Cellens kemiska grund

Cellens struktur och funktion beror på de molekyler som bygger upp den och hur dessa samspelar. För att förstå cellbiologin behöver vi därför först några kemiska grunder.

Vi börjar med vattnets egenskaper, hur små molekyler kan bilda större biomolekyler och hur biomolekyler byggs upp och bryts ned.

Vatten och polaritet

Vatten är en förutsättning för allt liv vi känner till. För att förstå varför behöver vi först titta på hur en vattenmolekyl är uppbyggd.

Vattenmolekylen

Vatten består av molekyler som var och en innehåller två väteatomer och en syreatom. Därför skrivs molekylformeln H₂O, där tvåan visar att varje vattenmolekyl innehåller två väteatomer.

En vattenmolekyl består av två väteatomer och en syreatom. Bilden är en modell och visar inte atomernas verkliga storlek.

Kovalenta bindningar

Elektronerna finns i olika skal runt atomkärnan. Det är elektronerna i det yttersta skalet, valenselektronerna, som kan delta i bindningar mellan atomer.

Atomerna i vattenmolekylen hålls samman med kovalenta bindningar. En sådan bindning bildas när två atomer delar på ett par elektroner. Syreatomen delar ett elektronpar med vardera väteatomen, och de delade elektronerna kan räknas till båda atomernas yttersta skal. De kovalenta bindningarna håller samman atomerna inom vattenmolekylen.

Skalmodellen visar hur syreatomen delar ett elektronpar med vardera väteatomen.

Vattenmolekylens polaritet

Syreatomen drar starkare i de delade elektronerna än väteatomerna. Elektronerna befinner sig därför oftare närmare syret. Tillsammans med vattenmolekylens vinklade form skapar det en ojämn laddningsfördelning.

Vattenmolekylen är fortfarande neutral som helhet, men olika delar av den får olika partiell laddning.

Vattenmolekylens form och ojämna laddningsfördelning gör den polär.

Symbolen δ− visar att området kring syreatomen är partiellt negativt, medan δ+ visar att områdena kring väteatomerna är partiellt positiva. En molekyl med en sådan ojämn laddningsfördelning kallas polär.

Polära och opolära molekyler

I en polär molekyl är laddningen ojämnt fördelad, medan en opolär molekyl saknar tydligt positiva och negativa sidor. Från kemin kan detta sammanfattas med principen lika löser lika. Polära ämnen löser sig lättare i polära ämnen, medan opolära ämnen löser sig lättare i opolära. Därför blandar sig exempelvis vatten och olja dåligt med varandra.

Ämnen eller molekyldelar som samspelar med vatten kallas hydrofila, medan de som undviker vatten kallas hydrofoba. Den skillnaden blir viktig när vi senare studerar fosfolipider och cellmembran.

Hur vatten beter sig beror på ytan. En hydrofil yta attraherar vattenmolekylerna, medan vattnet på en hydrofob yta håller ihop i en droppe som bara har liten kontakt med ytan.

Vattendropparna pärlar sig på bladets hydrofoba yta.

Vatten som lösningsmedel

Vattnets polaritet gör att många polära ämnen och joner kan lösas och transporteras i vatten. Det gör vatten till lösningsmedel för en stor del av de kemiska reaktioner som sker i och omkring cellerna. Opolära ämnen löser sig däremot dåligt i vatten.

Vätebindningar

Den partiellt positiva väteatomen i en vattenmolekyl attraheras av den partiellt negativa syreatomen i en annan. Attraktionen mellan dem kallas en vätebindning. Här delas inga elektroner mellan molekylerna, så vätebindningen är betydligt svagare än de kovalenta bindningar som håller samman själva vattenmolekylen.

En vattenmolekyl kan ta emot två vätebindningar vid syreatomen och ge två genom väteatomerna.

I flytande vatten bildas och bryts vätebindningar hela tiden. Varje bindning är svag, men tillsammans påverkar de många vätebindningarna flera av vattnets biologiskt viktiga egenskaper.

Sammanhållning och kapillärkraft

Vätebindningarna gör att vattenmolekyler attraheras till varandra. Denna sammanhållning kallas kohesion och skapar bland annat vattnets ytspänning.

Vattnets ytspänning gör att skräddaren kan stå på vattenytan.

Vatten kan också attraheras till andra polära ämnen och ytor. Det kallas adhesion. I ett smalt rör dras vatten mot rörets väggar samtidigt som vattenmolekylerna håller samman med varandra. Vattnet kan då stiga i röret, vilket kallas kapillärkraft.

Adhesion och kohesion samverkar och ger kapillärkraft, som får vatten att stiga i ett smalt rör.

Vatten fäster vid glasets yta och bildar en konkav menisk. I smala rör gör samspelet mellan adhesion och kohesion att vattnet stiger högre.

Kapillärkraft bidrar till att vatten kan röra sig i små hålrum, exempelvis i marken och i växternas smala ledningsvävnad. I högre växter drivs transporten också av att vatten avdunstar från bladen.

Temperatur och densitet

Det krävs mycket energi för att bryta vätebindningarna mellan vattenmolekylerna. Vatten kan därför ta upp mycket värme utan att temperaturen förändras snabbt. Avdunstning kräver också mycket energi, som tas från omgivningen. Därför kan avdunstning kyla både växter och djur.

Flytande vatten har högst densitet vid ungefär 4 °C. När vatten fryser ordnas molekylerna glesare, vilket gör att is har lägre densitet och flyter. Sjöar fryser därför från ytan, medan vattnet under isen kan förbli flytande.

Is har lägre densitet än flytande vatten och flyter därför på vattenytan.

Biologisk betydelse

Vattnets egenskaper har flera biologiska följder:

• Ämnen kan lösas och transporteras i exempelvis cellvätska, blod och växters ledningsvävnad.
• Hydrofila och hydrofoba molekyldelar bidrar till att biologiska membran kan bildas.
• Kohesion och adhesion bidrar till vattentransport genom mark och växter.
• Vattnets höga värmekapacitet och avdunstning hjälper organismer att jämna ut temperaturförändringar.
• Is som flyter isolerar vattnet under och gör det möjligt för organismer att överleva i frusna sjöar.

pH och buffertar

I Biologi nivå 1 beskrevs pH som en del av kroppens homeostas. Nu tittar vi närmare på vad pH innebär på molekylnivå.

pH beskriver koncentrationen av vätejoner, H⁺, i en lösning. Ett pH på 7 är neutralt, lägre värden är sura och högre värden är basiska. Skalan är logaritmisk, vilket innebär att ett steg motsvarar en tiofaldig skillnad i koncentrationen av vätejoner.

pH-skalan är logaritmisk. Ett steg motsvarar tio gånger skillnad i koncentrationen av vätejoner.

Buffertar är ämnen som kan ta upp eller avge vätejoner och därmed bromsa snabba förändringar i pH. De håller inte pH helt konstant, men gör den kemiska miljön mer stabil.

Biologisk betydelse

Cellernas kemiska reaktioner och proteiners form påverkas av pH. Enzymer fungerar därför bäst inom vissa pH-intervall, och olika miljöer i kroppen kan ha olika pH. Magsäcken är exempelvis sur, medan blodets pH behöver hållas inom ett betydligt snävare intervall.

Lungorna påverkar blodets pH genom att reglera mängden koldioxid, medan njurarna bidrar genom att reglera vilka ämnen som utsöndras eller återupptas. Tillsammans med blodets buffertar är detta ett exempel på den homeostas som behandlades i Biologi nivå 1.

Lungorna och njurarna reglerar pH på olika tidsskalor. Figuren återanvänds från avsnittet om homeostas i Biologi nivå 1.

Molekylernas byggstenar

De flesta stora molekyler i cellen är organiska molekyler, vilket innebär att deras struktur bygger på kol. Genom att kombinera kol med andra grundämnen och ordna atomerna på olika sätt kan cellen bilda en stor variation av molekyler.

Kol bildar kedjor och ringar

En kolatom kan bilda fyra kovalenta bindningar. Kolatomer kan därför binda till varandra och bilda raka kedjor, förgrenade kedjor och ringar. Till dessa strukturer kan bland annat väte, syre, kväve, fosfor och svavel bindas. Molekylens form och vilka atomgrupper den innehåller påverkar sedan dess egenskaper.

En kolatom kan bilda fyra bindningar. Därför kan kolatomer bindas samman till raka kedjor, förgrenade kedjor och ringar.

Monomerer och polymerer

Många biomolekyler byggs av mindre delar som upprepas. En sådan byggsten kallas en monomer, medan en större molekyl som består av många sammanbundna monomerer kallas en polymer.

En polymer byggs av många sammanbundna monomerer.

Vanliga biomolekyler

Cellens vanligaste biomolekyler delas in i några större grupper:

• Monosackarider kan bindas samman till större kolhydrater.
• Aminosyror kan bindas samman till proteiner.
• Nukleotider kan bindas samman till DNA eller RNA.
• Lipider byggs ofta av bland annat glycerol och fettsyror.

Lipider räknas vanligtvis inte som polymerer eftersom de inte består av långa kedjor med upprepade monomerer. Biomolekylgruppernas struktur och funktion behandlas mer ingående i de följande lektionerna.

Att bygga upp och bryta ned

Celler bygger hela tiden upp nya molekyler och bryter ned gamla. Reaktionerna gör det möjligt att tillverka cellens strukturer, lagra ämnen och återanvända molekylernas byggstenar.

Kondensation

Vid en kondensationsreaktion binds två molekyler samman samtidigt som en mindre molekyl avges, ofta vatten. När processen upprepas kan många mindre byggstenar kopplas ihop till en större molekyl.

Hydrolys

Vid hydrolys används en vattenmolekyl för att bryta en bindning. Den större molekylen delas då upp i mindre delar. Hydrolys används exempelvis när biomolekyler bryts ned under matspjälkningen eller återvinns inne i en cell.

Hydrolys förekommer också i cellens energiomsättning. När ATP reagerar med vatten bildas ADP och fosfat, samtidigt som energi blir tillgänglig för cellens arbete. ATP och energiomsättning behandlas mer ingående senare.

Vid kondensation bildas en bindning och vatten avges. Vid hydrolys bryts samma bindning med hjälp av vatten. De inringade atomerna bildar vattnet eller kommer från det, och den orange bindningen är den som bildas eller bryts.

Kondensation och hydrolys beskriver alltså motsatta riktningar. I levande celler styrs båda av enzymer, vilket gör att reaktionerna kan ske vid rätt plats och tidpunkt. Samma principer återkommer när vi går vidare till kolhydrater, lipider, proteiner och nukleinsyror.