti proteina. Cistein (Cys, C) i metionin (Met, M), sadrže sumpor. Cistein je u proteinima prisutan u oksidovanoj formi, cistinu. Ako se u proteinu nađu dva cisteina jedan naspram drugog u lancu, doći će do formiranja S-S disulfidnih mostova koji imaju značajnu ulogu u održavanju konformacije proteina.Treba uočiti određenu sličnost u strukturi Cys i Ser, prvi ima SH grupu kao tioli a drugi OH grupu kao alkoholi. Aromatične aminokiseline počinju fenilalaninom (Phe, F) koji je hidrofoban, dok i tirozin (Tyr, Y) i triptofan (Trp, W) imaju polarnu grupu koja može da učestvuje u vodoničnim vezama. Sulfhidrilna grupa cys i hidroksifenilna grupa tyr su najpolarnije bočne grupe polarnih aminokiselina. Histidin (His, H), arginin (Arg, R), i lizin (Lys, K) sadrže bazne ostatke. Imidazolov prsten His u neutralnoj pH, utiče da je His obično smeša neutralnog i pozitivnog naelektrisanja ili pozitivno naelektrisan, dok su lanci Arg i Lys pozitivno naelektrisani. Grupa aminokiselina sa polarnom, nenaelektrisanom bočnom grupom može formirati vodonične veze

POLARNE BAZNE AMINOKISELINE

ASP i GLU R groupe sa još po jednom COOH grupom koja je jonizovana LYS, ARG, HIS Pozitivno naelektrisane aminokiseline

NENAELEKTRISANE

SER, THR, TYR, ASN,GLN (cys) rastvorne u vodi hidrofilne sadrže hidroksilnu ili amino funkcionalnu grupu

NEPOLARNE ALIFATIČNE

GLY, ALA, VAL, LEU, ILE, PRO, nerastvorne u vodi hidrofobne

POLARNE

AROMATIČNE

(hidrofobne nepolarne) PHE i TRP (TYR) i MET, CYS sve sadrže R grupe sa strukturom prstena ili sumpor

Aminokiseline, zavisno od grupe kojoj pripadaju mogu da formiraju određen tip veza, što određuje uspostavljanje viših nivoa strukture proteina. Neutralne nepolarne aminokiseline uspostavljaju hidrofobne interakcije. Neutralne polarne aminokiseline uspostavljaju vodonične veze. Kisele i bazne

aminokiseline uspostavljaju jonske i vodonične veze. Sve aminokiseline uspostavljaju van der Waals-ove interkacije s obzirom da one zavise samo od rastojanja atoma.

Nastanak peptida i proteina Amino kiseline su gradivni blokovi od kojih su građeni proteini i polipeptidi, tako da se može reći da su proteini i peptidi nerazgranati lanci ili polimeri aminokiselina koje su međusobno povezane peptidnim ili amidnim vezama. U okviru peptidne veze –CONH-atom ugljenika je sp2 hibridizovan, a slobodan elektronski par na atomu azota stupa u konjugaciju sa πelektronima dvostruke veze C=O. Peptidna veza ima 40% karaktera dvostruke veze. Usled toga peptidna veza je kruta i ima planarnu strukturu Obzirom na ulogu proteina u regulaciji gena u ćeliji, jasno je da je njihova struktura genetički određena i zapisana u molekulu DNK.

Polipeptidi su linearni polimeri u kojima su aminokiseline povezane po principu glava rep. Kičmu lanca čine peptidne veze, dok su bočne grupe aminokiselina slobodne i mogu međusobno da intereaguju. Polipeptid poseduje polarnost, prva aminokiselina u polipeptidu ima slobodnu amino grupu

(N-kraj) dok poslednja aminokiselina ima slobodnu karboksilnu grupu (Ckraj). Prema broju aminokiselina koje sadrže, peptidi se dele na oligopeptide, sa najviše do 10 aminokiselina, i polipeptide koji sadrže do 50 aminokiselina. Imena polipeptida se grade tako da nazivi aminokiselina čije karboksilne grupe ulaze u reakciju imaju nastavak il, a na kraju se dodaje nepromenjeno ime aminokiseline sa slobodnom karboksilnom grupom. Tek sa sticanjem prostorne organizacije, polipeptid dobija svoju specifičnu biološku ulogu i zapravo tek od tog momenta se može koristiti termin potein. Proteini su molekuli koji se sastoje od jednog ili više polipeptidnih lanaca. Polipeptidi koji grade proteine mogu biti izgrađeni od oko 40-4000 aminokiselina, i nazivaju se subjedinice. U najvećem broju bioloških sistema broj subjedinica je paran, pa se govori o dimerima, tetramerima ili heksamerima. Veličina proteina se određuje preko njihove mase koja se izražava u daltonima. Masa pojedinačne aminokiseline u proseku je 113 Da, što ukazuje da ako protein ima masu 5,763 Da, njegova dužina je prosečno oko 50 aminokiselina. Proteini su veliki makromolekuli čija masa može dostići vrednost i od nekoliko miliona daltona. Po svojoj strukturi proteini mogu biti prosti, koji hidrolizom daju samo aminokiseline ili konjugovani, složeni, heteroproteini ukoliko u njihov sastav osim proteina ulazi i neproteinska struktura. U sastav složenih proteina ulazi proteinski deo i neproteinski molekul (šećer, lipidi, nukleinske kiseline), tako nastaju glikoproteini, lipoproteini, nukleoproteini.

Oligopeptidi polipeptidi u čijoj građi učestvuje manje od 30 aminokiselina insulin

reguliše koncentraciju šećera u krvi

sekundarna, tercijerna i kvaternarna (kvaternerna).

glukagon

pankreasni hormon antagonist insulina

kortiko tropin

hormon stimuliše korteks

hipofize adrenalni

oksitocin

hormon stimuliše uterusa

hipofize kontrakcije

klase proteina prosti i složeni Prosti proteini hidrolizom daju samo aminokiseline albumini

rastvorni globularni

u

vodi

globulini

Rastvorni u - NaCl

kolagen

u vezivnom tkivu visok % Gly, Pro prisutan u zglobovima

Prota mini

protein sa 80% Arg & bez Cys

Histoni

Kompleksi sa DNK 90% Arg, Lys, His

keratin

proteini kože i kose visok procenat baznih ak.

Složeni proteini građeni iz ak i nekih drugih makromolekula hidrolizom daju i druge produkte ne samo a.k. lipo proteini

+ lipidi: u sastavu krvi, membrana uloga u transportu

gliko proteini

+ ugljenihidrati: antitiela, receptori

nukleo proteini

+nukleinske kiseline: ribozomi i ostale organele

Organizacija strukture proteina U molekulima proteina razlikuju se četiri nivoa organizacije: primarna,

Promene u aminokiselinskoj sekvenci proteina, mogu da izazovu promene u strukturi i funkciji određenog proteina, što za posledicu može imati razvoj bolesti. Pauling je otkrio da do srpaste anemije dolazi pri izmeni, glutaminske kiseline sa valinom u molekulu hemoglobina i ove bolesti je nazvao molekulskim bolestima. Hemoglobin je slabo rastvorljiv i stvara agregate usled kojih eritrociti imaju izmenjen oblik. Takvi eritorciti imaju kratak vek i uzrok su smrtonosnim oboljenju Primarnu strukturu proteina određuje informacija data u DNK, dostupne su primarne sekvence skoro svih gena Primarna struktura određuje način uvijanja proteina, njegovu 3D strukturu koja određuje ulogu proteina u ćeliji Mutacije mogu da dovedu do nefunkcionalnih proteina

PRIMARNA STRUKTURA proteina, predstavlja kovalentni skelet polipeptidnog lanca koga predstavlja samo precizno određen redosled aminokiselina, specifičan za dati polipeptidni lanac. Ona predstavlja polaznu osnovu za uspostavljanje složenijih struktura, osobina i aktivnosti određenog proteina. Da bi postao biološki aktivan protein se pod fiziološkim uslovima uvija u svoju aktivnu strukturu. Denaturisani proteini

(nakon zagrevanja) imaju sposobnost da spontano povrate svoju aktivnu konformaciju, što ukazuje da je informacija koja odredjuje tercijernu strukturu datog proteina sadržana u njegovoj primarnoj strukturi i da je rezultat interakcija izmedju bočnih grupa amino kiselina.

molekulima proteina ovakva sekundarna struktura je zastupljena sa 20-80%, zavisno od redosleda amino kiselina u polipeptidu i od prisustva S-S veza. U alfa heliksu su bočne grupe aminokiselina okrenute ka spoljašnjosti heliksa čime se izbegava prostorni uticaj ovih grupa jednih prema drugim. Takođe, R grupe koje su okrenute ka spoljašnjim stranama heliksa, imaju idealnu poziciju da interaguju sa drugim regionima proteina ili drugim makromolekulima (DNK, RNK).

Prostorna organizacija proteina SEKUNDARNA struktura nastaje kao rezultat formiranja vodoničnih veza između peptidnih veza, koje se uspostavljaju između aminokiselina, unutar jednog polipetidnog lanca. Postoje dva oblika sekundarne strukture, alfa heliks i  nabrana ploča, koji se međusobno razlikuju po osnovnim karakteristikama i osobinama. U  spirali vodonične veze se uspostavljaju izmedju atoma vodonika vezanog za atom azota jedne peptidne veze i atoma kiseonika vezanog za atom ugljenika peptidne veze koja se nalazi tri mesta dalje u lancu (peptidne veze su razdvojene sa 4 aminokiselinska ostatka). Na taj način se polipeptidni lanac sažima u spiralu čiji hod iznosi 0, 54 nm, a čine ga 3,6 aminokiselinskih ostataka. U različitim

Alfa spirala je najrasprostranjeniji oblik sekundarne strukture proteina i ona je stabilisana vodoničnim vezama u okviru jednog lanca, za razliku od beta ploče, kod koje se vodonične veze mogu uspostaviti između udaljenih delova istog lanca ili različitih polipeptidnih lanaca. Alfa heliks je prilično rigidna struktura i ne može da organizuje mesta savijanja polipeptidnog lanca. Aminokiseline Ala, Leu, Tyr, Cys, i Met stabilizuju strukturu alfa heliksa. Aminokiseline Ser, Thr, Ilu, Glu i Asp destabilizuju heliks, dok aminokiseline

Pro i hodroksiprolin (OH-Pro) totalno narušavaju alfa heliks jer ne mogu da formiraju vodonične veze, te omogućavaju savijanje polipeptidnog lanca na mestu gde se pojavljuju u lancu. Alfa heliks je uobičajeni element sekundarne strukture kako fibrilarnih tako i globularnih proteina.

Drugi oblik sekundarne strukture polipeptida je beta nabrana ploča.  ploča se sastoji od 4 do 6 individualnih  lanaca (polipeptidna kičma je u obliku ispružene strukture), a svaki od njih se sastoji od 8 do 10 aminokiselina. Stabilizacija  ploča se ostvaruje vodoničnim vezama između karbonilne grupe jednog  lanca i

imino grupe susednog  lanca. U  lancima susedne aminokiseline se nalaze pod uglom od 180, tako da se njihove bočne (R) grupe nalaze na suprotnim stranama ploče. Proteini u kojima preovlađuje  ploča nisu spiralizovani nego su izduženi. U zavisnosti od orijentacije susednih  lanaca razlikuju se dve forme  ploča Paralelne  ploče su one u kojima susedni  lanci imaju isti aminokarboksilni smer, dok su kod antiparalnelne  ploče susedni  lanci sa suprotnim amino-karboksilnim smerom. Antiparalelne ploče su mnogo stabilnije, najverovatnije zbog veće uređenosti vodoničnih veza u njima i nedostatka distorzije koja može da se uoči kod paralelnih beta ploča. I beta ploča ulazi u sastav mnogih fibrilarnih i globularnih proteina. Dakle, strukture  heliksa i  ploča se formiraju isključivo kontaktima atoma kičme polipeptidnog lanca.

Viši nivoi strukturne organizacije proteina se ostvaruju preko slabih veza koje se mestimično mogu raskidati i ponovo spajati uz mali utrošak energije: dok vodonične veze održavaju sekundarnu strukturu. U građenju viših nivoa proteina učestvuju: van der Valsove sile koje se uspostavljaju izmedju hidrofobnih ostataka amino kiselina u unutrašnjosti molekula:

jonske sile izmedju polarnih aminokiselinskih ostataka na površini molekula (između bočnih grupa sa pozitivnim naelektrisanjem i bočnih grupa sa negativnim naelektrisanjem). Hidrofobne interakcije nastaju između bočnih grupa nepolarnih aminokiselina i imaju najznačajniju ulogu u stabilizaciji tercijerne strukture. Ove veze su slabe, ali je njihov broj znatan, te je njihov ukupan doprinos veliki. Polarne sile (vodonične i jonske) odredjuju geometrijsku specifičnost proteina, nepolarne (van der Valsove i hidrofobne interakcije) daju molekulu termodinamičku stabilnost.

1TERCIJERNA struktura proteina nastaje spontanim uvijanjem polipeptida, u kome učestvuju sve R grupe pojedinačnih aminokiselina. Ova prostorna organizacija proteina se naziva konformacija. Pri normalnim biološkim uslovima protein zauzima samo jednu određenu konformaciju pri kojoj je funkcionalan. Nativna konformacija je ravnoteža između različitih interakcija bočnih grupa aminokiselina od kojih zavisi stabilnost proteina. Polipeptidni lanac, koji u sebi već sadrži delove sa sekundarnom strukturom, je sposoban da se u celini izuvija u prostoru i zauzme položaj koji odgovara najstabilnijoj konformaciji pri čemu u interakciju stupaju bočni nizovi ostataka aminokiselina koji su u polipeptidnom lancu dosta udaljeni jedan od drugoga. 2

Najznačajniju ulogu u formiranju tercijalne strukture proteina imaju vodonične veze i hidrofobne interakcije. Hidrofobne interakcije se uspostavljaju između nepolarnih amikoiselina u unutrašnjosti proteina.

Tercijalna struktura (trodimenzionalna struktura ili konformacija) proteina je kompromis između težnje kičme polipeptidnog lanca da zauzme stabilne strukture  heliksa ili  ploča i težnje bočnih grupa aminokiselina da saviju kičmu polipeptidnog lanca na manje uređen ali takav način da može da se ostvari maksimalna jačina sekundarnih veza između bočnih grupa.

Veze u proteinu Tipovi hemijskih veza u biološkim sistemima

U izgradnji bioloških makromolekula učestvuju kovalentne i nekovalnetne hemijske veze: Kovalentne hemijske veze su jake, stabilne veze koje se nikada ne raskidaju spontano. Ovaj tip veza povezuje aminokiseline u polipeptidne lance i nukleotide u nukleinske kiseline. Nekovalnetne (slabe) hemijske veze su manje stabilne veze i mogu se spontano uspostavljati i raskidati u fiziološkim uslovima. Ovaj tip veza učestvuje u uspostavljanju intra- i intermolekularnih interakcija makromolekula. U slabe hemijske veze spadaju van der Waals-ove veze, vodonične veze, jonske veze i hidrofobne veze. Slabe hemijske veze imaju važan značaj za funkcionisanje bioloških makromolekula, pošto one učestvuju u uspostavljanju intramolekularnih interakcija, koje se stvaraju između različitih delova pojedinačnih makromolekula čime određuju njihov prostorni oblik i funkciju. Ove veze učestvuju i u uspostavljanju intermolekularnih interakcija, odnosno posreduju u interkacijama između dva makromolekula (npr. u interakcijama DNK i proteina) i interakcijama enzimsupstrat. Slabe hemijske veze se zasnivaju na privlačenju između električnih naelektrisanja. One su slabe pojedinačno i kao takve se neprekidno formiraju i raskidaju, ali veliki broj ovih veza stvara stabilne strukture. U formiranju trodimenzionalne strukture važni faktori su naelektrisanje, hidrofilnost-hidrofobnost, veličina funkcionalnih grupa. U formiranju globularnih proteina veoma je važna interakcija bočnih lacana sa vodenom sredinom, pri čemu aminokiseline sa više bočnih hidrofobnih aminokiselina teži da bude ukopana u sredini proteina, dok je hidrofilna strana lanca izložena rastvaranju. Tek sa tercijernom strukturom protein stiče biološku ulogu. Dakle, treba zapamtiti da se u proteinu sa tercijernom strukturom, nalaze regioni

sa uređenom strukturom, koju grade ili  heliks ili  nabrana ploča, ali i regioni sa neuređenom strukturom koji omogućavaju lomljenje proteina i njegovo savijanje u loptu.

Tip veze Vodonične veze

Van der Valsove sile

Jonske sile

Hidrofobne veze

primedba održavaju strukturu

sekundarnu

nastaju između hidrofobnih ak nastaju usled formiranja privalčnih sila između atoma. Zavise samo od rastojanja atoma. Formiraju ih i polarni i nepolarni molekuli. Mogu biti privlačne i odbojne: Kada se rastojanje smanji ispod van der Waals-ovog radijusa nastaju odbojne van der Waals-ove sile i molekuli teže da se vrate na optimalno rastojanje. nastaju između polarnih ak na površini molekula elektrostatičke veze koje deluju između suprotno naelektrisanih grupa. Uspostavljaju ih molekuli koji imaju neto naelektrisanje. između bočnih grupa nepolarnih ak Termin hidrofobinih treba da naglasil činjenicu da nepolarne grupe same teže da se urede tako da

nisu u kontaktu sa vodom. Neophodne su za: stabilizaciju strukture proteina i DNK, interakcije kompleksnih proteina sa drugim molekulim.

Proteinske konformacije Proteini mogu da budu globularni i fibrilarni. Globularni proteini su rastvorni u vodi. Prilikom nastajanja globularnih proteina hidrofobne aminokiseline se potiskuju u unutrašnjost molekula, a polarne ostaju u kontaktu sa vodom. U globularne proteine se ubrajaju, albumini, globulini, protamini, histoni, fosfoproteini, glikoproteini, enzimi. Oblik globularnih proteina je dinamičan i omogućuje im da selektivno vezuju druge molekule. Globularni proteini su pretežno enzimi, pa je kod njih naročito izražena ova osobina, pošto omogučava uspostavljanje veze između substrata i aktivnog mesta enzima. Neki proteini nemaju globularan, već izdužen izgled, to su fibrilarni proteini, i njihova uloga je pretežno strukturna. Fibrilarni proteini su dugi molekuli sa ponovljenim strukturnim motivima, nerastvorni u vodi, otporni na istezanje, čija je struktura dodatno stabilisana vodoničnim vezama.

3 Tipičan primer ovakvih proteina su kolagen i keratin, koji grade kožu, krzno, vunu i kosu sisara, dok  keratin gradi perje, kožu, kandže i kljunove ptica i gmizavaca.

Kolagen je jak i dugačak protein karakterističan za životinje i čini čak 25% svih proteina sisara. Sintetiše se u cisternama ER kao prokolagen, koji se sastoji od tri polipeptidna lanca koji su stabilisani vodoničnim vezama. Delovanjem enzima koji uklanjaju slobodne krajeve nastaje strukturna jedinica kolagena, tropokolagen, koji se spontano udružuje u ekstraćelijskom matriksu gradeći kolagen. U kolagenu je svaka treća aminokiselina glicin, što je

neobično za proteine, koji obično imaju malo glicina u svom sastavu. Aminokiselina prolin je mnogo prisutnija u kolagenu nego u drugim proteinima. Za kolagen su važne i hidroksiprolin i hidroksilizin, aminokiseline koje su retko zastupljene u ostalim proteinima. Hidroksiprolin se formira u kolagenu postranslacionom modifikacijom, pod delovanjem prolil hidroksilaze koji zahteva prisustvo jona gvožđa za svoje delovanje. Za delovanje ovog enzima je neophodan i C vitamin. Hidroksiprolin je odgovoran za stabilnost molekula kolagena. U odsustvu aktivnosti enzima prolil hidroksilaza, ne stvara se hidroksiprolin i ovakvi lanci kolagena se denaturišu na 24˚ C, dok se kolagen sa hidroksiprolinom denaturiše na 39˚C.

Treba napomenuti da je kolagen najzastupljeniji protein u organizmu kičmenjaka, i da se nalazi u kostima, zubima, hrskavici, tetivama i zidu krvnih sudova. Poremećaji strukture kolagena izazivaju brojne bolesti, koje se

zajedničkim imenom nazivaju kolagenske bolesti. Interesantno je napomenuti da ove bolesti mogu biti izazvane nepravilnom ishranom. Skorbut, bolest koja je poznata kao avitaminoza, je praćena oštećenjem kože, pucanjem zidova krvnih sudova i to sve kao posledice nepravilne strukture kolagena kod ovih osoba. Kod nekih poremećaja, koji su praćeni nedostatkom kolagena, postoji visoka elastičnost zglobova i kože, takozvani ljudi od gume (Exlers-Danlosov sindrom). Proteini koji imaju samo tercijernu strukturu, odnosno, sastoje se samo od jednog polipeptidnog lanca su: albumini, gama globulini, osein, keratin, miozin, histoni. Mioglobin je prvi protein kome je određena tercijerna struktura. Ovaj protein se nalazi u ćelijama skeletnih mišića, pre svega vodenih sisara (foka, kitova), kojima služi kao depo kiseonika za vreme gnjuranja

KVATERNARNA (KVATERNERNA) struktura nastaje povezivanjem većeg broja polipeptidnih lanaca koji zajedno predstavljaju jedan holoenzim, pri čemu svaka subjedinica (polipeptid), može da ima specifičnu ulogu. Proteini imaju regione koji se nazivaju vezujuća mesta i koja se održavaju preko nekovalentnih veza. Dva polipeptida se mogu vezati zajedno preko vezujućih mesta formirajući velike proteine, pri čemu se polipeptidni lanci nazivaju proteinske subjedinice.

1. Proteini sa više polipeptidnih jedinica se nazivaju polimerni proteini ili oligomeri, a broj njhovih podjedinica može da varira od dve do više stotina. Ovi proteini su uglavnom homopolimeri, sastoje se iz istih podjedinica, mada postoje i heteropolimeri, ali je njihova kvaternarna

struktura veoma komplikovana. U stabilizaciji kvaternarne strukture učestvuju isključivo nekovalentne veze: vodonične veze, hidrofobne interakcije, elektrostatičke interakcije i van der Valsove sile. Postoji više razloga zašto su proteini sa većim brojem subjedinica veoma česti u živom sistemu: 1) ovakvo gradjenje ne zahteva veliku količinu genetičke informacije; 2) grupisanje i razgrupisavanje je lakše kontrolisati, pošto se subjedinice povezuju putem brojnih veza relativno male energije i 3) greške u sintezi struktura se lakše mogu izbeći pošto ispravljački mehanizmi deluju tokom samog grupisanja subjedinica isključujući subjedinicu sa greškom. Dakle, najveća prednost postojanja više subjedinica kao gradivne komponente proteina je što se one sintetišu ponaosob, tako da postoji mogućnost dobijanja aktivnog proteina i zamenom neke subjedinice u kojoj je došlo do mutacije ili oštećenja. Tipičan predstavnik proteina sa kvaternarnom strukturom je hemoglobin. Hemoglobin se sastoji iz četiri podjedinice 1, 2, 1, i 2, od kojih svaka poseduje hem, kao prostetsku grupu, za koju se vezuje kiseonik. Podjedinice hemoglobina su organizovane kao simetrični parovi, odnosno grade dve subjedinice, od kojih svaka sadrži po dva polipeptidna lanca.

2

3 Transportna rezervna

kontrtilna

Strukturna

Vezuju i prenose molekule (hemoglobin) ovalbumin (jaje), feretin (Fe), kazein (mleko) Mogu da se kontrahuju, menjaju oblik (aktin i miozin) elementi citoskeleta i mišića Obezbeđuju oblik, strukturu tkiva i organa (kolagena vlakna), elastin gradi ligamente, keratin kosu, svilu

Odbrambena Regulatora

.

Funkcije proteina Funkcije proteina u ćeliji su raznovrsne, ali se mogu podvesti u dinamičke i strukturne. Kolagena i elastična vlakna vezivnog i koštanog tkiva obezbeđuju strukturu i oblik organa. Dinamične funkcije proteina obuhvataju transportnu ulogu, ulogu u regulaciji metabolizma, kao i njihovu kataboličku ulogu u hemijskim reakcijama. Glavnu dinamičku ulogu u ćeliji obezbeđuju enzimi. uloga proteina

Enzimi

Katalitička aktivnost

fibroin

antitela(IgG), trombin, otrov zmija digestivni enzimi fibrinogen, Regulatori procesa: hormoni, transkripcioni faktori

Druga, ne manje važna dinamička uloga proteina, je uloga transportera biološki važnih jedinjenja. Tako, hemoglobin prenosi kiseonik i ugljendioksid putem krvi, a mioglobin CO2 i O2 u mišićima. Transferin je odgovoran za prenos gvožđa. Neki proteini, globulini seruma, prenose hormone od mesta sinteze do mesta delovanja. Albumini seruma vezuju i prenose neke lekove i toksine. Proteini imaju i zaštitnu ulogu u ćeliji. Imunoglobulini krvi i interferoni su proteini koji deluju protiv bakterijskih i virusnih infekcija. Fibrin je protein ključan u koagulaciju krvi, pri povredi krvnih sudova. Mnogi hormoni ili peptidi su proteinske prirode (TSH, LH, FSH). Neki proteini (aktin i miozin) imaju ulogu u mišićnoj kontrakciji. Interesantno je istaći da neki proteini, kao albumin jajeta, imaju i ulogu rezervoara aminokiselina, kao

hranjljivih sastojaka koji su neophodni za rast embriona.

Enzimi

Enzimi-biokatalizatori–fermenti su specifična i veoma raznovrsna grupa proteina u ćeliji. Osnovna uloga im je da obezbede obavljanje bioloških procesa snižavajući energiju aktivacije. Do danas je poznato oko 200 različitih vrsta enzima od kojih svaki katalizuje određeni tip hemijske reakcije. Deluju u malim količinama i ne troše se u reakciji, tako da po tim osobinama odgovaraju katalizatorima hemijskih reakcija. Pokazuju veliku selektivnost u delovanju. Sintetišu se u ćeliji, i kao što je slučaj sa svim drugim proteinima, njihova struktura je genetički određena. Mutacije u genima koji kodiraju sintezu enzima mogu imati za posledicu sintezu enzima smanjene aktivnosti, što izaziva enzimopatije kod ljudi. Enzimi se ne nalaze u istim količinama u svim tkivima i organima. Dakle, tkivno su specifični, odnosno, svako tkivo ima svoje enzime. Enzimi su najčešće veliki složeni globularni proteini koji sadrže jedan ili više polipeptidnih lanaca. Dele se u dve grupe: enzime koji se sastoje samo od proteina i složene enzime koje zahtevaju prisustvo neproteinskog dela, da bi bili aktivni. U prvu grupu spadaju enzimi koji se sastoje isključivo od polipeptidnih lanaca, i ne zahtevaju prisustvo drugih

hemijskih grupa da bi obavljali svoju ulogu u ćeliji. Prosti enzimi u okviru svog aktivnog mesta imaju određene aminokiseline koje obezbeđuju vezu sa substratom, ali istovremeno i omogućuju katalitičku reakciju. U proste enzime spadaju pepsin, tripsin, ribonukleaza. Složeni enzimi da bi ispoljili svoju ulogu zahtevaju pored apoenzima koji je proteinske prirode i prisustvo neproteinskog dela enzima koji se naziva kofaktor. Kofaktori po svom hemijskom sastavu mogu biti prostetične grupe, joni metala. Najčešći kofaktori velikog broja enzima su koenzimi, koji su solubilni i mogu da difunduju između različitih enzima. Tipičan primer su ATP i NADH, koji imaju isti kofaktor. Intersantno je da se mnogi vitamini metabolički menjaju da bi postali solubilni koenzimi . Tako:  Vitamin B5 (pantenol) postaje koenzim A (CoA) i služe u prenosu acetil grupe CH3CO  Vitamin B2 (riboflavin) postaje flavin mononukleotid (FADH2) i služi u prenosu elektrona u procesu respiracije.  Vitamin B12 (kobalamin) učestvuje u transportu metil grupe, što je važno za sintezu nukleotida  Vitamin C (askorbinska kiselina) omogućava pomeranje elektrona na Fe3+ jone u prolil hidroksilazama, što je neophodno za sintezu kolagenih vlakana. U ćeliji su najčešće zastupljeni složeni enzimi, koji se sastoje iz proteinskog dela koji se naziva apoenzim i neproteinskog dela-prostetične grupe ili koenzima. Pojedinačno, ni apoenzim ni koenzim, nemaju katalitičku aktivnost već je ispoljavaju tek kada su zajedno, pri čemu svaka od ovih komponenti ima različitu ulogu. U okviru aktivnog mesta enzima, u njegovom proteinskom delu se dešava prepoznavanje substrata. Koenzimi imaju katalitičku ulogu, najčešće su prenosioci raznih funkcionalnih grupa, atoma, ili elektrona,

sa jednog substrata na drugi, pri čemu sami trpe promenu, redukuju se. Koenzim se vraća u prvobitno stanje, reoksiduje se, tek kad substratu prenese grupu koju prenosi. Kao što je već istaknuto isti koenzim može da ulazi u sastav različitih enzima, a specifičnost enzima zavisi od apoenzima. Najčešći koenzimi, NAD i FAD, ulaze u sastav enzima koji učestvuju u oksidoredukcionim reakcijama.

Aktivnost enzima Svaki enzim ima određen oblik kada je aktivan. Složeni enzimi obično sadržie aktivni centar, antigeni centar, regulatorni centar, delove za koje se vezuju koenzimi i delove kojima može da se veže za membranu ćelije. Najvažniji deo enzima, koji mu omogućava da specifično obavi ulogu u ćeliji je aktivni centar. Dakle, aktivno

mesto enzima se formira u tercijernoj strukturi enzima, prostornim približavanjem aminokiselina koje u primarnoj strukturi mogu biti vrlo udaljene. Aktivno mesto enzima je odgovorno za vezivanje substrata i odigravanje katalitičke reakcije koja obezbeđuje odigravanje određene hemijske reakcije. Aminokiseline koje ulaze u sastav aktivnog mesta omogućavaju prepoznavanje substrata što određuje specifično delovanje enzima, pošto aktivni centar odgovara substratu kao ključ bravi. Katalitički centar omogućuje da se reakcija, koju potpomaže enzim, odigra, kada se već formirao kompleks ES (enzim-supstrat), što ima za posledicu nastajanje produkta reakcije P. Pri razaranju aktivnog centra, enzim gubi svoju katalitičku moć. Mutacije ili gubitak nekih drugih delova enzima ne moraju da se odraze na enzimsku aktivnost. Osnovna osobina enzima je njihova specifičnost delovanja, koja može da bude grupna ili apsolutna. Tipičan predstavnik enzima sa apsolutnom specifičnošću je katalaza, ključni enzim u uklanjanju slobodnih radikala, koji omogućuje razgradnju samo vodonik peroksida, ali ne i drugih peroksida u ćeliji. Neki enzimi pokazuju grupnu specifičnost, tako lipaze omogućavaju hidrolizu estarskih veza u mastima, bez obzira na njihovu strukturu.

Nomenklatura enzima Po trivijalnoj nomenklaturi, enzimi su dobijali naziv po substratu, ili tipu reakcije koju su obavljali, i to tako što se nazivu jedinjenja na koje deluju dodavao nastavak aza (amilaza, ureaza, karboksilaza). Savremena klasifikacija i nomenklatura enzima obezbeđuje da u naziv enzima budu uključeni i ime substrata i tip hemijske reakcije koju katalizuje. Prema vrsti reakcije na koje deluju enzimi se grupišu u šest osnovnih klasa: oksidoreduktaze, transferaze, liaze, hidrolaze, izomeraze i ligaze. U klasu oksdoreduktaza spadaju enzimi koji katalizuju oksidoredukcione procese u ćelijama. U organizmima se oksidacija organskih materija uglavnom ostvaruje odcepljenjem vodonika ili elektrona od substrata, i njegovo prenošenje na odgovarajuće primaoce. Kao primaoci vodonika ili elektrona najčešće se koriste koenzimi NAD, NADP, FAD, FMN i citohromi. Najpoznatije oksidoreduktaze u ćeliji su dehidrogenaze, peroksidaze, reduktaze. U klasu transferaza se ubrajaju enzimi koji omogućavaju

prenošenje određenih hemijskih grupa sa jednog jedinjenja na drugo. Dele se na

Oksidorektaze

Transferaze

Hidrolaze

Liaze

Izomeraze

Ligaze

najčešći koenzim je NAD+/FAD Alkohol dehidrogenaza etanol + NAD+ -----> acetaldehid + NADH katalizuju transfer funkcionalne grupe Glukokinaza (heksokinaza) glukoza + ATP ----- > glukozo-6-fosfat + ADP katalizuju hidrolizu vode na C-C vezu karboksipeptidaza [aa-aa]n + H2O -----> [aa-aa] n-1 + aa dodaju ili uklanjaju funkcionalnu grupu na C=C vezu Piruvat dekarboksilaza Piruvat -----> acetaldehid + CO2 katalizuje izomerizaciju jednog izomera u drugi Maleat izomeraze maleat-----> fumarat kondenzacija 2 substrata uz utrošak ATP primer Piruvat carboksilaze piruvat + CO2 + ATP -----> Oksalsirćetna kis + ADP + P

metiltransferaze, aciltransferaze, aminotransferaze, fosfotransferaze, kinaze. Hidrolaze katalizuju razlaganje organskih materija, uz učešće molekula vode. Ovi enzimi su isključivo proteinske prirode, nikada ne sadrže koenzime. Prema prirodi organskih jedinjenja čiju razgradnju katalizuju mogu se podeliti na karbohidraze, esteraze, proteaze. Najpoznatije hidrolaze su: pepsin, tripsin, himotripsin, amilaza, lipaza. Liaze katalizuju odvajanje neke hemijske grupe od substrata uz stvaranje dvostruke veze. Izomeraze su enzimi koji omogućavaju stvaranje izomera, jedinjenja koja imaju isti hemijski sastav i molekulsku masu, a razlikuju se po položaju hemijskih grupa. Ligaze, (sintetaze), su enzimi koji omogućavaju stvaranje hemijskih veza između određenih atoma. Kao davalac energije najčešće se koristi ATP. Prema mestu delovanja i nastanku, enzimi se dele na: endofermente-endoenzim ektofermente-egzoenzime. Endofermenti deluju u ćeliji u kojoj su sintetisani. Mogu biti strogo vezani za pojedine organele u ćeliji. Mitohondrije su organele bogate oksidoreduktazama, enzimima koji obezbeđuju procese ćelijskog disanja i skladištenja energije u ATP. Lizozomi su organele koje predstavljaju digestivni sistem ćelije, čija je unutrašnjost bogati hidrolitičkim enzimima koji obezbeđuju razgradnju svih nepotrebnih sastojaka u ćeliji. Ektofermenti se sintetišu u sekretornim ćelijama i izlučuju se van njih egzocitozom u organe za varenje (usta, želudac i crevo), što omogućuje da se hrana razlaže do najednostavnijih elemenata koji se zatim iz creva dopremaju u krv i limfu. Egzoenzimi se obično sintetišu u

neaktivnoj formi kao proenzimi, a tek se na mestu delovanja aktiviraju. Formiranje proenzima je biološki opravdano, pošto se time sprečava mogućnost izazivanja degradacije ćelije u kojoj su sintetisani. Dakle, oni ne ispoljavaju aktivnost odmah posle sinteze, već moraju da budu aktivirani. Tripsinogen je proenzim koji se transformiše u aktivni enzim, tripsin, pomoću drugog enzima. Tako deluje i pepsin i drugi enzimi digestivnog trakta. Jednom aktiviran enzim više ne može biti inaktiviran. Da bi enzim bio aktivan treba da deluje u oblasti određene optimalne pH vrednosti, na optimalnoj temperaturi i da ima adekvatan substrat na koji deluje.

Enzimi deluju smanjujući energiju aktivacije Kao i katalizatori u hemijskim reakcijama i enzimi, kao biokatalizatori, deluju tako što ubrzavaju brzinu hemijske reakcije u ćeliji snižavajući energiju aktivacije. Enzim se prolazno vezuje za substrat, stvarajući prelazno stanje enzim-supstrat (ES) koje ima nižu energiju aktivacije, nego prelazno stanje nekatalizovane reakcije. Kada nastanu produkti reakcije enzim se oslobađa.

Efekat faktora na brzinu enzimske reakcije Pored koncentracije substrata, na brzinu enzimske reakcije utiču temperatura, pH, prisustvo inhibitora i alosteričnih efektora. Brzina hemijskih reakcija se povećava sa porastom temperature, pošto se povećava brzina kretanja molekula i mogućnost sudara među njima. Brzina većine enzimskih reakcija približno se udvostručava sa porastom temperature za svakih 10 stepeni. Međutim, optimalna temperatura, za delovanje enzima je ona pri kojoj se postiže maksimalna brzina reakcije. Kod sisara za većinu enzima je optimalna temperatura delovanja, oko 38◦C. Ako se temperatura poveća iznad optimalne, aktivnosti enzima opada, i oko 45◦C počinje njegova denaturacija, koja je praćena gubitkom aktivnosti. Enzimi mogu biti termolablni ili termostabilni. Kod ljudi je jedan od najstabilnijih enzima ribonukleaza, koja zadržava svoju aktivnost i ako je izložena temeraturi od 100◦ C nekoliko minuta. Treba ipak imati na umu da je kod drugih organizama, zavisno od uslova u kojima žive, vrednost optimalne temperature na kojoj deluju enzimi različita.

Enzimi deluju u određenim vrednostima pH, mada je optimalna vrednost pH, za različite enzime različita. U želucu je pH izrazito niska, pa enzimi koji su tu aktivni imaju optimalnu pH vrednost delovanja u izrazito kiseloj sredini. U ustima gde je sredina neutralna, enzimi amilaze, koji razlažu ugljene hidrate imaju optimum na pH 7, dok je u crevima bazna sredina, pa su i enzimi najaktivniji na pH 9-10.

Regulacija enzima Jedna od osnovnih osobina enzima je njihova sposobnost da reaguju na signale koji povećaju ili smanjuju njihovu aktivnost u ćeliji. Na katalititičku efikasnost enzima može da utiče veliki broj faktora: promena pH, razni aktivatori ili inhibitori, produkti razlaganja, kao i koncentracija dostupnih koenzima. Međutim, u ćeliji deluju i dodatni regulacioni mehanizmi koji omogućavaju da se promenom aktivnosti enzima reguliše intenzitet metaboličkih procesa u zavisnosti od trenutne potrebe ćelije. Biološki aktivni agensi (hormoni, lekovi, toksične supstance) deluju na metaboličke

procese u ćeliji uglavnom tako što utiču na aktivnost pojedinih enzima. Moguća regulacija aktivnosti enzima, a preko nje i metabolizma, je od velikog značaja za održavanje normalnog funkcionisanja organzma. Aktivnost enzima može da se ostvari ili promenom katalitičkih svojstava enzima, ili izmenom u brzini sinteze ili razgradnje enzima.

Alosterične promene pomažu regulaciju metabolizma Krajnji produkt metaboličkog puta često inhibira enzim koji je i započeo ovaj put i tada govorimo o negativnom povratnom delovanju. Enzimi koji deluju u početnim fazama nekog metaboličkog puta obično postoje u dve konformacije. Jedna je aktivna konformacija, koja vezuje substrat u svom aktivnom mestu i katalizuje njegovo prevodjenje do sledeće supstance u putu. Druga je inaktivna konformacija koja vezuje finalni produkat metaboličkog puta na različitom, regulatornom mestu. Kako se finalni produkt nagomilava, on se vezuje za enzim i prevodi ga u njegovu inaktivnu konformaciju.

Regulacija rada enzima, a time i funkcionisanje osnovnih biohemijskih procesa u ćeliji, se najčešće nalazi pod kontrolom povratne inhibicije. Krajnji proizvod reakcije može da reguliše početne korake razlaganja substrata. Ako ćelija nema potrebe za daljim povećanjem krajnjeg produkta neke reakcije, on se ponaša kao inhibitor nekog od početnih koraka reakcije, i tako sprečava dalje razlaganje substrata. Najveći broj enzima uključenih u metabolizam spada u alosterne enzime. Ovi enzimi pored aktivnog mesta za koji se vezuje substrat imaju i alosterni centar za koje mogu da se vežu određeni molekuli, modulatori, i da na taj način utiču na aktivnost enzima, bilo da pojačavaju njegovu ulogu, ili je inhibiraju. Kao alosterni efektori (modulatori) mogu da deluju proizvodi reakcije, substrati i koenzimi. Aktivacija i inhibicja enzima alosternim modulatorima ima reverzibilni karakter. U metaboličkim procesima kao negativan alosterični efektor često deluje molekul ATP. Kada ćelija raspolaže dovoljnom količinom energije

nema potrebe da se i dalje vrši katabolizam, u suprotnom, kada ćeliji nedostaje ATP, alosternim mehanizmom se ponovo aktiviraju katabolički procesi. Dakle, pod inhbitorima se podrazumevaju supstance koje u malim koncentracijama smanjuju aktivnost enzima. Inhibitori se vezuju za enzim grade sa njim kompleks koji dovodi do inaktivacije enzima. Ulogu inhibitora mogu da ispolje i supstance koje se pod normalnim uslovima nalaze u ćeliji i predstavljaju produkte metabolizma, kao i katjoni i anjoni u ćeliji. Za neke enzime je karakteristično da se inhibiraju svojim substratima ili proizvodima reakcije, ako su prisutni u visokim koncentracijama. Takođe, mnogi lekovi i neke toksične materije unete u organizam mogu ispoljiti inhibitorni efekat na pojedine enzime. Inhibicija može biti povratna i nepovratna. Nepovratna inhibicija se karakteriše nemogućnošću odvajanja inhibitora od enzima, tako da enzim ostale trajno bolokiran (organofosfati). U slučaju reverzibilne-povratne inhibicije, nakon odvajanja inhbitora, enzim ponovo stiče sposobnost delovanja. Dva osnovna mehanizma inhibicije enzima su: kompetitivna i nekompetitivna inhibicija. Funkcionisanje enzima može biti sprečeno direktnim vezivanjem nekih supstanci (inhibitora) za aktivno mesto enzima što je primer kompetitivne inhibicije, ili vezivanjem nekog molekula za neki deo enzima koji nije aktivno mesto, ali izaziva promene na nivou aktivnog mesta, tako da enzim više nije u stanju da prepozna substrat (nekompetitivna inhibicija). Ukoliko se u ćeliji nađe neki inhibitor koji ima sličnu građu kao substrat, on može da zauzme aktivno mesto enzima i tako inhibira njegovo delovanje (delovanje lekova, koji dovode do sprečavanja neurotransmisije). Na primer, prenošenje nervnog impulsa kroz sinapsu se vrši preko neurotransmitera, koji se oslobađaju iz vezikula i nadražuju dendrite druge nervne ćelije.

Acetilholin esteraza je enzim koji razgrađuje acetilholin (neurotransmiter) na holin i acetatni jon. Ako se u organizam unese organofosfatno jedinjenje ono se veže za enzim umesto acetilholina, i blokira njegovo aktivno mesto, tako da enzim nije u stanju da vrši razgradnju acetilholina i nastupa gušenje usled nagomilavanja neurotransmitera. Drugi oblik regulacije aktivnosti enzima je nekompetitivna inhibicija. Supstance koje nisu slične substratu mogu da imaju afinitet vezivanja za neko drugo mesto van aktivnog centra enzima. Dakle, vezujući se za udaljeni deo enzima ovi inhibitori mogu da izazovu promene na samom aktivnom mestu enzima tako da on više ne prepoznaje substrat, usled čega se enzim inaktivira. Na ovaj način deluju otrovi (arsen, živa i cijanidi) kada se unesu u organizam. Aktivatori su supstance koje povećavaju aktivnost enzima. Aktivacija enzima može da se ostvari kovalentnim i nekovalentnim modifikacijama proteinske strukture enzima. Kovalentne modifikacije podrazumevaju raskidanje ili stvaranje novih veza u enzimu. Ovaj vid aktivacije enzima može se ostvariti odvajanjem određenog dela enzima, ili nekom njihovom modifikacijom, najčešće fosforilacijom i defosforilacijom. Kao što je već istaknuto, pojedini enzimi se sintetiše u organizmu u neaktivnom obliku, u obliku proenzima. Tako se većina enzima koja služi u razlaganju hrane u digestivnom traktu, sintetišu u neaktivnom obliku: pepsinogen, tripsinogen ili himotripsinogen. Njihova aktivacija se sastoji u odvajanju manjeg ili većeg dela polipeptidnog lanca, pod dejstvom nekog drugog enzima. Da podsetimo, mnogi enzimi za svoje dejstvo zahtevaju prisustvo određenih metala, koji

ispoljavaju aktivirajući efekat na enzimsku aktivnost. Najčešći aktivatori enzima su joni metala K, Mg, Ca, Mn, Fe, Cu, a interesantno je da u aktivaciji

amilaze koja razlaže ugljene hidrate u ustima učestvuju joni hlora.

ekstraćelijskog prostora. Predstavlja selektivni omotač koji reguliše transport materija u ćeliju i iz nje. Plazmamembrana obezbeđuje oblik ćelije i njenu celovitost. Ovaj omotač štiti ćeliju od spoljašnjih fizičkih, hemijskih i bioloških agenasa, ali istovremeno predstavlja njenu vezu sa spoljašnjom sredinom, preko koje se obezbeđuje razmena materije i energije. Membrana predstavlja i mesto prijema draži i signala čime se obezbeđuje njena komunikacija sa spoljašnjom sredinom. Osnovnu strukturu svih membrana ćelije čini fosfolipidni dvosloj koji je relativno nepropustljiv za vodene rastvore, u koji su uronjeni proteini. Zahvaljujući svom sastavu, membrane su dinamične i fluidne strukture. Svi lipidi membrane su amfipatični, odnosno njihovi molekuli se sastoje iz polarnog i nepolarnog dela. tj. od hidrofilne polarizovane glavice i nepolarizovanog hidrofobnog repića kada grade masne kiseline. Zahvaljujući svom fizičkom svojstvu lipidi se spontano organizuju u dvosloje, tako što se hidrofobni repovi masnih kiselina orjentišu jedni naspram drugih i čine središnji deo ćelijskih membrana, dok su hidrofilne glavice orjentisane ka spoljašnjoj sredini.

Ćelijska membrana Ćelijska membrana ili plazma membrana je tanak, metabolički aktivan omotač koji odvaja citoplazmu ćelije od

Lipidni dvosloji su dinamičke strukture koje određuju osnovnu građu bioloških membrana i određuju njene fizičke osobine. Oni predstavljaju strukturnu

osnovu svih bioloških membrana. Dva lipidna sloja membrane, zbog hidrofobne unutrašnjosti, predstavljaju izrazito nepropustljivu barijeru, za većinu polarnih molekula, što onemogućava izlazak ćelijskog sadržaja iz ćelije, što je bitno pošto je vanćelijska tečnost i citosol bogat jonima. Kroz ovako formiran dvosloj lako difunduju manji molekuli koji su rastvorljiviji u ulju. Molekul vode lako difunduje kroz membranu, jer je mali i bez naboja, mada ima podataka da u membrani postoje i akvaporini, kanali kojima se olakšava ulazak vode. Proteini membrane ne predstavljaju samo njenu strukturnu komponentu, već je njihova uloga daleko kompleksnija. Rasuti su u lipidnom dvosloju membrane, dajući joj mozaičan izgled. Direktno učestvuju u transportu molekula kroz lipidni dvosloj, prenose signale u unutrašnjost ćelije i omogućuju interakciju između plazma membrane i citoskeleta. Proteini ćelijske membrane mogu biti integralni, u slučaju kada prolaze skroz kroz dvosloj lipida i periferni, ako su povezani sa jednom od površina membrane. Periferni proteini su pretežno globularni molekuli. Za transport hidrosolubilnih materija kroz membranu važne su dve vrste transmembranskih integralnih proteina, jonski kanali i nosači. Membrane su asimetrične. Njihov spoljašnji i unutrašnji sloj se razlikuje. Na spoljašnjoj strani ćelijske membrane nalazi se zaštitni površinski omotač glikokaliks, koji je sastavljen od glikolipida, glikoproteina i sijalinske kiseline. Dakle, osnovni sastojci membrane su lipidi i proteini, za koje su kovalentnim vezama vezani ugljeni hidrati, koji formiraju zaštitni omotač ćelije, glikokaliks. Pored zaštitne uloge, glikokaliks ima barijernu, receptorsku i enzimatsku ulogu. U sastav membrane ulaze i različiti receptori. Liposolubilne materije lako prolaze kroz membranu, rastvarajući se u njenim lipidima, a hidrosolubilne uz

pomoć membranskih proteina, jonskih kanala i nosača. Membrane predstavljaju spoljašnju granicu pojedinačne ćelije, ali istovremeno i razdvajaju određene delove unutar same ćelije eukariota. Dakle, eukariotske ćelije, pored spoljašnje membrane, imaju mrežu unutrašnjih membrana, koje formiraju ćelijske organele. U građi prosečne membrane, proteini i lipidi su podjednako zastupljeni i učestvuju u odnosu 1:1 u njenoj izgradnji. Međutim, sastav membrane može da odstupa od ovog pravila. Izuzetak je unutrašnja membrana mitohondrija, koja je čak 80% proteinske prirode. Razlog ovako povećane količine proteina leži u specifičnoj ulozi mitohondrijalne membrane, koja je bogata enzimima ATP sintetazama, koji su aktivni u sintezi ATPa. Drugi izuzetak je mijelinska membrana u nervnom tkivu, koja ima visok sadržaj lipida, čak 7080%. Lipidi membrane predstavljaju složenu smešu fosfolipida, sfingolipida i holesterola kod eukariota, pri čemu prokariotska membrana nikada ne sadrži holesterol.

Membrana je visokoselektivni filter koji održava različitu koncentraciju jona u samoj ćeliji i van nje.

Membranski proteini Postoje tri klase proteina membrane: integralni, periferni i proteini vezani za lipide. Integralni proteini prodiru potpuno kroz dvosloj lipida, pa se nazivaju transmembranski proteini. Transmembranski proteini često za sebe imaju vezane polisaharidne komponente, te pripadaju glikoproteinima. Interesantno je da različite jedinke iste vrste, pa čak i različiti tipovi ćelija, imaju različite oligosaharide na ćelijskim membranama. Tako krvne grupe ABO kod čoveka upravo postoji usled prisustva različitih oligosaharida na membrani

eritrocita. Periferni proteini su vezani slabim jonskim i vodoničnim vezama za glavice lipida, a prisutni su i na vanćelijskoj i na citosolnoj površini membrane. Dakle, proteini koji ulaze u sastav membrane imaju raznovrsnu ulogu: kao receptori koji prihvataju i emituju hemijske signale iz ćelijskog okruženja, služe kao transmiteri koji prenose specifične molekule u i iz ćelije i obavljaju strukturno povezivanje citoskeleta ćelije i ekstracelularnog matriksa. Proteini koji ulaze u sastav ćelijske membrane mogu biti enzimi, čije se aktivno mesto nalazi okrenuto ka unutrašnjoj ili spoljašnjoj strani membrane. Često nekoliko membranskih enzima čine niz koji sprovodi uzastopne faze nekog metaboličkog procesa. U membrani ćelije se nalaze specifični proteinireceptori za koje se vezuju hemijski glasnici(hormoni, neurotransmiteri). Vezivanjem hemijskog glasnika za receptor dolazi do promene oblika receptora i do prenošenja signala iz spoljašnje sredine u ćeliju. Receptori su proteini koji poseduju mesto za vezivanje signalnih molekula i omogućuju prenošenje signala u unutrašnjost ćelije. Membranski proteini susednih ćelija mogu se povezati preko međućelijskih veza i omogućiti da jedna ćelija utiče na aktivnost druge ćelije. Neki proteini sadrže kratke lance šećera, preko kojih ih prepoznaju druge ćelije. Svakako da posebno mesto zauzimaju proteini, koji omogućavaju da se obavi transport čestica koje ne mogu da prođu dvosloj lipida. Transportni proteini su integralni proteini uključeni u prenos supstanci kroz plazmamembranu. Dele se na jonske kanale, proteine nosače i jonske pumpe. Kanalni proteini su organizovani tako da kroz plazmalemu formiraju hidrofilne tunele. Ovi kanali služe za prolaz jona i hidrosolubilnih molekula odgovarajuće veličine, oblika

i naboja. Transport kroz jonske kanale ostvaruje se znatno brže u odnosu na transport koji se odvija preko proteina nosača. Proteini nosači su integralni proteini membrane koji poseduju vezujuća mesta za jone i odgovarajuće molekule (aminokiseline, oligosaharide).

Kada se molekuli koji treba da prođu kroz membranu vežu za protein nosač, on doživljava privremenu konformacionu promenu, koja mu omogućava da vezane molekule oslobodi na drugoj strani

plazmaleme. Proteini nosači uključeni u aktivni transport zovu se pumpe (Na+/K+ pumpa).

Transport kroz membranu Membrana ćelije je polupropustljiva i zbog svoje specifične građe onemogućava izlazak ćelijskog sadržaja iz ćelije bez kontrole. Transport molekula supstanci kroz plazma membranu zavisi od njihove veličine, naelektrisanja i rastvorljivosti u lipidima. Postoje četiri osnovna načina za razmenjivanje supstanci između ćelije i njene okoline: prosta difuzija, olakšana difuzija, aktivni transport i vezikularni transport.

Prosta difuzija Membrana je polupropustljiva, što znači da omogućuje kretanje malih i nenaelektrisanih čestica, koje su liposolubilne, kroz dvosloj lipida bez posrednika. Prenos ovih čestica se dešava kroz membranu bez utroška energije a pokretač je razlika koncentracije čestica sa različitih strana membrane. Prosta difuzija je posledica haotičnog kretanja molekula iz veće koncentracije substance ka manjoj, dok se ne postigne dinamička ravnoteža, posle čega će broj molekula koji prelazi membranu biti isti u oba smera. U odsustvu drugih sila substanca će difundovati iz odeljka veće koncentracije u odeljak manje koncentracije u smeru koncentracije gradijenta sve dok se koncentracije substance ne izjednače. Na ovaj način kroz membranu prolaze mali i nepolarni molekuli kiseonika, CO2 ili azota. Kroz membranu najlakše ulaze nepolarne čestice, kao i mnoge supstance rastvorene u uljima: masne kiseline, etil alkohol, derivati holesterola i glicerol, za koje lipidni dvosloj ne predstavlja neprobojnu

prepreku. Molekul koji slobodno difunduje kroz membranu je H2O i on prolazi specifičnim oblikom difuzije koji se naziva osmoza. Osmoza je proces difuzije vode iz hipotoničnog u hipertonični rastvor. To znači da je smer kretanja vode osmozom određen ukupnom koncentracijom svih rastvorenih vrsta molekula u rastvoru. Za rastvor veće koncentracije se kaže da je hipertoničan, a manje koncentracije hipotoničan, dok su rastvori istih koncentracija izotonični. Kretanje vode kroz membranu i održavanje ravnoteže u sadržaju vode između ćelija i spoljašnje sredine je od vitalnog značaja za organizam. Mehanizam održavanja ravnoteže vode nazivamo osmoregulacijom.

Transport posredovan proteinima Ćelijske membrane su nepropustljive za većinu jona i polarnih molekula, tako da ove čestice mogu proći kroz membranu samo uz pomoć specifičnih transportnih proteina. Ovi proteini su potrebni za transport kako jona (Na, K, Ca, Cl), tako i ćelijskih metabolita (aminokiselina, šećera, nukleotida). Postoje dva tipa transporta kroz membranu: transport bez posrednika i transport uz pomoć posrednika. Transport bez posrednika se obavlja prostom difuzijom. Transport preko posrednika se obavlja pomoću specifičnih proteina (permeaze, transportera, nosača). Transport može biti pasivan i aktivan. Međusobno se

razlikuju po tome da li je za njihovo obavljanje potrebna energija ili ne. Pasivni transport (olakšana difuzija), se dešava preko proteina nosače, kod koga se čestice iz oblasti visoke koncentracije upućuju u oblast niske koncentracije i za njegovo odvijanje nije potrebna energija. Aktivni transport se dešava protiv gradijenta koncentracije, pri čemu se molekuli prenose iz oblasti niže u oblast više koncentracije i uvek se odvija uz utrošak energije. Dakle, pasivan transport se obavlja bez učešća energije i može biti bez nosača (u obliku difuzije ili osmoze), ili preko nosača (olakšana difuzija). Veliki i naelektrisani molekuli neće moći da prođu kroz membranu, bez obzira na razliku u koncentraciji, i oni prolaze membranu vezikularnim transportom. Naelektrisane čestice (joni) ne mogu da prođu kroz lipidni dvosloj čak ni u slučaju kada im je molekularna masa mala (joni vodonika, natrijuma, kalijuma), pa se njihova difuzija odvija preko jonskih kanala. Na difuziju jona u organizmu utiče i Donanov efekat. Joni koji ne mogu da difunduju kroz membranu utiču na difuziju drugih jona koji mogu da difunduju (anjoni koji ne difunduju se nagomilavaju na membrani, sprečavajući difuziju katjona). U membrani ćelije postoje jonski kanali proteinske strukture, i omogućavaju prolazak jona kroz membranu. Posebni jonski kanali koji su stalno otvoreni se nazivaju membranske pore. Na otvorenost većine kanala utiču signali iz spoljašnje sredine, koji mogu biti električni i hemijski. Jonski kanali čija otvorenost zavisi od prisustva električnog signala se nazivaju voltažno zavisni kanali, a kanali koji su regulisani nekim hemijskim molekulom se nazivaju ligand zavisni kanali. Treba naglasiti da su voltažni kanali specifični: ako su pripremljeni za Na, kroz njih neće prolaziti drugi pozitivno naelektrisani joni (kalijuma i kalcijuma). Drugi vid posredovanog transporta se odvija pomoću proteina nosača. Protein

nosač poseduje specifična mesta za koje se vezuju specifični molekuli. Interesantno je da ovi proteini nosači takođe pokazuju izrazitu selektivnost, pa protein nosač glukoze neće transportovati fruktozu u ćeliju. Samo vezivanje molekula dovodi do konformacione promene nosača, što omogućava da željeni molekul bude ubačen u ćeliju, a da pri tome ne dođe u dodir sa lipidnim dvoslojem. Ovaj oblik transporta takođe ne zahteva energiju i karakterističan je za veće molekule koji ne mogu da prođu prostom difuzijom kroz sloj lipida (glukoza i neke aminokiseline). Najprostiji nosači prenose samo jednu vrstu rastvorene materije kroz membranu (uniport). Mnogi nosači vrše kotransport. tj, transportuju dve rastvorene materije, bilo u istom smeru, simport, bilo u suprotnom, antiport. Svi proteinski nosači funkcionišu kao vrata. Nosač može zauzeti konformaciju tako da je usmeren prema spolja ili prema unutra, zavisno da li se mesto vezivanja substrata nalazi na spoljnoj ili na citoplazmatskoj strani membrane. Dakle, kao što je već istaknuto, kada nosač u svojoj konformaciji usmerenoj prema spolja veže molekule ili jone, on podleže konformacionoj promeni, molekul se oslobađa na unutrašnjoj strani membrane, a nosač se vraća u stanje usmereno ka spoljašnjoj strani. Molekul glukoze kroz plazma membranu eritrocita prolazi mahanizmom olakšane difuzije. Za ovakvo prenošenje nije potrebna energija, ali je ono često hormonski regulisano. Tako, insulin reguliše prenos glukoze u mišićne ćelije.

Aktivnim transportom se naziva prenošenje molekula kroz membranu koje se obavlja suprotno gradijentu koncentracije. Supstance prelaze iz sredine u kojoj su zastupljene u nižoj koncentraciji u sredinu u kojoj su prisutne u višoj koncentraciji. Za njihovo prebacivanje je neophodan utrošak energije, najčešće ATPa. Velika grupa jonskih nosača koji koriste energiju ATPa su enzimi ATPaze koje transportuju jone. Oni su pronađeni u svim ćelijama. Ovi aktivni nosači (Na, K, Ca, ATPaze) igraju značajnu ulogu u stvaranju i održavanju jonskog gradijenta koncentracije.

U citosolu ćelije ima više jona K i H, dok u vanćelijskoj sredini ima nesrazmerno

više jona Na, Cl, Ca i Mg i takav odnos mora da se održava da bi ćelija mogla normalno da funkcioniše. Najbolje proučen primer aktivnog transporta je pumpa za Na-K koja omogućava da iz ćelije izađu tri jona Na, a da istovremeno u ćeliju uđu dva jona K. Funkcionisanje ove pumpe obezbeđuje održavanje niske koncentracije jona Na, a visoke koncentracije jona K u citosolu, dok je situacija u vanćelijskoj sredini suprotna održava se niska koncentracija jona K i visoka koncentracija jona Na. Membranski potencijal predstavlja razliku potencijala sa dve strane ćelijske membrane i posledica je nejednake koncentracije jona Na i K. Unutrašnja strana membrane je elektronegativna u odnosu na spoljašnju stranu i iznosi 60mV. Unutrašnjost ćelije je bogata negativno naelektrisanim česticama, sulfatima, fosfatima, aminokiselinama. Na spoljašnjoj površini membrane je veća koncentracija jona Cl nego u citosolu.

U membrani postoje kanali za jone K, Na i Cl, pri čemu postoji više kanala za jone K nego za jone Na. Pri prolazu kroz membranu joni K iz ćelije odnose i

pozitivno naelektrisanje, pa u ćeliji raste negativno naelektrisanje (usled prisustva PO4, SO4 i SO3 grupa koje su izrazito kisele) i to je električni gradijent koji se suprotstavlja koncentracionom gradijentu. Kada se izjednače električni i koncentracioni gradijent, razvija se potencijalna razlika koja iznosi -75mV i ta vrednost je označena kao ravnotežni potencijal za jone K. Postojanje membranskog potencijala omogućeno je prisustvom Na-K pumpe i ATP. Difuzija nekog jona kroz membranu odvija se niz elektrohemijski gradijent.

električni potencijal u ćeliji i visok koncentracioni gradijent za jone Na i K.

Kalijum natrijumova pumpa Koncentracija jona Na u krvi i hemolimfi je 10 do 15 puta veća od one u ćeliji. Da ne postoji pumpa, previše jona Na bi ušlo u ćeliju i tako bi se poremetilo naelektrisanje ćelijske membrane. Pumpa omogućava izbacivanje viška jona Na iz ćelije, koji je nastao zbog prevelikog upadanja ovih jona usled velike razlike u koncentraciji jona Na u ekstraćelijskom prostoru u odnosu na unutrašnjost ćelije. Ovo izbacivanje jona Na se vrši suprotno gradijentu koncentracije, iz niže u višu koncentraciju, pomoću energije koja se oslobađa hidrolizom ATPa. Proteini Na+/K+ pumpe na ekstracelularnom kraju poseduju dva vezujuća mesta za jone K, a na citosolnoj strani tri vezujuća mesta za jone Na i deo koji ispoljava ATPaznu aktivnost. Kada se joni Na vežu za pumpu, molekul ATPa se cepa na ADP i neorganski fosfat. Oslobođeni fosfatni jon vrši fosforilaciju ATPaze i dovodi do konformacione promene pumpe, pa dolazi do izbacivanja jona Na iz ćelije. Vezivanje jona K za spoljašnju stranu pumpe izaziva defosforilaciju ATPaze i vraćanje pumpe u početno stanje, praćeno transportom dva jona K u ćeliju. To znači da pumpa u jednom ciklusu ispumpava tri jona Na iz ćelije i upumpava dva jona K u ćeliju. Ovim mehanizmom uspostavlja se negativan

Endocitoza i egzocitoza Vezikularnim transportom prenose se makromolekuli i krupne čestice koje ne mogu da prođu kroz lipidni dvosloj plazmaleme, niti se mogu transportovati uz pomoć njenih proteina. Tokom ovog transporta formira se vezikula sa česticom koja je omotana membranom. Membrana odvaja transportovani materijal od citoplazme. Prema smeru kretanja transportovanih čestica, vezikularni transport se deli na endocitozu i egzocitozu. Endocitoza je proces pomoću koga se proteini i neki drugi veliki molekuli okružuju plazma membranom i unose u ćeliju unutar vezikule. Endocitoza počinje vezivanjem makromolekula za receptore na plazma membrani. Membrana se zatim uvrće, formirajući vezikulu u kojoj se nalazi molekul koji se ubacuje u ćeliju. Ovakva vezikula se može spajati sa primarnim

lizozomom, gde nastupa dalje razlaganje molekula. Endocitoza je način ulaska rastvornih ili nerastvornih velikih molekula u ćeliju. U zavisnosti od vrste čestica, endocitoza može da bude pinocitoza ili fagocitoza. Pinocitoza je proces u kome rastvorena tečna jedinjenja prolaze u ćeliju aktivnošću njene membrane. To je proces kojim ćelija, uzimajući rastvorene tečnosti uzima i sve substance u njoj rastvorene. Pinocitozu podstiču insulin, albumini i globulini. Fagocitoza je oblik endocitoze kojim se u ćeliju unose čvrste supstance. Suprotno pinocitozi, endocitoza posredovana receptorom je specifična. To je proces koji započinje prepoznavanjem nekog specifičnog molekula, čime se formira vezikula kojom se samo ti molekuli preuzimaju iz vanćelijske tečnosti. Ćelija preuzima holesterol koji koristi za izgradnju membrana i sintezu drugih steroidnih hormona. Neki tipovi ćelija, kao što su nervne i žlezdane ćelije, izlučuju makromolekule (najčešće proteine) koji svoju ulogu ostvaruju izvan ćelije u kojoj su nastali. Proteini obeleženi za sekreciju, van ćelije dobijaju u Goldžijevom aparatu konačan oblik i pakuju se u transportne vezikule. Transportne vezikule putuju do ćelijske membrane i, kada membrane transportnih vezikula i ćelijska membrana stupe u kontakt, njihovi fosfolipidni dvosloji se spajaju i sadržaj vezikule se izlučuje van ćelije procesom egzocitoze. Ovo je način na koji ćelije pankreasa izlučuju neaktivne digestivne enzime. Egzocitoza je obrnut proces u kome ćelija izlučuje velike nepotrebne molekule. Proces je sličan endocitozi, osim što je smer transporta obrnut.

Ćelijske organele Mnogi biohemijski procesi (oksidativna fosforilacija, fotosinteza) odvijaju se na membrani prokariota. Plazma membrana eukariotske ćelije suviše je mala da obezbedi dovoljno prostora da se u nju smeste enzimi neophodni za obavljanje vitalnih funkcija u ćeliji. Međutim,unutrašnjost ćelije sadrži veliki broj dodatnih funkcionalnih odeljaka označenih kao ćelijske organele. Da bi se to izbeglo, unutrašnjost ćelije sadrži veliku količinu dodatnih membrana koje dele ćeliju na funkcionalne odeljke, označene kao ćelijske organele. Organele se mogu podeliti u dve grupe: amembranske i membranske organele. Amembranske organele ne poseduju membranu, tako da nisu izolovane od citosola. U ovu kategoriju organela spadaju centrioli i ribozomi a po nekim istraživačima i citoskelet. Membranske organele su odeljci ćelija odvojeni od citosola sopstvenom membranom. Pored organela koje imaju jednu membranu pojavljuju se i organele sa dve membrane. U organele koje poseduju dve membrane spadaju: jedro, mitohondrije i hloroplasti kod biljaka.

Nukleus-jedro Jedro i citoplazma su osnovne strukture eukariotske ćelije koje obezbeđuju njeno normalno funkcionisanje. U jedru se nalazi genetički materijal. Kod eukariota to je uvek linearan DNK molekul, koji je vezan sa proteinima histonima i sa kojima gradi hromatin. Končasta nit DNK naziva se hromonema, a njeni kondenzovani regioni se nazivaju

hromomere. Jedro je kontrolni centar ćelije. Imaju ga sve eukariotske ćelije, sem eritrocita sisara. U većini ćelija postoji jedno jedro, mada postoje neke višejedarne ćelije i kod protozoa, a kod čoveka u višejedarne ćelije spadaju poprečno-prugaste mišićne ćelije i osteoklasti. U najvećem broju vrsta jedro zauzima od jedne petine do jedne četvrtine ukupne zapremine ćelije. Animalne jednojedarne ćelije najčešće u svom središtu imaju jedro ili nukleus, dok kod biljnih ćelija jedro može biti pomereno u stranu zbog prisustva vakuola, koje kod starih ćelija mogu da zauzmu gotovo čitavu zapreminu ćelije. Kod višejedarnih ćelija, jedro može biti u bilo kom delu citosola. Broj, oblik, veličina i položaj jedra zavise od vrste i stepena aktivnosti ćelije. Oblik jedra je najčešće loptast, ali može da bude potkovičast ili, kao u slučaju leukocita, režnjevit. Endotelne ćelije imaju diskoidalno jedro, a izduženo jedro se nalazi u glatkim mišićnim ćelijama.

Žlezdane ćelije najčešće imaju jedro smešteno u bazalnom delu ćelije. Kod pljosnatih, kockastih i vretenastih ćelija jedro je obično postavljeno u centru, dok kod okruglih ćelija može imati centralni, ali i ekscentrični položaj (jajna ćelija). Postoji mogućnost da krupne ćelije imaju sitno jedro, kao što je to slučaj kod hepatocita, ali i da sitne ćelije imaju relativno krupno jedro (mali limfociti). Dimenzije jedra se malo menjaju u toku rasta. Jedro je dinamična struktura, čiji izgled zavisi prvenstveno od faze ćelijskog ciklusa, mada se i u istoj fazi izgled jedra menja sa promenama aktivnosti ćelije. Interfazno jedro je izgrađeno od jedrovog omotača, nukleoplazme, jedrovog skeleta hromatina i jednog ili više jedaraca. U toku mitoze jedro se dezintegriše, pri čemu pojedine njegove komponente iščezavaju (jedarce, jedrov omotač), a druge se menjaju (hromatin se kondenzuje u hromozome). Unutrašnjost jedra ispunjava jedrov sok ili nukleoplazma. Nukleoplazma je slabo granulisana ili vlaknasta i u njoj se nalaze molekul DNK i razni enzimi neophodni za

transkripciju. Nukleus poseduje dve membrane, spoljašnju i unutrašnju a između njih je perinuklearni prostor. Unutrašnja membrana je kontinuirana, a spoljašnja je nastavak endoplazmatičnog retikuluma. Na spoljašnjoj membrani se uočavaju mnogobrojni ribozomi. Jedrova membrana sadrži mnogobrojne nuklearne pore. Nuklearne pore su kompleksno građene i služe za komunikaciju citoplazme i jedra. Kao što je istaknuto, spoljašnja i unutrašnja membrana se međusobno fiziološki razlikuju. Obe su građene od dva sloja lipida u koje su uronjeni proteini, ali na spoljašnjoj strani jedra se nalaze ribozomi, tako da je spoljašnja membrana povezana sa endoplazmatičnim retikulumom i na taj način uključena u proces sinteze proteina.

Zahvaljujući kontaktu sa endoplazmatičnim retikulumom membrana jedra može brzo da se širi i skuplja, što olakšava brze promene u membrani, koje prate iščezavanje i ponovno formiranje membrane tokom mitoze

Jedrove pore okružuju 8 velikih granula, koje grade kompleks jedrovih pora koje olakšavaju transport materija. Preko jedrovih pora se aktivnim transportom transportuju ribonukleoproteinske čestice iz jedra u citoplazmu, a unose se proteini i enzimi DNK i RNK polimeraze iz citoplazme. Za pore su vezani enzimi ATP aze koje aktiviraju joni Mg. Ovi enzimi su važni za transport molekula i jona kroz pore. Broj pora zavisi od aktivnosti ćelije. Površina jedrove membrane se menja u patološkim stanjima. Maligna ćelija ima veće uvrate u nukleoplazmi, koji dovode do amitotičke deobe. Za unutrašnju membranu su vezani proteini koji su važni za replikaciju. Kao što je već istaknuto, za jedro eukariota je karakteristično prisustvo jedarceta, nukleolusa, koji predstavlja akumulaciju rRNK i ribonukleoproteina koja ukazuje na metaboličku aktivnost ćelije. Nukleolus se uočava tokom interfaze, a u profazi mitoze iščezava, ali se ponovo pojavljuje u telofazi. Za formiranje jedarceta odgovorni su geni uključeni u sintezu rRNK koji se nalaze na sekundarnim suženjima akrocentričnih hromozoma (13, 14, 15, 21 i 22) čoveka. Veličina i oblik nukleolusa su različiti, a zavise od vrste ćelije, kao i njene aktivnosti. U ćelijama koje intenzivno

sintetišu proteine, kao i ćelijjama koje se ubrzano dele i rastu (embrionalne ćelije i ćelije tumora), jedarce zauzima skoro ¼ zapremine jedra. Uloga jedra je višestruka. Dakle, jedro učestvuje u metabolizmu ćelije, omogućava rast i deobu ćelije, ima ulogu u sintezi rRNKa i njihovom pakovanju sa ribozomalnim proteinima, pri čemu se formiraju mala i velika subjedinica ribozoma. U nukleoplazmu kroz jedrove pore ulaze enzimi neophodni za procese replikacije i transkripcije, pa jedro ima ulogu u transkripciji gena i transportnom sistemu, jer je spoljašnja membrana preko endoplazmatičnog retikuluma vezana sa ćelijskom membranom. Celokupan genetički materijal ćelije, sadržan u jedrovoj DNK, označen je kao genom. Hromatin se u eukariotskoj ćeliji javlja u dva oblika: može biti rastresit, slabije obojen, aktivan u transkripciji, a naziva se euhromatin; drugi oblik hromatina je kondenzovan, tamno obojen i neaktivan u ćeliji i naziva se heterohromatin. Heterohromatin može biti konstitutivni i fakultativni. Konstitutivni heterohromatin čine delovi hromatina koji su u svim ćelijama kondenzovani i neaktivni i obično se nalazi u oblasti centromera i telomera. Fakultativni heterohromatin predstavlja potencijalno aktivne regione hromozoma ili čitave hromozome koji su inaktivisani u nekoj fazi ćelijskog ciklusa ili u nekom životnom periodu ćelije. Tipičan primer fakultativnog heterohromatina je Barovo telo, odnosno inaktivni X hromozom kod ženki. U deobi dolazi do kondenzacije hromatina i nastajanja hromozoma, čiji je broj karakterističan za svaku vrstu. Bakterije imaju samo jedan hromozom. Broj hromozoma u svakoj somatskoj eukariotskoj ćeliji jednog organizma iste vrste je jednak. Kod čoveka, u somatskim ćelijama broj hromozoma je diploidan (2n=46), a u polnim ćelijama je haploidan (n=23). U somatskim ćelijama se nalaze homologi hromozomi, koji vode poreklo jedan od oca a drugi od majke.

Homologi hromozomi su isti po dužini i položaju centromera i imaju isti redosled genskih lokusa, a sparuju se međusobno tokom mejoze. U polnim ćelijama, koje nastaju u polnim žlezdama u procesu mejoze, nema homologih hromozoma, tako da se svaki hromozom nalazi pojedinačno, a ne u paru. Spajanjem haploidnih gameta nastaje ponovo diploidni zigot.

Mitohondrije su visoko specijalizovane organele, prisutne u citoplazmi skoro svih eukariotskih ćelija. Mogu biti različitog oblika i veličine, u zavisnosti od starosti i aktivnosti. Najčešće su štapolikog oblika. Brojnije su u metabolički aktivnim ćelijama. Kod čoveka, veći broj mitohondrija se nalazi pre svega u srčanim ćelijama, hepatocitima i ćelijama paratiroidne žlezde. Mitohondrije su prisutne skoro u svim ćelijama ljudskog tela, sa izuzetkom eritrocita i keratinocita; i neprestano se kreću po citoplazmi i grupišu se u delovima ćelije gde se troši najviše energije, pošto predstavljaju najveće centre za sintezu ATPa. S obzirom da se u njima odvija intezivna oksidativna fosforilacija i proizvodnja energije, ove organele se u literaturi označavaju kao osnovne energetske ”cisterne” u ćeliji. Poseduju dvostruku membranu, spoljašnju i unutrašnju, između kojih se nalazi prostor, a citoplazma se naziva matriks i u njoj se sreće mitohondrijalna DNK i ribozomi.

Mitohondrije

Membrane su lipoproteinske građe, kao i sve druge membrane u ćeliji. Spoljašnja je glatka i sadrži isti procenat

proteina i lipida. Među proteinima se nalaze i porini, koji čine membranu propustljivom za velike molekule. Unutrašnja membrana sadrži više proteina nego ostale ćelijske membrane (80% proteina i 20% lipida). Manje je propustljiva od spoljašnje membrane. Stvara veliki broj invaginacija ili kristi, koje ulaze u matriks. Kod biljaka se njeni nabori nazivaju tubuli. Na kristama se nalaze čvorići (FoF1 kompleks proteina) koji predstavljaju enzime ATP sintetaze, koji su odgovorni za sintezu ATP iz ADPa i pirofosfata. Dakle, pored transportnih proteina, unutrašnja mitohondrijalna membrana sadrži velike proteinske komplekse koji se nazivaju lanci za transport elektrona, kao i kompleks koji učestvuje u sintezi ATPa. Lanac za transport elektrona čini niz proteinskih kompleksa koji se naizmenično redukuju i oksiduju, primajući i otpuštajući elektrone. Pri prolasku elektrona stvara se energija koja se koristi za sintezu ATPa iz ADPa i fosfora.

U matriksu mitohondrija se uočvaju DNK i ribozomi koji su manji od prokariotskih, ali podsećaju na njih. Sama unutrašnjost mitohondrija (njen matriks) je ispunjena nizom enzima koji katalizuju brojne metaboličke reakcije: (između ostalog

učestvuju i u odvijanju Krebsovog ciklusa), kao i jonima, koji te reakcije potpomažu, ili koje su njihovi produkti (CO2, Ca++, HPO4). U matriksu se nalazi mitohondrijalna DNK, koja je cirkularna, razlikuje se od hromozomske DNK u ćeliji i nosi u sebi određene gene za sintezu isključivo mitohondrijalnih proteina. Molekul DNK je cirkularan, bez histona. Interesantno je da genetički kod molekula DNK mitohondrija, mitDNK, predstavlja jedino odsupanje od univerzalnosti genetičkog koda (ima šifru za određene aminokiseline koja odstupa od njihove univerzalne šeme).

Treba napomenuti da veličina mitohondrijalne DNK varira među vrstama, ali da se stepen njene složenosti ne poklapa sa stepenom složenosti ćelije u kojoj se nalazi. Tako mitDNK nižih eukariota ima dužu DNK od mitDNK viših eukariota. Mitohondrijalna DNK čoveka ima 37 gena i znatno je manja od mit DNK kvasca. Ona nosi gene za 13 iRNK koje se prepisuju u proteine, 22 za tRNK i 2 za rRNK. iRNK i proteini mitohondrija nikada ne napuštaju mitohondrije. Prisustvo DNK i ribozoma govori da su mitohondrije sposobne za samostalnu sintezu proteina i replikaciju. Mitohondrije su sposobne da se nezavisno dele, dajući premitohondrije,

iz kojih će nastati nove mitohondrije. Sve ove činjenice idu u prilog pretpostavci o endosimbiotskom poreklu mitohondrija od prokariota. Po ovoj teoriji, mitohondrije predstavljaju potomke aerobnih bakterija, koje su unete endocitozom u ćeliju primitivnih anaerobnih organizama sa kojima su uspostavile simbiotski odnos. Smatra se da su iz ovakvih organizama evoluirale eukariotske ćelije. Od ovih preeukariotskih ćelija su nastale biljne i životinjske ćelije. Najverovatnije je da su biljne ćelije takođe nastale simbiozom cianobakterija i preeukariotske ćelije, što im je omogućilo odvijanje fotosinteze. Postoji i uloga mitohondrija u završnim fazama katabolizma organskih jedinjenja kao i skladištenju dobijene energije u obliku ATPa. U zigotu se nalazi polovina hromozomske DNK od oca i polovina majke. Dakle, dete nasleđuje po polovinu genetičkog materijala od oba roditelja. Međutim, to nije slučaj sa mitohondrijalnom DNK. Nju dete nasleđuje potpuno od majke, pošto u toku oplođenja mitohondrije iz spermatozoida ne prodiru u jajnu ćeliju, pa plod dobija isključivo mitohondrije iz citoplazme oplođene jajne ćelije. Na ovaj način se mitohondrijalna DNK prenosi iz generacije u generaciju u neizmenjenom obliku. Ispitivanje mitohondrijalne DNK može da posluži za dokazivanje materinstva. Dakle, dete ima mitohondrijalnu DNK kao majka, baba ili prababa po majčinoj liniji.

Plastidi Plastidi su složene, visoko diferencirane membranozne organele, slične mitohondrijama, koje su specifične za biljke. U plastidima je nađena cirkularna, gola DNK prokariotskog tipa, kao i prisustvo ribozoma prokariotskog tipa. Plastidi imaju sposobnost reprodukcije, što zajedno sa činjenicom da imaju sopstvenu DNK, sva tri tipa RNK i

sopstvene ribozome, ukazuje na endosimbiotsko poreklo ovih organela.

Postoje tri tipa plastida: hloroplasti, hromoplasti i amiloplasti-leukoplasti, koji u isto vreme predstavljaju i tri različita stupnja u razvoju plastida. Hloroplasti su pored vakuola najveće i najkarakterističnije organele zelenih biljaka. Imaju različit oblik. U ćeliji, kao i mitohondrije, često menjaju položaj. Sastoje se od spoljašnje i unutrašnje lipoproteinske membrane, između kojih je prostor. Kod hloroplasta, slično mitohondrijama, unutrašnja membrana pravi evaginacije koje obrazuju lamele i granume. Citoplazma plastida se naziva stroma. U stromi se nalazi tilakoidni sistem, koga čine dve vrste tilakoida. Tilakoidi strome su pojedinačni i postavljeni paralelno sa dužom osom hloroplasta. Lamele su

međusobno paralelno postavljene i na njima su grane. Svaka grana se sastoji iz serije od 10-100 diskova ili tilakoida. Na granama i tilakoidima su smešteni fotosintetički pigmenti: hlorofil A i B, koji učestvuju u absorbovanju svetlosne energije i stvaranju ATPa u procesu fotofosforilacije. Spoljašnja membrana je visoko permeabilna, dok je unutrašnja manje propustljiva i u nju su uronjeni enzimi permeaze. Hloroplasti vode poreklo od cijanobakterija. Tilakoidna membrana sadrži fotosintetičke sisteme za absorpciju svetlosti, lanac za transport elektrona, kao i enzime ATP sintetaze. U hromoplastima, koji su slično građeni kao i hloroplasti, osim hlorofila koji je u tragovima, dominiraju drugi biljni pigmenti: karotin, ksantofil, antocijan. Hromoplasti se nalaze u laticama kruničnih listića cvetova, ili u ćelijama plodova. Leukoplasti su bez pigmenta, ali sa mogućnošću da se sintetišu, ako se izlože dejstvu svetlosti, a funkcija im je u akumulaciji rezervnih materija. Nalaze se u plodovima, rizomima i krtolama. U krtoli krompira se nalaze leukoplasti, ali sa funkcijom akumulacije skroba, pa se nazivaju amiloplasti. U ćelijama semena suncokreta nalaze se ejaloplasti, koji akumuliraju ulje. U tilakoidima se vrši svetla faza fotosinteze, a u stromi tamna. U hloroplastima se vrši fotosinteza i energija uhvaćena u fotosistemu I i II se akumilira u ATPu i redukovanom NAD, što omogućuje da se u Kelvinovom procesu sintetišu šećeri. Dakle, u tilakoidima se vrši svetla faza fotosinteze, koja omogućuje stvaranje energetski bogatih jedinjenja, a kao produkt svetle faze fotosinteze oslobađa se kiseonik, koji je neophodan za život na Zemlji. Pored ATPa, drugi važan produkt fotofosforilacije je redukovani nikotinamid adenin-dinukleotid (NADPH), koji zajedno sa ATPom učestvuje u konverziji CO2 u

međuprodukte u sintezi glukoze, što predstavlja tamnu fazu fotosinteze, Kelvinov proces, koji ne zavisi od svetlosti. Ovaj proces je označen kao fiksacija ugljendioksida i odvija se u stromi.

Grupu citoplazmatičnih organela sa jednostrukom membranom čine: endoplazmatični retikulum, Goldžijev aparat, lizozomi, periksozomi i vakuole.

Endoplazmatični retikulum Endoplazmatični retikulum (ER) predstavlja membranozni sistem paralelnih kanala koji povezuju jedrovu opnu sa ćelijskom membranom. Retikulum je kompleksna jednomembranozna organela eukariotskih ćelija, koja prožimajući citoplazmu deli unutrašnjost ćelije na više odeljaka, u kojima se odvijaju često biohemijski suprotni procesi. Membrana

ER je veoma izuvijana, tako da izgleda kao niz međusobno povezanih kesica i kanala, a koje se po sastavu ne razlikuje od ostalih ćelijskih membrana, što znači da je građena od lipida, proteina i ugljenih hidrata. U endoplazmatičnom retikulumu se sintetišu proteini, lipidi i šećeri, koji se dalje transportuju u Goldžijev aparat na doradu. Endoplazmatični retikulum se javlja u dva oblika, koji se međusobno razlikuju po strukturi i funkciji, a nazivaju se granularni i agranularni ER.

Granularni ER sastoji se od spljoštenih, paralelno poređanih cisterni koje su povezane sa spoljašnjim jedrovim omotačem, a šupljine ER komuniciraju sa perinukleusnim prostorom. Za membranu cisterni pričvršćeni su polizomi preko veće subjedinice, pa ova organela ima hrapav izgled, po čemu je i dobila naziv. Na ribozomima ER sintetisani proteini ulaze u lumen cisterne, gde se odvijaju neke postranslacione modifikacije polipeptida. U cisternama se vrši glikozilacija nekih proteina, sinteza fosfolipida i povezivanje višelančanih proteina. Na cisternama postoje i mesta za koja se ne vezuju ribozomi i gde se novosintetisani proteini pakuju u vezikule, koje pupljenjem napuštaju ER i usmeravaju se ka Goldžijevom kompleksu na doradu. U granularnom ER se sintetišu sve vrste proteina koje su potrebne za normalno funkcionisanje ćelije, proteini koji ulaze u sastav membrana (plazmamembrane i unutar ćelijskih membrana), kao i glikoproteini. Proteini sintetisani na ribozomima se sakupljaju u lumenu granuliranog ER gde se glikozilišu pre izlučivanja iz ćelije, ili transportovanja u druge organele (goldžijev kompleks, lizozome itd). Dakle, glikozilovanje polipeptida počinje u ER, uslovljavajući modifikaciju koja se nastavlja u Goldžijevom aparatu. Granularni ER je zastupljen u svim

ćelijama čoveka osim u eritrocitima i spermatozoidima. Naročito ga mnogo ima u ćelijama koje su specijalizovane za sintezu sekretornih proteina, kao što su acinozne ćelije pankreasa, koje luče digestivne enzime, ili u plazmaćelijama, koje sintetišu antitela u neuronima. Granularni ER neurona se naziva Nislova supstanca. Glatki ER je deo istog membranoznog sistema kao i granulirani ER, ali je bez ribozoma i predstavljen je u vidu mreže finih tubula. Zastupljenost ovog tipa ER varira u različitim tipovima ćelija Kod većine ćelija, naročito sekretornih, glatki ER predstavlja samo mali region granuliranog ER. Ove regione označavamo kao prelazni ER. Glatki ER je naročito zastupljen u ćelijama koje su specijalizovane za metabolizam lipida. Prisutan je u hepatocitama, ćelijama koje predstavljaju centre sinteze lipoproteina. Interesantno je da ER poseduje enzime koji modifikuju i neutrališu štetna jedinjenja koje organizam unosi hranom: pesticide, kancerogene materije. U glatkom endoplazmatičnom retikulumu sintetišu se holesterol, fosfolipidi, lipidne komponente membrane, steroidni hormoni i pojedini neurotransmiteri. Pored hepatocita, glatki ER je razvijen i u ćelijama testisa, jer se u njima sintetišu steroidni hormoni iz holesterola. Mišićne ćelije su takođe bogate glatkim ER, ali je on nešto drugačije strukture. Glatki ER mišićnih ćelija naziva se sarkoplazmatični retikulum i u njemu se nalazi velika koncentracija jona Ca, koji mogu da napuste retikulum i da se vrate nazad u njega pomoću specifičnih Ca++ zavisnih ATPaza, čime se obezbeđuje kontrahovanje i relaksacija mišića. Proteini i lipidi koji su sintetisani u ER: (enzimi, sekretorni proteini, steroidni hormon), upućuju se na doradu u Goldžijev aparat. Sintetisani molekuli se pakuju u male transportne vezikule, koje se odvajaju pupljenjem sa prelaznog dela ER i migriraju ka svom odredištu.

Može se reći da ER predstavlja unutar ćelijski transportni sistem, koji povezuje membrane nukleusa sa svim citoplazmatičnim organelama i plazmamembranom.

vezikule sa sekretornim produktom, tako da su uz ove membranske strukture prisutne vezikule. Zbog glatke membrane teško ga je razlikovati od glatkog endoplazmatičnog retikuluma. Veličina GA zavisi od vrste ćelija i stepena njenog angažovanja u biosintezi. U ovoj organeli se, pored modifikovanja proteina i glikozilacije lipida, dešavaju i procesi usmeravanja molekula u određene ćelijske odeljke ili vanćelijsku sredinu, tako da Goldžijev aparat predstavlja skretničara molekula u ćeliji.

Goldžijev aparat Goldžijev aparat je membranska organela ćelije uključena u sintezu ugljenih hidrata kao i modifikovanje, razvrstavanje, pakovanje i usmeravanje proteina i lipida koji su sintetisani u endoplazmatičnom retikulumu. Prisutan je u svim ćelijama čoveka, izuzev bezjedarnih eritrocita i orožalih ćelija epidermisa. Nalazi se u blizini jedra. Goldžijev aparat predstavlja membransku strukturu glatkih membranskih zidova, u obliku diska, koja se naziva sakula. Više sakula jedna uz drugu, grade diktiozom, oko koga su vezikule. Diktiozom varira u broju membranskih kesa, tako da jedan diktiozom može da ima samo jednu spljoštenu kesu (čija se šupljina naziva sakula) ili više njih. Ukoliko ćelija ima izraženiju sekretornu ulogu, utoliko je broj cisterni u diktiozomu veći, a veći je i broj diktiozoma u njoj. Cisterne se međusobno razlikuju po funkciji. U svakoj cisterni vrši se jedna od faza dorade proteina. Konačno, od ivica trans cisterne pupljenjem se odvajaju

Dok se u ćelijama kičmenjaka nalazi samo po jedna Goldži organela, odmah iznad jedra, u ćelijama biljaka i beskičmenjaka se nalazi veliki broj (u ćelijama pamuka više hiljada) posebnih Goldži struktura. Deo Goldžijevog kompleksa blizu granularnog endoplazmatičnog retikuluma se naziva cis, a deo diktiozoma koji je najudaljeniji od retikuluma je njegova trans strana. Oko celog Goldžijevog aparata (GA) se nalazi niz manjih i krupnijih vezikula. Manje transportne vezikule predstavljaju proizvode sintetisane u endoplazmatičnom retikulumu i one se usmeravaju ka cis strani GA na doradu. U cisternama GA proteini i lipidi se koncentrišu i podvrgavaju hemijskim modifikacijama: glikozilovanjem nastaju glikoproteini, proteoglikani i glikolipidi. Modifikovani ili novosintetisani molekuli se na trans strani GA razvrstavaju i pakuju u veće sekretne vezikule, vakuole ili primarne lizozome, a zatim se otpremaju ka konačnim odredištima. Sekretne granule mogu sadržati koncentrovan ili nekoncentrovan sadržaj i one se odmah izlučuju u spoljašnju sredinu. Nakon odvajanja od GA sekretne vezikule se deponuju u citosolu, pri čemu im se sadržaj koncentruje i do 100 puta. Sekretne granule omogućavaju čuvanje relativno velike količine sintetisanog materijala u maloj zapremini, a njihova membrana onemogućava, sa jedne strane njihovu degradaciju komponentama citosola, a sa druge sprečava potencijalno oštećenje same ćelije sintetisanim materijalom. Dakle, postoje dva tipa sekrecije. Konstitutivni tip sekrecije se vrši vezikulama ispunjenim nekoncentrovanim sadržajem, koji se odmah po sintezi oslobađa egzocitozom (npr. sinteza imunoglobulina u plazmocitu). Regulisani tip sekrecije se odvija putem sekretnih granula sa koncentrovanim sadržajem, koje se, do oslobađanja egzocitozom, privremeno deponuju u citoplazmi. Do oslobađanja

dolazi tek posle odgovarajućeg stimulusa (npr. ekscitacije neurona i oslobađanja neurotransmitera iz aksonskog završetka). Sekretne granule svoj sadržaj oslobađaju kada su adekvatno stimulisane. Tako, stimulus za egzocitozu u acinoznim ćelijama pankreasa, koji luči digestivne enzime, je ili specifični neurotransmiter, ili određeni hormon. Pri sekreciji, sadržaj vezikule se oslobađa egzocitozom, a membrane sekretnih vezikula i granula stapaju se sa plazmalemom i postaju deo nje. Na taj način GA učestvuje u obnavljanju plazmaleme. Goldžijev aparat upravlja kretanjem makromolekula u ćeliji. Druga, ne manje važna uloga je u sortiranju i modifikaciji proteina, lipida, glikoproteina i drugih molekula koji dolaze iz ER, čime se postiže njihovo sazrevanje i obeležavanje, što omogućava njihov transport prema odredištu u ćeliji. U Goldžijevom aparatu razvrstavaju lizozomski enzimi, kisele hidrolaze. Pošto se radi o enzimima koji su aktivni u razgradnji gotovo svih fragmenata prisutnih u citoplazmi, spoljašnja strana membrane trans Goldžijevog kompleksa obložena je klatrinom, što omogućuje dobru izolaciju ovih enzima u okviru vezikula. Osnovne funkcije Goldžijevog aparata ►završavanje posttranslacionih modifikacija proteina koje su započete u ER, ►sinteza polisaharida i glikoproteina (glikokaliks, mukus), ►pakovanje sekreta u granule i njihovo usmeravanje na određena mesta u ćeliji, ►stvaranje lizozoma, recirkulacija i obnavljanje membrana. ►Prolaskom i obradom kroz cisterne Golžijevog aparata i pakovanjem u vezikule, supstanca je membranom izolovana i izdvojena od ostalog dela citoplazme.

Nakon odvajanja od Goldžijevog kompleksa, primarni lizozomi gube klatrinski omotač, a nakon stapanja sa vezikulama čiji se sadržaj razgrađuje, delovi lizozomske membrane se vraćaju u trans Golldžijev kompleks. Goldžijev kompleks je dobro razvijen u ćelijama koje sekretuju veliku količinu proteina i glikoproteina, kao što su ćelije pljuvačnih žlezda, pankreasa, plazmociti, osteoblasti.

Lizozomi Lizozomi su membranozne organele kesastog izgleda u kojima su akumulirani hidrolitički enzimi. Osnovna uloga im je unutar ćelijsko varenje makromolekula, bilo da su uneti u ćeliju spolja (heterofagija), ili da se već nalaze u ćeliji, kao produkti oštećenja organela ili nepotrebnih molekula koji su nastali u metabolizmu ćelije (autofagija). Dakle, lizozomski enzimi razlažu čitave ćelije ili njihove delove, bakterije, viruse, sopstvene istrošene organele i njihove komponente. Membrana sprečava prelaz lizozomnih enzima u citosol, onemogućavajući autolizu ćelije. Nalaze se u svim ćelijama osim u eritrocitima, a najbrojniji su u ćelijama sa izraženom

sposobnošću fagocitoze (makrofagi, neutrofilni granulociti). Lizozomni enzimi nastaju u granulisanom endoplazmatskom retikulumu, a modifikuju se u Goldžijevom aparatu. Osim u fagocitozi, lizozomi pod određenim uslovima mogu da oslobode svoj sadržaj egzocitozom. Pokazuju veliku heterogenost u pogledu veličine i oblika, ali se mogu svrstati u dve opšte klase: primarne i sekundarne lizozome. Primarni lizozomi su vezikule ispunjene hidrolitičkim enzimima koje su sintetisane u granularnom ER i koje se nakon obrade u GA odvajaju pupljenjem sa njega. Sferičnog su ili ovalnog oblika. Služe za skladištenje i transportovanje hidrolitičkih enzima, ali nisu direktno uključeni u ćelijsko varenje. Sadrže preko 40 različitih tipova kiselih hidrolaza. Od hidrolitičkih enzima u lizozomima se između ostalih nalaze: proteinaze, nukleaze, glikozidaze, lipaze, fosfolipaze, fosfataze i sulfataze. Nukleaze su hidrolitički enzimi koji razlažu nukleinske kiseline, a kako u ćeliji postoje dve vrste nukleinskih kiselina, postoje i dve vrste enzima koji mogu da ih razgrade: DNK i RNK nukleaze. Druga grupa enzima po zastupljenosti u lizozomima su proteaze, enzimi koji razlažu proteine. U ovu veliku grupu enzima spadaju egzopeptidaze i endopeptidaze. Od egzopeptidaza najzastupljenije su tripsin i himotripsin. Glikozidaze razlažu polisaharide i mogu takođe biti i egzoglikozidaze i endoglikozidaze. Od enzima koji razlažu masti, najvažnije su kisele lipaze, koje razlažu trigliceride. Optimalna vrednost pH za aktivnost većine lizozimskih enzima je oko 5. Od njhovog hidrolitičkog dejstva citoplazma je zaštićena membranama lizozoma, koje su nepropustljive za ove enzime. U membrani se nalazi H+ pumpa, čijim delovanjem se unutar organele održava kisela sredina, koja je neophodna za održavanje hidrolaza.

Membrana sprečava enzime da iscure u citosol i svare sastojke sopstvene citoplazme. Sama lizozomska membrana otporna je na dejstvo proteolitičkih enzima, jer su njeni proteini visoko glikozilovani. Stapanjem primarnih lizozoma sa substratom koji treba da se razloži, aktiviraju se kisele hidrolaze, čime nastaje sekundarni lizozom. Sekundarni lizozom ima nepravilan oblik i znatno je većih dimenzija od primarnog lizozoma. U sekundarnim lizozomima vrši se razlaganje supstanci unetih u ćeliju spolja, ili razgradnja sopstvenih dotrajalih organela. Dakle, u lizozomima se autofagijom razgrađuju različite membrane, proteini i drugi sastavni

delovi ćelije koji su oštećeni i više joj ne koriste, ali nije jasno na koji način se obavlja njihovo obeležavanje i kako dospevaju u lizozome. Definitivni produkti digestije oslobađaju se u citosol, pa ih ćelija može koristiti za sopstvene potrebe, ili ih egzocitozom može izbaciti u ekstracelularni prostor. Dakle, membrana lizozoma sadrži i receptorne proteine pomoću kojih se prepoznaju specifične transportne vezikule pre fuzije. U životinjskom svetu i kod čoveka poznati su slučajevi naslednih poremećaja lizozomskog metabolizma. Tako se mukopolisaharidoza karakteriše ogromnom akumulacijom mukopolisaharida u ćeliji. Tipičan primer mukopolisaharidoze je Hurlerovo oboljenje, koje se manifestuje različitim deformacijama kostiju. Drugo nasledno oboljenje vezano za poremećaj u funkciji lizozoma je Taj-Saksova (Tay-Sachsov) bolest, koja predstavlja autozomalno recesivno oboljenje ljudi. Posledice ovog oboljenja su: mentalna retardacija, poremećaji centralnog nervnog sistema i smrt oko pete godine života. Kod osoba obolelih od Tej-Saksove bolesti, zbog nedostatka hidrolaza, dolazi do akumulacije gangliozida u membranama moždanih ćelija. U nekim patološkim stanjima dolazi do prskanja membrane lizozoma i oslobađanja kiselih hidrolaza u citosol, što dovodi do destrukcije ćelije. Takođe, propustljivost membrane lizozoma se menja pod delovanjem nekih lekova, što dovodi do povećanja količine enzima u citoplazmi. U patološkim stanjima lizozomi menjaju oblik i veličinu. Poznata je uloga lizozoma u nastajanju ateroskleroze, lepre i nefroze bubrega. Poslednjih godina se radi na tome da se lizozomi iskoriste u selektivnom ubijanju malignih ćelija. U terapiji citostaticima cilj je da lek dospe u citoplazmu obolele ćelije. Na taj način se izbegava delovanje citostatika na zdrave, brzo proliferišuće ćelije. Citostatik se veže za protein nosač i taj kompleks stiže do obolele

ćelije i vezuje se za njene lizozome. Enzimi lizozoma razlažu kompleks i samo se u oboleloj ćeliji oslobađa lek koji sprečava deobu ćelije.

Vakuole

Vakuole su krupne organele oivičene membranom koja se naziva tonoplast. Smatra se da nastaju proširenjem kanala ER-a. Uglavnom su zastupljene kod biljaka i zauzimaju centralni položaj u ćeliji. Unutrašnjost vakuole ispunjena je vakuolarnim sadržajem koji čini vodena sredina, sa jonima, malim molekulima i organskim kiselinama, proteinima, pigmentima, taninima i hidrolitičkim enzimima. Vakuolarni sok je hipertoničan rastvor, što obezbeđuje ćeliji laku razmenu materija, tj. olakšan ulazak vode sa rastvorenim hranljivim materijama u ćeliju. Vakuola svojim unutrašnjim naponom (turgorom) doprinosi održavanju stalnog oblika ćelije. Kod protozoa postoje kontraktilne vakuole, koje imaju ulogu u regulaciji osmotskog pritiska ćelije. Hranljive vakuole nisu stalne organele. One kod metazoa nastaju tokom ishrane, u procesima fagocitoze i pinocitoze. Vakuole biljaka se upoređuju sa lizozomima kod životinja. Vakuole sa starošću ćelije rastu, tako da je njihova veličina kod starih ćelija takva da gotovo potpuno dominiraju organizacijom ćelije, pomerajući sve ostale organele u stranu.

Peroksizomi

Peroksizomi su male, membranozne, okrugle organele, u kojima se nalaze enzimi za oksidaciju masnih i kiselina, pri čemu kao sporedan produkt nastaje vodonik-peroksid (H2O2). Imaju slične osobine kao primarni lizozomi, od kojih se ne mogu razlikovati na osnovu morfoloških osobina. Ove dve organele se razlikuju po tome što sadrže sasvim različite vrste enzima. Peroksizomi poseduju više od 40 različitih enzima, među kojima preovlađuju peroksidaze i katalaze. Ovi enzime učestvuju u uklanjanju slobodnih radikala koji nastaju u procesu beta oksidacije masnih kiselina. Svi ovi enzimi se sintetišu u citosolu na slobodnim ribozomima, a zatim se transportuju u peroksizome. Štetan efekat vodonikperoksida se otklanja dejstvom enzima katalaze (peroksidaza), koji ga razlaže na vodu i kiseonik. Pretpostavlja se da peroksizomi imaju ulogu u oslobađanju toplotne energije tokom katabolizma masnih kiselina. Prisutni su u većini ćelija čoveka. Najbrojniji su u hepatocitima, zbog njihove uloge u metabolizmu lipida, detoksikaciji i prometu raspadnutih produkata metabolizma. Interesantno je da su peroksizomi zastupljeni i u ćelijama koje vrše fagocitozu, makrofagama i neutrofilnim granulocitima.

citoskeleta eukariotske ćelije (tubulinska, aktinska, miozinska i druga kontraktilna i nekontraktilna vlakna).

Centrioli Ova organela je prisutna samo u životinjskim ćelijama. Centriol je cilindrična amembranozna organela koja je na krajevima otvorena i konstantnog je prečnika, ali varijabilne dužine. Zid cilindra gradi devet grupa od po tri cevčice-mikrotubule. Cevčice u okviru jedne grupe celom dužinom su priljubljene jedna uz drugu. Unutrašnjost tubula je ispunjena gustom granulisanom masom. Tokom ćelijskog ciklusa odigrava se samo jedna replikacija centriola, pa svaka ćerka ćelija dobija par centriola, od kojih jedan potiče od roditelja, a drugi je novonastali centriol. Mehanizam udvajanja centriola nije poznat. Tokom mitoze, dva para centriola se razdvajaju i migriraju na suprotne polove ćelije. Od njih polaze mikrotubuli, koji stvaraju deobno vreteno i astralni mikrotubuli, koji se na oba pola ćelije zvezdasto šire oko centriola. Centrozom je specijalizovani region ćelije u kome se nalazi par centriola. Obično se nalazi u blizini nukleusa. Kod većine ćelija koje se ne dele, kao i onih koje se nalaze u G2 fazi interfaze ćelijskog ciklusa, centrozom se sastoji iz dva centriola koji su postavljeni pod uglom od 90 stepeni jedan u odnosu na drugi, pa se zato nazivaju i diplozomi. Aksonemu treplji formira specijalizovani centriol koji se naziva bazalno telo.

Amembranozne organele U citoplazmatične nemembranozne organele spadaju: ribozomi, centrioli, derivati centrozoma (bazalna tela flageluma i cilija, asteri deobnih vretena) i fibrozne komponente

Citoskelet Citoskelet čini trodimenzionalna mreža proteinskih filamenata i cevčica, koje pružaju potporu ćeliji, određuju njen oblik i položaj organela u citoplazmi. Komponente citoskeleta su: aktinski filamenti (mikrofilamenti), intermedijarni filamenti i mikrotubule. Elementi citoskeleta učestvuju u transportu organela i makromolekula kroz citosol, u kretanju ćelije i u pokretima njenih delova (pseudopodija, cilija, flagela), kao i u ćelijskoj deobi, a citoskelet i održava stalni oblik ćelije. Citoskeletna mreža je dinamična struktura. Osnovu ćelijskog skeleta čine aktinski filamenti (mikrofilamenti) i mikrotubule. Mikrofilamenti i mikrotubule su u stalnim pokretima koji se ostvaruju naizmeničnom polimerizacijom i depolimerizacijom proteinskih subjedinica, što dovodi do promene njihove dužine i rasporeda. Aktinski

filamenti su izgrađeni od proteina aktina koji je globularan, molekuli su povezani u perast niz, a filament ima dva lanca koji su uvijeni jedan oko drugog. Posredstvom mikrofilamenata ćelija ostvaruje brojne aktivnosti, koje se zasnivaju na interakciji aktinskih filamenata sa aktin vezujućim proteinima (miozinom, tropomiozinom). Intermedijarni filamenti pripadaju grupi proteina koji su deblji od mikrofilamenata, a tanji od mikrotubula. Obično prožimaju citosol u vidu snopova ili mreže. Predstavljaju najstabilniju komponentu citoskeleta pošto ne podležu stalnoj polimerizaciji i depolimereizaciji. Mikrotubuli su prave cevčice, prisutne u svim ćelijama čoveka, sem u eritrocitima. Građeni su od tubulina. Mikrotubuli imaju brojne uloge, koje su u vezi sa njihovim rasporedom u ćeliji: održavaju oblik ćelije, obezbeđuju transport organela i sinaptičkih vezikula, omogućuju pokretanje cilija (treplji) trepljastih ćelija i obrazovanje niti deobnog vretena u toku ćelijske deobe životinja. Cilije i flagele (bičevi) su lokomotorne organele koje predstavljaju specijalizovane prstenaste evaginacije površine protoplazme. U svojoj osnovi poseduju organelu koja se zove bazalno telo. Bazalno telo je slične građe kao centriol i sastoji se od devet grupa od po tri cevčice. U centru se nalaze još dve centralne cevčice, a između njih i perifernih javljaju se još i devet sekundarnih fibrila. Cilije se u velikom broju javljaju kod Ciliophora, nekih larvi metazoa, kao i na nekim trepljastim epitelijalnim ćelijama respiratornog sistema i reproduktivnog trakta životinja. Flagele su 50 puta duži od cilija i nalaze se u manjem broju kako kod Flagellata, tako i kod hoanocita sunđera, metanefridija životinja i na spermatozoidima.

uloga citoskeleta

određuje oblik životinjske ćelije omogućava kretanje: čitave ćelije (bičevi, treplje, pseudopodij) organela (u ćeliji) reguliše organizaciju unutarćelijskih struktura pruža mehaničku potporu ćelije

element citoskeleta

uloga održavanje oblika ćelije

mikrotubule

pokretanje hromozoma tokom deobe (centrioli, deobno vreteno) kretanje vezikula i organela u ćeliji (pokretanje ćelije, izgradnja bičeva i treplji) mišićna kontrakcija ameboidno kretanje ćelija

mikro filamenati

u citokinezi animalne ćelije povezivanje ćelija (preko proteina membrane) održavanje oblika ćelije

intermedijerni

filamenti

učvršćivanje jedra i organela formiranje jedrove lamine povezivanje ćelija između sebe

Promet materije i transformacija energije Metabolizam podrazumeva sve biohemijske reakcije pomoću kojih se energija hrane, ili energija sunčane svetlosti, koristi u organizmu za njegove životne potrebe. Dakle, metabolizam podrazumeva sve biohemijske procese koji se dešavaju od momenta uzimanja hrane, do njene razgradnje na polazne supstance koje služe kao supstrata za sintezu materija potrebnih za normalno funkcionisanje ćelija i organizma. Složene substance ugljeni hidrati, masti i proteini se prvo razgrađuju na monomere, glukozu, aminokiseline, masti i glicerol, a zatim do acetil CoA koji ulazi u Krebsov ciklus trikarbonskih kiselina, u kome se razgrađuju do ugljendioksida i vode. Metabolizam obuhvata dva suprotna procesa koji su međusobno povezani: katabolizam i anabolizam. Osnovne etape metabolizma su iste kod različitih organizama. U katabolizmu se složene materije razlažu na jednostavnije, koje postaju sirovina za sintezu složenijih jedinjenja, u anabolizmu. Katabolizam je praćen oslobađanjem energije. Kao krajnji produkti katabolizma nastaju voda i ugljen dioksid, a energija koja se tom prilikom oslobađa deponuje se u

obliku ATPa. U anabolizmu polazne materije su produkti katabolizma, koji predstavljaju sirovinu za sintezu složenih materija neophodnih ćeliji. Dakle, u procesima anabolizma se koristi energija dobijena u procesima katabolizma. Brzina metabolizma nije kontrolisana koncentracijom hranjljivih materija koje stoje na raspolaganju, već ćelijskim potrebama za ATPom. Procesi metabolizma eukariota se dešavaju u različitim delovima ćelije. Prva faza katabolizma se dešava u citoplazmi ćelije, a konačno razlaganje se dešava u mitohondrijama. U citoplazmi se vrši razlaganje do pirogrožđane kiseline (piruvata), odnosno do acetil CoA, koja ulazi u mitohondrije. U mitohondrijama se vrše dva paralelna procesa skladištenja energije Krebsov ciklus i oksidativna fosforilacija, koji se odvijaju u dva odvojena dela mitohondrija. U matriksu mitohondrija se vrši Krebsov ciklus, tokom koga se pirogroždjana kiselina razlaže do ugljen dioksida i vode. Poslednja etapa skladištenja energije se vrši u kristama mitohondrije i naziva se oksidativna fosforilacija.

ćelijsko disanje proces suprotan fotosintezi proces oksidacije organskih jedinjenja, pri čemu nastaje CO2 i energija, a kiseonik se vezuje u vodu organske materije se postepeno razgrađuju i koriste se za sintezu ATPa

Katabolizam Gradivne materije koje organizam uzima u obliku hrane mogu biti ugljeni hidrati, masti i belančevine. Hrana se u organizmu, bez obzira na poreklo, razlaže do CO2 i vode, uz oslobađanje energije. Ovako dobijena energija je neophodna za normalno funkcionisanje ćelije, a višak energije koji se ne iskoristi trenutno, deponuje se u jedinjenjima koja su bogata energijom i to na dva načina. Prvi oblik energije u ćeliji se deponuje kao hemijska energija kovalentne veze ATPa. ATP se sastoji od adenina, riboze i tri fosfatne grupe. Ovako nastao molekul ATPa može lako da difunduje do onih mesta u ćeliji gde je potrebna energija, pa se ATP može smatrati kao transportni oblik slobodne energije. Drugi način skladištenja energije se dešava u procesu oksidativne fosforilacije, u kojoj učestvuju pre svega redukovani NADH (nikotinamid adenin dinukleotida) i FADH (flavin adenin dinukleotid). Prve etape razlaganja ugljenih hidrata, masti i belančevina se međusobno razlikuju, ali im je zajednički korak nastajanje pirogrožđane kiseline (piruvata), koja se uključuje u Krebsov ciklus, tokom koga se vrši razlaganje

unetih materija do ugljen dioksida i vode. Svi procesi se dešavaju uz delovanje određenih enzima, koji su specifični za svaki od procesa razgradnje. Osnovni mehanizmi koji obezbuđuju sinteze ATPa u ćeliji su oksidativna fosforilacija u procesu ćelijskog disanja i fotofosforilacija u procesu fotosinteze. Kod organizama kod kojih se ne vrši fotosinteza, osnovni izvor energije je glukoza. Određena tkiva sisara se moraju neprekidno snabdevati glukozom (mozak, nervno tkivo, eritrociti). Prekid u snabdevanju mozga glukozom u periodu od samo nekoliko minuta dovodi do ireverzibilnog oštećenja mozga. Mozak troši dnevno oko 120g glukoze. U toku varenja u digestivnom traktu, polisaharidi se razlažu pomoću glikozidaza digestivnog soka. Varenje polisaharida započinje u usnoj duplji pod delovanjem amilaze pljuvačke, ali se njihovo glavno razlaganje vrši u tankom crevu. Glukoza i galaktoza iz tankog creva se resorbuju u epitelne ćelije tankog creva aktivnim transportom. Fruktoza se resorbuje olakšanom difuzijom. Monosaharidi se zatim resorbuju u krvne kapilare portalnog krvotoka, kojim dospevaju u jetru. Jetra je glavni organ koji održava stalnu koncentraciju glukoze u krvi. Koncentracija glukoze u krvi se mora održavati na približno istom nivou, pre svega da bi se postiglo kontinuirano snabdevanje tkiva kojima je glukoza glavni izvor energije. Kada je koncentracija glukoze u krvi visoka, jetra povlači glukozu iz krvi i sintetiše glikogen (pod delovanjem insulina). Kada je koncentracija glukoze u krvi niska, u jetri se razgrađuje glikogen pod delovanjem hormona glukagona, koga luče Langerhansova ostrvca pankreasa i u krv se ubacuje glukoza. Katabolizam glukoze obuhvata dva procesa koji se odvijaju u odvojenim delovima ćelije: glikolizu i Krebsov ciklus. Glikoliza se odvija u citoplazmi ćelije, a Krebsov ciklus u mitohondrijama. Prva faza razlaganja ugljenih hidrata vrši se

najviše u poprečnoprugastim mišićima i jetri.

Glikoliza Mlečno kiselinsko vrenje ili glikoliza je jedan od najstarijih bioloških mehanizama za dobijanje energije iz hranjljivih materija. Zastupljena je kod svih celularnih organizama. Razlaganje glukoze zavisi od toga da li se dešava u prisustvu kiseonika ili u njegovom odsustvu, a od toga zavisi i količina energije koja se deponuje u ćeliji. Krajnji produkt glikolize, dakle, može da bude pirogroždjana kiselina ili mlečna kiselina, zavisno od toga da li se razlaganje vrši u aerobnim ili anaerobnim uslovima u eukariotskim ćelijama. U slučaju nekih kvasaca, pirogrožđana kiselina se u anaerobnim uslovima može razložiti u alkoholnom vrenju do etilalkohola. Dakle, glikoliza, kao univerzalni proces, može da se odvija pod aerobnim uslovima ako je snabdevanje kiseonikom adekvatno, ili

pod anaerobnim uslovima kada je snabdevanje kiseonikom nedovoljno (dugotrajna mišićna aktivnost). Anaerobna glikoliza je način na koji eukariotski organizmi mogu da prevaziđu trenutni nedostatak kiseonika i da sačekaju povratak normalnog snabdevanja kiseonikom. U glikolizi, molekul glukoze sa 6C atoma se razlaže do dva molekula piruvatapirogrožđane kiseline sa 3C atoma. Pod aerobnim uslovima, ovako nastao piruvat dalje se oksidiše u Krebsovom ciklusu i oksidativnoj fosforilaciji do ugljen dioksida i vode. Ovo je istovremeno i put kojim se dobija najviše energije skladištene u ATPu. Razlaganjem jednog molekula glukoze tokom glikolize i ćelijskog disanja nastaje 36 molekula ATPa. Pod anaerobnim uslovima, piruvat u mišićima (pri napornom radu) se redukuje u mlečnu kiselinu (laktat), ali se tom prilikom dobija daleko manje energije. Mozak dobija potrebnu energiju isključivo razlaganjem glukoze do piruvata, koji se u mitohondrijama moždanih ćelija potpuno oksidiše do ugljen dioksida i vode. Nasuprot mozgu, mnoga tkiva u kojima nema mitohondrija, ili ih ima u manjim količinama, za dobijanje energije koriste anaerobno razlaganje glukoze do laktata. Tako, eritrociti, pošto nemaju mitohondrije, razlažu glukozu samo do laktata.

glikoliza-prva etapa razgradnje šećera kod aerobnih produkt glikolize ulazi u Krebsov ciklus organizama ulazi

kod anaerobnih organizama

u

mlečnokiselinsko vrenje ulazi u alkoholno vrenje

U organizmu eukariota postoje i tkiva koja mogu da razlažu glukozu i u prisustvu kiseonika i bez njega: u skeletnim mišićima i srcu glukoza se razlaže do piruvata ili do laktata. Proces glikolize se odvija u 9 etapa u citoplazmi i za njegovo odvijanje nije neophodno prisustvo kiseonika, a dešava se u svim ćelijama, od prokariota do eukariota. Na početku glikolize ulože se energija u obliku dva molekula ATPa. U prisustvu ATPa glukoza prelazi u fruktozu, koja se u procesu glikolize razlaže. Ovo

ulaganje energije dovodi do razgradnje glukoze na dve trioze (fosfo-glicerin aldehid). Obe ove trioze se oksidišu (uklanjaju im se vodonikovi atomi sa svojim elektronima) do pirogrožđane kiseline, a tom prilikom oslobođena energija se deponuje u redukovanom NADH i ATPu. U ovom procesu se stvaraju 2 NADH i 4 ATP, ali je bilans reakcije 2 ATPa, jer se na početku troše 2ATP za fosforilaciju glukoze. Dakle, ukupni bilans glikolize je 8 molekula ATPa. Tokom glikolize nastaju 2 ATPa direktno i 6 ATPa preko 2NADH, mada je ukupni dobitak samo 6 ATP, jer se 2 molekula troše za transport 2 NADH kroz membranu mitihondrija. Pri anaerobnoj glikolizi, zbog nedostatka respiratornog lanca, ne sintetiše se ovih 6 ATP tako da je prinos energije nizak u odnosu na glikolizu u prisustvu kiseonika, ali za vreme stresa i to je bolje nego ništa. Ako stres ne traje dugo, ukupni gubitak energije nije veliki, ali ako se anaerobna glikoliza produži, laktat se izlučuje mokraćom, što već predstavlja veći gubitak energije.

Dva molekula pirogrožđane kiseline sadrže još veliku količinu potencijalne

energije. U nedostatku dovoljne količine kiseonika, kada se mnogo troši u mišićima usled napornog rada, pirogrožđana kiselina se redukuje u mlečnu kiselinu (uzrok nastupanja zamora). Dovodom kiseonika u ćeliju mlečna kiselina prelazi ponovo u pirogrožđanu i uključuju se ostale etape razlaganja. U biljnim anaerobnim ćelijama vrši se dekarboksilacija i redukcija pirogrožđane kiseline u etil alkohol (fermentacija). U alkoholnom vrenju, pirogrožđana kiselina se dekarboksiluje i nastaje acet aldehid, koji se redukuje u etilalkohol. Proces se odvija uz alkoholne dehidrogenaze i NADH. U mlečnokiselinskom vrenju, pirogrožđana kiselina se redukuje u mlečnu kiselinu bez dekarboksilacije. U procesu vrenja nastaje manje energije, jer se jedan NAD troši za redukciju u etil alkohol.

ciklus, a u kristama mitohondrija su smešteni proteini (citohromi), koji predstavljaju transportni lanac kojim se prenose elektroni i oslobođena energija skladišti u ATPu. Spoljašnja membrana je propustljiva za većinu malih molekula, dok je unutrašnja propustljiva samo za određene molekule (pirogrožđanu kiselinu i ATP).

Krebsov ciklus trikarbonskih kiselina

Ćelijsko disanje Pirogrožđana kiselina, koja je glavni međuproizvod u razlaganju hrane nakon dekarboksilacije se prenosi u mitohondrije, u kojima se nastavlja njena dalja razgradnja. Ćelijsko disanje sadrži dva procesa: Krebsov ciklus i transport elektrona kroz unutrašnju membranu mitohondrija. Oba procesa se odvijaju u mitohondrijama, ali u njenim različitim delovima, pri čemu na ovaj način nastaje oko 95% ukupne količine ATPa prisutnog u ćeliji. U matriksu mitohondrija odvija se Krebsov

Ciklus trikarbonskih kiselina je zajednički centralni put za razlaganje pirogrožđane kiseline koja nastaje razlaganjem ugljenih hidrata, masnih kiselina i aminokiselina. Pirogrožđana kiselina, nastala procesom glikolize, se dekarboksiluje i vezuje za prenosnik, koji joj omogućuje prolaz kroz obe membrane mitohondrija i ulazi u Krebsov ciklus trikarbonskih kiselina. Ugljenik iz karboksilne grupe se otklanja u procesu dekarboksilacije, a tom prilikom nastali vodonik prihvata NAD koji se redukuje i nastaje NADH+H. Početni molekul glukoze je tako oksidovan u dva molekula CO2 i dve acetil grupe CH3CO, a pri tome su do sada ukupno nastala četiri molekula NADH. Svaku acetilnu grupu vezuje za sebe koenzim A (CoA), pri čemu nastaje acetil koenzim A. Prvi molekuli acetil CoA uključuju se u Krebsov ciklus i vezuje se za oksalsirćetnu kiselinu (koja sadrži 4C atoma) pri čemu nastaje limunska kiselina. Nastala kiselina izomerizuje u izolimunsku kiselinu, čijom dekarboksilacijom nastaje alfa ketoglutarna kiselina i redukuje se NAD, koji se uključuje u respiratorni niz. Tokom ciklusa, dva od 6 C atoma se oksidišu u CO2, a oksal sirćetna kiselina se regeneriše, što čini ovu seriju reakcija ciklusom. Energija oslobođena u ovom procesu se skladišti u redukovanom NADH, ATP i FADH. Tokom Krebsovog ciklusa, sve elektrone

i protone, dobijene oksidacijom ugljenika, prihvataju NAD i FAD.

Redukovani koenzimi, koji su nastali u ciklusu limunske kiseline, reoksidišu se u jednom složenom procesu, u toku koga se proizvode molekuli ATP, u kristama mitohondrija. Ceo ovaj složen proces se naziva oksidativna fosforilacija i analogan je procesima u hloroplastima biljaka. U procesima

oksidativne fosforilacije učestvuju enzimski kompleksi koji su smešteni u unutrašnjoj membrani mitohondrija. Elektroni se prenose od redukovanih koenzima NADH preko serije prenosilaca, među kojima su i citohromi, do krajnjeg primaoca elektrona, kiseonika. Energija oslobođena reoksidacijom NADH koristi se za transport protona kroz unutrašnju membranu mitohondrija iz matriksa u među membranski prostor, pri čemu se stvara gradijent koncentracije protona (matriks mitohondrija je sa negativnim nabojem u odnosu na među membranski prostor). Ovaj gradijent koncentracije protona služi kao rezervoar slobodne energije, koja se koristi kada se protoni vraćaju u matriks mitohondrije, delujući na enzim ATP sintetazu. U toku ovog procesa vrši se fosforilacija ADPa i nastaju ATP i voda.

Prvi prenosilac tog lanca prima elektrone od redukovanog koenzima, pri čemu se prenoilac redukuje, a koenzim oksiduje. Svaki citohrom u svom aktivnom mestu sadrži atome gvožđa. Svaki atom gvožđa prihvata i otpušta elektrone, predajući ga sledećem citohromu na nešto nižem energetskom nivou, sve dok elektroni ne dođu do zadnjeg akceptora, kiseonika, oslobodivši svu energiju i formirajući ATP. Na kraju lanca, elektrone prihvata kiseonik, koji se zatim kombinuje sa protonima iz rastvora i stvara se molekul vode. Svaki put kada dva elektrona pređu sa NADH na kiseonik, formiraju se tri ATPa. Kada se par elektrona prenosi sa FADH, formiraju se dva molekula ATPa. Po najnovijim podacima, dobijena energija je nešto niža nego što je zabeleženo u ovom klasičnom pristupu.

U Krebsovom ciklusu i u toku transporta elektrona, po molekulu glukoze nastaju 2 ATP, 8 NADH, 2 FADH2, odnosno 30 molekula ATP. Dakle, zbirno sa glikolizom čiji je bilans 6 ATPa, ukupni nastaje 36 ATPa, ili 686Kcal.

Postupno oslobađanje energije u respiratornom nizu je veoma značajno, jer se oslobođena energija ovako

skladišti a ne dolazi do oštećenja ćelije, što bi moglo da se dogodi pri momentalnom oslobađanju energije.

U Krebsovom ciklusu i u toku transporta elektrona, po molekulu glukoze nastaju 2 ATP, 8 NADH, 2 FADH2, odnosno 30 molekula ATP. zbirno sa glikolizom čiji je bilans 6 ATPa, ukupni nastaje 36 ATPa

zbog razgradnje enzima. Disanje je intenzivnije u mladim biljkama i njenim organima, jer sadrže veću količinu vode. Ako zemljište nema dovoljno kiseonika, biljka ulazi u anaerobne uslove i otežano diše. Povećana koncentracija ugljendioksida inhibira disanje. Svetlost utiče posredno, jer tada biljka vrši fotosintezu i oslobađa kiseonik, ali i povećava temperaturu od koje zavisi disanje.

Razlaganje masti

Disanje koje je rezistentno na cijanid svojstveno je za biljke. Kod životinja u prisustvu cijanida disanje se obustavlja. U elektron transportom lancu mitohondrija kod biljaka se nalaze specifični enzimi alternativne oksidaze koje primaju elektrone od prenosilaca zaobilazeći deo transportog lanca koji može da bude inhibiran cijanidom.

Kod biljaka na disanje (koje je enzimska reakcija) utiču temperatura, voda, kiseonik, ugljendioksid i svetlost. Disanje ubrzava porast temperature do 40 stepeni, a iznad 45 prestaje disanje

Lipidi se unose u organizam hranom, ili se sintetišu u organizmu u agranularnom endoplazmatičnom retikulumu, a višak lipida i ugljenih hidrata u obroku se lako pretvara u masne kiseline i deponuje u obliku triglicerida. Masti su najkoncentrovaniji izvor energije u organizmu, jer daju dva puta više energije nego ugljeni hidrati i proteini. Oni predstavljaju rezervoar potencijalne hemijske energije. Rezerve lipida u telu sisara su znatno veće od rezervi ugljenih hidrata. Velike rezerve masti kod sisara smeštene su subkutano, gde služe kao izolator od suvišnog gubljenja toplote (naročito izraženo kod morskih sisara). Od tri glavne vrste hranjljivih materija, samo masti se mogu deponovati u velikim količinama. U toku gladovanja, pošto ne postoji depo proteina, razgrađuju se tkivni i plazmini proteini da bi se dobile aminokiseline. Ugljeni hidrati se mogu deponovati u obliku glikogena u jetri i mišićima, ali je njihova rezerva dovoljna za samo jedan dan gladovanja. Višak ugljenih hidrata iz hrane se privremeno skladišti u obliku glikogena, a trajno u obliku triglicerida, pre svega u adipocitima. Adipocite su masne ćelije koje se pune masnim granulama i pri gladovanju se ne smanjuje broj ćelija, već samo količina granula u njima. Lipidi se prvo razgrade na glicerol i masne kiseline pod delovanjem enzima lipaza. U želucu, hidroliza triglicerida ide sporo,

i tek u duodenumu, uz pomoć žučnih kiselina, se nastavlja njihovo razlaganje. Iz creva se masne kiseline i glicerol prenose difuzijom preko limfotoka do jetre. U procesu katabolizma masne kiseline se dalje razlažu beta oksidacijom. Oksidacija se naziva beta, jer se na beta C atomu odvajaju po dva C atoma i vezuju za CoA. Beta oksidacija se nastavlja ili u mitohondrijama, ili u peroksizomima. Tako se masne kiseline skraćuju, dok se ne razgrade do acetilnog ostatka vezanog za CoA.

Oksdacija masti u biljkama Mnoge biljke kao izvor energije koriste masti u obliku ulja (suncokret, ricinus, uljana respica), koje se razgrađuju (oksiduju). Pripremna faza podrazumeva razgradnju masti na glicerol i masne kiseline, pri čemu se

masne kiseline razgrađuju beta oksidacijom. Od masne kiseline se odvajaju dva C atoma i vezuju za CoA. Nastali acetil CoA ulazi u Krebsov ciklus, gde se razgrađuje do ugljendioksida. Kod biljaka se beta oksidacija rezervnih ulja vrši radi dobijanja ugljenih hidrata i to se događa u glioksizomima i peroksizomima. Glioksizomi se nalaze u semenu biljki koje skladište ulja, a proces razgradnje masti je poznat kao glioksalatni ciklus. U prvim fazama razvića, dok biljka ne počne da vrši fotosintezu i stvaranje šećera, masti se pretvaraju u šećere potrebne za nove sinteze i to se dešava u glioksalatnom ciklusu koji je sličan Krebsovom ciklusu. Glioksalatni ciklus počinje vezivanjem acetil CoA za oksalsirćetnu kiselinu, ali se dalje limunska kiselina preko izolimunske razlaže na glioksalat, jedinjenje sa 2C atoma, i ćilibarnu kiselinu. Ćilibarna kiselina odlazi u Krebsov ciklus i daje jabučnu kiselinu, a glioksalat sa acetil CoA ponovo daje oksalsirćetnu. Jabučna kiselina, koja je nastala u mitohondrijama u glioksizomima, izlazi u citoplazmu i tu se oksiduje u oksalsirćetnu, koja se razgrađuje na CO2 i pirogrožđanu kiselinu. Pirogrožđana kiselina u metaboličkom procesu daje fruktozu i glukozu od kojih postaje saharoza. Ovaj proces nastanka šećera poznat je kao glukoneogeneza. Glioksalatni ciklus i glukoneogeneza su procesi u kojima biljka koristi energiju iz masti, prevodeći je u šećer, koji je pogodniji oblik za proces rasta i razvića, naročito kod mladih klijanaca.

Razlaganje proteina Varenje proteina počinje u želucu. Glavni proteolitički enzim želudačnog soka je pepsin, koga luče ćelije sluzokože u neaktivnom obliku, kao pepsinogen, a koga aktivira pH želudačnog soka. U tankom crevu je slabo bazna sredina, koju obezbeđuju

sokovi pankreasa sa tripsinogenom i himotripsinogenom, koje aktiviraju endopeptidaze crevnog soka. Tripsin, himotripsin i elastaza su endopeptidaze koje raskidaju peptidne veze u proteinima i peptidima, hidrolizujući proteine do dipeptida i aminokiselina. Aminokiseline se resorbuju iz tankog creva i venom portom dopremaju do jetre, koja je glavno mesto metabolizma aminokiselina kod kičmenjaka. Prva faza u razlaganju aminokiselina je odvajanje njene amino grupe u procesu transaminacije ili oksidativne dezaminacije. Kod odraslog muškarca, normalna dnevna izmena proteina iznosi oko 2% ukupne količine telesnih proteina. Izmena proteina je posledica degradacije mišićnih proteina u aminokiseline, ali se čak 80% ovako oslobođenih aminokiselina ponovo koristi za sintezu novih proteina. Višak aminokiselina se nikada ne deponuje u organizmu, tako da se aminokiseline koje se ne ugrade u novi protein brzo degraduju. Aminokiseline su primarno izvor azota za životinje i služe kao prekurzori za druga jedinjenja azota (hem, purine, pirimidine, hormone i neurotransmitere).

Absorpcija u digestivnom traktu Hrana koju unosimo u organizam ne može da se iskoristi dok se ne razgradi na manje molekule. Ovo razlaganje hrane u digestivnom traktu se naziva varenje. Varenje hrane počinje u ustima, lučenjem pljuvačke, koja razlaže skrob i glikogen do maltoze. Ovo razlaganje je neznatno, zbog kratkog zadržavanja hrane u ustima. Najveći deo hrane proteinske prirode se razlaže u želucu pod delovanjem hlorovodonične kiseline. Kad proteini stupe u kontakt sa HCl, oni gube svoju tercijernu strukturu, denaturišu se. Pepsinogen aktivira niski pH u želucu i on nastavlja razlaganje

proteina do polipeptida. Pepsin je endopeptidaza. U želucu su aktivne lipaze koje prevode lipide u tečnosti. Sadržaj hrane iz želuca, himus, ulazi u duodenum, u koji se izlučuju alkalni sekret pankreasa i žuč, koji neutrališu HCl želuca. Žuč ima ulogu u emulgovanju masti, koje su slabo rastvorne. Sekret pankreasa sadrži više organskih i neorganskih jona i izrazito je alkalan. U sekretu se nalaze i mnogi enzimi: tripsin, himotripsin, elastaze, karboksipeptidaze, amilaze, lipaze. Konačni rezultat delovanja opisanih enzima je razlaganje hrane. Varenjem ugljenih hidrata nastaju monosaharidi, uglavnom glukoza. Proteini se razgrađuju do aminokiselina, masti na glicerol i masne kiseline i nukleinske kiseline do nukleozida i pentoza. Ovako razgrađena hrana se transportuje iz tankog creva preko vene porte i limfnih sudova do jetre, gde se dalje koristi u biosintezi ili skladištenju rezervnih materija.

Anabolički procesi

Anabolički procesi podrazumevaju postupke izgradnje složenih od prostih jedinjenja. Sinteza proteina je genski regulisana. U ćeliji se sintetišu ugljeni hidrati i masti od proizvoda nastalih razlaganjem materija unetih hranom. Ugljeni hidrati uneti u organizam mogu se pretvoriti u masti (na tome se bazira tov svinja). Energetska vrednost hrane unete obrokom se izražava u džulima (J). Bazalni metabolizam je minimalni promet materije u organizmu koji miruje i koji nije uzimao hranu 12h. Promet energije čoveka u mirovanju je 67207560J, za krojačicu 11-12000J, za daktilografkinju 13500J a kosača 33600J. Interesantno je da umni rad ne dovodi do velike potrošnje energije ali dovodi do bržeg zamora (nije samo utrošak energije merilo težine rada). LITERATURA 1. Diklić, V., Kosanović., M, Nikoliš, J., Dukić, S: Biologija sa humanom genetikom. Grafopan, Beograd 2001.

2. Nada Šerban: Ćelija struktura i oblici. Zavod za udžbenike i nastavna sredstva, Beograd 2001. 3. Anđelković, Z., Somer, Lj., Matavulj, M., Lačković, V., Lalošević, D., Nikolić, I., Milosavljević, Z., Danilović, V: Ćelija i tkiva. Bonafides. Beograd 2002. 4. Trpinac, D: Histologija za studente farmacije. Kuća štampe, Beograd 2001. 5. Marinković, D., Paunović, K., Terzić, V: Biologija za I i II razred srednje škole. Zavod za udžbenike i nastavna sredstva, Beograd 2003. 6.Momčilo Mihailović: Biohemija, ITP Naučna Beograd 2000. 7 Martin, D., Mayes, P., Rodwell, V., Granner: Harperov pregled biohemije. Savremena administracija. Beograd 1989. 8. Radović, I., Petrov , B: Raznovrsnost života, Biološki fakultet, Beograd 1999. 9. Grozdanović-Radovanović, Jelena: Citologija, ZUNS, Beograd, 2000 10. Pantić, R, V: Biologija ćelije, Univerzitet u Beogradu, Beograd, 1997 11. Petrović, N, Đorđe: Osnovi enzimologije, ZUNS, Beograd, 1998