På slutten av 1800-tallet ble det dannet en gren av biologien k alt biokjemi. Den studerer den kjemiske sammensetningen til en levende celle. Vitenskapens hovedoppgave er kunnskapen om egenskapene til metabolisme og energi som regulerer den vitale aktiviteten til plante- og dyreceller.
Konseptet med den kjemiske sammensetningen av cellen
Som et resultat av grundig forskning har forskere studert den kjemiske organiseringen av celler og funnet ut at levende vesener har mer enn 85 kjemiske elementer i sammensetningen. Dessuten er noen av dem obligatoriske for nesten alle organismer, mens andre er spesifikke og finnes i spesifikke biologiske arter. Og den tredje gruppen av kjemiske elementer er tilstede i cellene til mikroorganismer, planter og dyr i ganske små mengder. Celler inneholder oftest kjemiske elementer i form av kationer og anioner, hvorfra det dannes minerals alter og vann, og karbonholdige organiske forbindelser syntetiseres: karbohydrater, proteiner, lipider.
organiske elementer
I biokjemi inkluderer disse karbon, hydrogen,oksygen og nitrogen. Helheten deres i cellen er fra 88 til 97% av de andre kjemiske elementene i den. Karbon er spesielt viktig. Alle organiske stoffer i sammensetningen av cellen er sammensatt av molekyler som inneholder karbonatomer i sammensetningen. De er i stand til å koble seg til hverandre, danner kjeder (forgrenet og uforgrenet), så vel som sykluser. Denne evnen til karbonatomer ligger til grunn for den fantastiske variasjonen av organiske stoffer som utgjør cytoplasmaet og cellulære organeller.
For eksempel består det indre innholdet i en celle av løselige oligosakkarider, hydrofile proteiner, lipider, ulike typer ribonukleinsyre: transfer-RNA, ribosom alt RNA og messenger-RNA, samt frie monomerer - nukleotider. Cellekjernen har en lignende kjemisk sammensetning. Den inneholder også deoksyribonukleinsyremolekyler som er en del av kromosomene. Alle de ovennevnte forbindelsene inneholder atomer av nitrogen, karbon, oksygen, hydrogen. Dette er et bevis på deres spesielt viktige betydning, siden den kjemiske organiseringen av celler avhenger av innholdet av organogene elementer som utgjør cellulære strukturer: hyaloplasma og organeller.
Makroelementer og deres betydning
Kjemiske grunnstoffer, som også er svært vanlige i cellene til ulike typer organismer, kalles makronæringsstoffer i biokjemi. Deres innhold i cellen er 1,2% - 1,9%. Makroelementene i cellen inkluderer: fosfor, kalium, klor, svovel, magnesium, kalsium, jern og natrium. Alle av dem utfører viktige funksjoner og er en del av ulikecelleorganeller. Så jern-ionet er tilstede i blodproteinet - hemoglobin, som transporterer oksygen (i dette tilfellet kalles det oksyhemoglobin), karbondioksid (karbohemoglobin) eller karbonmonoksid (karboksyhemoglobin).
Natriumioner gir den viktigste typen intercellulær transport: den såk alte natrium-kalium-pumpen. De er også en del av interstitiell væske og blodplasma. Magnesiumioner er tilstede i klorofyllmolekyler (fotopigment av høyere planter) og deltar i prosessen med fotosyntese, da de danner reaksjonssentre som fanger fotoner av lysenergi.
Kalsiumioner sørger for ledning av nerveimpulser langs fibrene, og er også hovedkomponenten i osteocytter – beinceller. Kalsiumforbindelser er vidt utbredt i virvelløse dyrs verden, hvis skall er sammensatt av kalsiumkarbonat.
Klorioner er involvert i opplading av cellemembraner og gir forekomsten av elektriske impulser som ligger til grunn for nervøs eksitasjon.
Svovelatomer er en del av native proteiner og bestemmer deres tertiære struktur ved å "kryssbinde" polypeptidkjeden, noe som resulterer i dannelsen av et kuleformet proteinmolekyl.
Kaliumioner er involvert i transport av stoffer over cellemembraner. Fosforatomer er en del av et så viktig energikrevende stoff som adenosintrifosforsyre, og er også en viktig komponent i deoksyribonuklein- og ribonukleinsyremolekyler, som er hovedstoffene i cellulær arv.
Funksjoner av sporelementer i mobilnettetmetabolisme
Omtrent 50 kjemiske elementer som utgjør mindre enn 0,1 % i cellene kalles sporelementer. Disse inkluderer sink, molybden, jod, kobber, kobolt, fluor. Med et ubetydelig innhold utfører de svært viktige funksjoner, da de er en del av mange biologisk aktive stoffer.
Sinkatomer finnes for eksempel i molekylene til insulin (et bukspyttkjertelhormon som regulerer blodsukkernivået), jod er en integrert del av skjoldbruskkjertelhormonene - tyroksin og trijodtyronin, som kontrollerer stoffskiftet i kropp. Kobber, sammen med jernioner, er involvert i hematopoiesis (dannelsen av erytrocytter, blodplater og leukocytter i den røde benmargen hos virveldyr). Kobberioner er en del av hemocyaninpigmentet som finnes i blodet til virvelløse dyr, som bløtdyr. Derfor er fargen på hemolymfen blå.
Enda mindre innhold i cellen av slike kjemiske elementer som bly, gull, brom, sølv. De kalles ultramikroelementer og er en del av plante- og dyreceller. For eksempel ble gullioner påvist i maiskjerner ved kjemisk analyse. Bromatomer i store mengder er en del av cellene i thallus til brune og røde alger, som sargassum, tare, fucus.
Alle eksemplene og fakta ovenfor forklarer hvordan den kjemiske sammensetningen, funksjonene og strukturen til cellen henger sammen. Tabellen nedenfor viser innholdet av ulike kjemiske elementer i cellene til levende organismer.
Generelle egenskaper ved organiske stoffer
Kjemiske egenskaper til celler i ulike grupper av organismer er på en bestemt måte avhengig av karbonatomer, hvor andelen er mer enn 50 % av cellemassen. Nesten alt tørrstoff i cellen er representert av karbohydrater, proteiner, nukleinsyrer og lipider, som har en kompleks struktur og stor molekylvekt. Slike molekyler kalles makromolekyler (polymerer) og består av enklere grunnstoffer - monomerer. Proteinstoffer spiller en ekstremt viktig rolle og utfører mange funksjoner, som vil bli diskutert nedenfor.
Rollen til proteiner i cellen
Biokjemisk analyse av forbindelsene som utgjør en levende celle bekrefter det høye innholdet av slike organiske stoffer som proteiner i den. Det er en logisk forklaring på dette faktum: proteiner utfører forskjellige funksjoner og er involvert i alle manifestasjoner av cellelivet.
For eksempel er den beskyttende funksjonen til proteiner dannelsen av antistoffer - immunglobuliner produsert av lymfocytter. Beskyttende proteiner som trombin, fibrin og tromboblastin gir blodpropp og forhindrer tap ved skader og sår. Sammensetningen av cellen inkluderer komplekse proteiner av cellemembraner som har evnen til å gjenkjenne fremmede forbindelser - antigener. De endrer konfigurasjonen og informerer cellen om potensiell fare (signaleringsfunksjon).
Noen proteiner har en regulerende funksjon og er hormoner, for eksempel er oksytocin produsert av hypothalamus reservert av hypofysen. Fra det tilblod, virker oksytocin på livmorens muskelvegger, og får den til å trekke seg sammen. Proteinet vasopressin har også en regulerende funksjon som kontrollerer blodtrykket.
I muskelceller er det aktin og myosin som kan trekke seg sammen, noe som bestemmer muskelvevets motoriske funksjon. Proteiner har også en trofisk funksjon, for eksempel brukes albumin av embryoet som næringsstoff for utviklingen. Blodproteiner fra forskjellige organismer, som hemoglobin og hemocyanin, bærer oksygenmolekyler - de utfører en transportfunksjon. Hvis mer energikrevende stoffer som karbohydrater og lipider utnyttes fullt ut, fortsetter cellen å bryte ned proteiner. Ett gram av dette stoffet gir 17,2 kJ energi. En av de viktigste funksjonene til proteiner er katalytisk (enzymproteiner akselererer kjemiske reaksjoner som oppstår i avdelingene i cytoplasmaet). Basert på det foregående var vi overbevist om at proteiner utfører mange svært viktige funksjoner og nødvendigvis er en del av dyrecellen.
Proteinbiosyntese
Tenk på prosessen med proteinsyntese i en celle, som skjer i cytoplasmaet ved hjelp av organeller som ribosomer. Takket være aktiviteten til spesielle enzymer, med deltakelse av kalsiumioner, kombineres ribosomer til polysomer. Hovedfunksjonene til ribosomer i en celle er syntesen av proteinmolekyler, som begynner med prosessen med transkripsjon. Som et resultat syntetiseres mRNA-molekyler, som polysomer er festet til. Så begynner den andre prosessen - oversettelse. Overfør RNAkombineres med tjue forskjellige typer aminosyrer og bringe dem til polysomer, og siden funksjonene til ribosomer i en celle er syntese av polypeptider, danner disse organellene komplekser med tRNA, og aminosyremolekyler binder seg til hverandre ved hjelp av peptidbindinger, og danner en proteinmakromolekyl.
Vanns rolle i metabolske prosesser
Cytologiske studier har bekreftet det faktum at cellen, hvis struktur og sammensetning vi studerer, i gjennomsnitt består av 70 % vann, og hos mange dyr som lever en akvatisk levemåte (for eksempel coelenterater), innholdet når 97-98 %. Med dette i tankene inkluderer den kjemiske organiseringen av celler hydrofile (i stand til å oppløses) og hydrofobe (vannavstøtende) stoffer. Som et universelt polart løsningsmiddel, spiller vann en eksepsjonell rolle og påvirker ikke bare funksjonene, men også selve strukturen til cellen. Tabellen nedenfor viser vanninnholdet i cellene til ulike typer levende organismer.
Funksjonen til karbohydrater i cellen
Som vi fant ut tidligere, er karbohydrater også viktige organiske stoffer - polymerer. Disse inkluderer polysakkarider, oligosakkarider og monosakkarider. Karbohydrater er en del av mer komplekse komplekser - glykolipider og glykoproteiner, som cellemembraner og supramembranstrukturer, som glykokalyx, bygges fra.
I tillegg til karbon inneholder karbohydrater oksygen- og hydrogenatomer, og noen polysakkarider inneholder også nitrogen, svovel og fosfor. Det er mye karbohydrater i planteceller: potetknollerinneholder opptil 90 % stivelse, frø og frukt inneholder opptil 70 % karbohydrater, og i dyreceller finnes de i form av forbindelser som glykogen, kitin og trehalose.
Enkle sukkerarter (monosakkarider) har den generelle formelen CnH2nOn og er delt inn i tetroser, trioser, pentoser og heksoser. De to siste er de vanligste i cellene til levende organismer, for eksempel er ribose og deoksyribose en del av nukleinsyrer, og glukose og fruktose deltar i assimilerings- og dissimileringsreaksjoner. Oligosakkarider finnes ofte i planteceller: sukrose lagres i cellene til sukkerroer og sukkerrør, m altose finnes i spiret korn av rug og bygg.
Disakkarider har en søt smak og løses godt opp i vann. Polysakkarider, som er biopolymerer, er hovedsakelig representert av stivelse, cellulose, glykogen og laminarin. Kitin tilhører de strukturelle formene av polysakkarider. Hovedfunksjonen til karbohydrater i cellen er energi. Som et resultat av hydrolyse- og energimetabolismereaksjoner brytes polysakkarider ned til glukose, og det oksideres deretter til karbondioksid og vann. Som et resultat frigjør ett gram glukose 17,6 kJ energi, og stivelse og glykogenlagre er faktisk et reservoar av cellulær energi.
Glykogen lagres hovedsakelig i muskelvev og leverceller, vegetabilsk stivelse i knoller, løker, røtter, frø, og i leddyr som edderkopper, insekter og krepsdyr spiller trehaloseoligosakkarid en stor rolle i energiforsyningen.
Karbohydraterskiller seg fra lipider og proteiner i deres evne til oksygenfri sp altning. Dette er ekstremt viktig for organismer som lever under forhold med oksygenmangel eller fravær, for eksempel anaerobe bakterier og helminths - parasitter av mennesker og dyr.
Det er en annen funksjon av karbohydrater i cellen - bygning (strukturell). Det ligger i det faktum at disse stoffene er bærende strukturer til celler. For eksempel er cellulose en del av celleveggene til planter, kitin danner det ytre skjelettet til mange virvelløse dyr og finnes i soppceller, olisakkarider danner sammen med lipid- og proteinmolekyler en glykokalyx – et epimembrankompleks. Det gir adhesjon - adhesjon av dyreceller til hverandre, noe som fører til dannelse av vev.
Lipider: struktur og funksjoner
Disse organiske stoffene, som er hydrofobe (uløselige i vann), kan ekstraheres, det vil si ekstraheres fra celler, ved bruk av ikke-polare løsningsmidler som aceton eller kloroform. Funksjonene til lipider i en celle avhenger av hvilken av de tre gruppene de tilhører: fett, voks eller steroider. Fett er det mest tallrike i alle celletyper.
Dyr samler dem i det subkutane fettvevet, nervevevet inneholder fett i form av myelinskjeder av nerver. Det akkumuleres også i nyrene, leveren, i insekter - i fettkroppen. Flytende fett - oljer - finnes i frøene til mange planter: sedertre, peanøtt, solsikke, oliven. Innholdet av lipider i cellene varierer fra 5 til 90 % (i fettvev).
Steroider og voksskiller seg fra fett ved at de ikke inneholder fettsyrerester i molekylene. Så, steroider er hormoner i binyrebarken som påvirker puberteten i kroppen og er komponenter av testosteron. De finnes også i vitaminer (som vitamin D).
Hovedfunksjonene til lipider i cellen er energi, oppbyggende og beskyttende. Den første skyldes at 1 gram fett under sp alting gir 38,9 kJ energi – mye mer enn andre organiske stoffer – proteiner og karbohydrater. I tillegg, under oksidasjonen av 1 g fett, frigjøres nesten 1,1 g. vann. Det er derfor noen dyr, som har en tilførsel av fett i kroppen, kan være uten vann i lang tid. Gophers kan for eksempel gå i dvale i mer enn to måneder uten å trenge vann, og en kamel drikker ikke vann når de krysser ørkenen på 10–12 dager.
Byggingsfunksjonen til lipider er at de er en integrert del av cellemembraner, og er også en del av nervene. Den beskyttende funksjonen til lipider er at et fettlag under huden rundt nyrene og andre indre organer beskytter dem mot mekanisk skade. En spesifikk termisk isolasjonsfunksjon er iboende hos dyr som er i vannet i lang tid: hval, sel, pelssel. Et tykt subkutant fettlag, for eksempel i en blåhval er 0,5 m, det beskytter dyret mot hypotermi.
Betydningen av oksygen i cellulær metabolisme
Aerobe organismer, som inkluderer det store flertallet av dyr, planter og mennesker, bruker atmosfærisk oksygen til energimetabolismereaksjoner,fører til nedbrytning av organiske stoffer og frigjøring av en viss mengde energi akkumulert i form av molekyler av adenosintrifosforsyre.
Dermed frigjøres 2800 kJ energi, hvorav 1596 kJ (55%) er lagret i form av ATP-molekyler som inneholder makroerge obligasjoner. Dermed er hovedfunksjonen til oksygen i cellen implementeringen av aerob respirasjon, som er basert på en gruppe enzymatiske reaksjoner av den såk alte respirasjonskjeden, som forekommer i cellulære organeller - mitokondrier. Hos prokaryote organismer - fototrofe bakterier og cyanobakterier - skjer oksidasjonen av næringsstoffer under påvirkning av oksygen som diffunderer inn i cellene på de indre utvekstene av plasmamembraner.
Vi studerte den kjemiske organiseringen av celler, så vel som prosessene for proteinbiosyntese og oksygenets funksjon i cellulær energimetabolisme.
