Na konci 19. století vznikl průmyslbiologie zvaná biochemie. Studuje chemické složení živé buňky. Hlavním úkolem vědy je znalost charakteristik metabolismu a energie, které regulují životní aktivitu rostlinných a živočišných buněk.
Koncept chemického složení buněk
В результате тщательных исследований учёными была studoval chemickou organizaci buněk a zjistil, že živé věci mají ve svém složení více než 85 chemických prvků. Některé z nich jsou navíc povinné pro téměř všechny organismy, zatímco jiné jsou specifické a vyskytují se u specifických biologických druhů. A třetí skupina chemických prvků je přítomna v buňkách mikroorganismů, rostlin a zvířat v poměrně malém množství. Chemické prvky ve složení buněk jsou nejčastěji ve formě kationtů a aniontů, ze kterých se tvoří minerální soli a voda, a syntetizují se organické sloučeniny obsahující uhlík: uhlohydráty, proteiny, lipidy.
Organogenní prvky
V biochemii to zahrnuje uhlík, vodík,kyslík a dusík. Jejich kombinace v buňce představuje 88 až 97% ostatních chemických prvků, které jsou v buňce obsaženy. Uhlík je obzvláště důležitý. Všechny organické látky v buňce jsou složeny z molekul obsahujících atomy uhlíku. Jsou schopni se navzájem spojovat a vytvářet řetězce (rozvětvené i nerozvětvené), jakož i cykly. Tato schopnost atomů uhlíku je základem úžasné rozmanitosti organických látek, které tvoří cytoplazmu a buněčné organely.
Například vnitřní obsah buňky je složen zrozpustné oligosacharidy, hydrofilní proteiny, lipidy, různé typy ribonukleové kyseliny: transportní RNA, ribozomální RNA a messengerová RNA, jakož i volné monomery - nukleotidy. Buněčné jádro má podobné chemické složení. Obsahuje také molekuly kyseliny deoxyribonukleové, které tvoří chromozomy. Všechny výše uvedené sloučeniny obsahují atomy dusíku, uhlíku, kyslíku a vodíku. To je důkaz jejich zvláště důležité hodnoty, protože chemická organizace buněk závisí na obsahu organogenních prvků, které tvoří buněčné struktury: hyaloplazmy a organely.
Makronutrienty a jejich významy
Chemické prvky, které jsou také velmi běžnév buňkách různých druhů organismů se v biochemii nazývají makroprvky. Jejich obsah v buňce je 1,2% - 1,9%. Buněčné makrobuňky zahrnují: fosfor, draslík, chlor, síru, hořčík, vápník, železo a sodík. Všichni plní důležité funkce a jsou součástí různých buněčných organel. V krevním proteinu je tedy přítomen železitý ion - hemoglobin, který transportuje kyslík (v tomto případě se nazývá oxyhemoglobin), oxid uhličitý (karbohemoglobin) nebo oxid uhelnatý (karboxyhemoglobin).
Sodné ionty poskytují kritický vzhledmezibuněčný transport: takzvaná sodno-draselná pumpa. Jsou také součástí intersticiální tekutiny a krevní plazmy. Ionty hořčíku jsou přítomny v molekulách chlorofylu (fotopigment vyšších rostlin) a podílejí se na fotosyntéze, protože vytvářejí reakční centra, která zachycují fotony světelné energie.
Vápníkové ionty zajišťují nervové vedenípulsuje podél vláken a jsou také hlavní složkou osteocytů - kostních buněk. Sloučeniny vápníku jsou rozšířeny ve světě bezobratlých, ve kterém jsou skořápky složeny z uhličitanu vápenatého.
Chlorové ionty se účastní dobíjení buněčných membrán a poskytují výskyt elektrických impulsů, které jsou podkladem pro nervové buzení.
Atomy síry jsou součástí nativních proteinů a určují jejich terciární strukturu, "šití" polypeptidového řetězce, v důsledku čehož je vytvořena molekula globulárního proteinu.
Ionty draslíku se účastní transportu látek skrzbuněčné membrány. Atomy fosforu jsou součástí tak důležité látky náročné na energii, jako je kyselina adenosintrifosforečná, a jsou také důležitou složkou molekul deoxyribonukleových a ribonukleových kyselin, které jsou hlavními látkami buněčné dědičnosti.
Funkce stopových prvků v buněčném metabolismu
Asi 50 chemických prvků, které tvoří méně0,1% v buňkách se nazývá stopové prvky. Mezi ně patří zinek, molybden, jod, měď, kobalt, fluor. S nízkým obsahem plní velmi důležité funkce, protože jsou součástí mnoha biologicky aktivních látek.
Například atomy zinku se nacházejí v molekuláchinzulín (hormon slinivky břišní, který reguluje hladinu glukózy v krvi), jód je nedílnou součástí hormonů štítné žlázy, tyroxinu a trijodtyroninu, které regulují hladinu metabolismu v těle. Měď se spolu s ionty železa podílí na hematopoéze (tvorbě erytrocytů, krevních destiček a leukocytů v červené kostní dřeni obratlovců). Měděné ionty jsou součástí pigmentu hemocyaninu, který je přítomen v krvi bezobratlých, jako jsou měkkýši. Proto je jejich barva hemolymfy modrá.
Ještě menší obsah takové chemikálie v buňceprvky jako olovo, zlato, brom, stříbro. Nazývají se ultrastopové prvky a nacházejí se v rostlinných a živočišných buňkách. Například chemická analýza odhalila ionty zlata v zrnech kukuřice. Atomy bromu ve velkém počtu jsou součástí buněk thallus hnědých a červených řas, jako je sargassum, řasa, fucus.
Všechny výše uvedené příklady a fakta vysvětlujíjak chemické složení, funkce a struktura buňky spolu souvisí. Níže uvedená tabulka ukazuje obsah různých chemických prvků v buňkách živých organismů.
Obecné vlastnosti organických látek
Chemické vlastnosti buněk různých skupinorganismy určitým způsobem závisí na atomech uhlíku, jejichž podíl je více než 50% buněčné hmoty. Téměř veškerou sušinu buňky představují sacharidy, bílkoviny, nukleové kyseliny a lipidy, které mají složitou strukturu a velkou molekulovou hmotnost. Takové molekuly se nazývají makromolekuly (polymery) a jsou tvořeny jednoduššími prvky - monomery. Bílkovinné látky hrají nesmírně důležitou roli a plní mnoho funkcí, o nichž bude pojednáno níže.
Úloha proteinů v buňce
Biochemická analýza sloučenin obsažených v živémbuňka, potvrzuje vysoký obsah takových organických látek, jako jsou bílkoviny. Tuto skutečnost lze logicky vysvětlit: proteiny plní různé funkce a podílejí se na všech projevech buněčné aktivity.
Například ochranná funkce proteinů jetvorba protilátek - imunoglobulinů produkovaných lymfocyty. Ochranné proteiny jako trombin, fibrin a tromboblastin zajišťují srážení krve a zabraňují ztrátě krve v případě poranění. Buňka obsahuje komplexní proteiny buněčných membrán, které mají schopnost rozpoznávat cizí sloučeniny - antigeny. Mění svou konfiguraci a informují buňku o potenciálním nebezpečí (signalizační funkce).
Některé proteiny mají regulační funkci ajsou hormony, například oxytocin, produkovaný hypotalamem, je rezervován hypofýzou. Oxytocin, který pochází z něj do krevního řečiště, působí na svalové stěny dělohy a způsobuje její smršťování. Protein vasopresin má také regulační funkci kontrolou krevního tlaku.
Svalové buňky obsahují aktin a myosin,schopné kontrakce, která určuje motorickou funkci svalové tkáně. Proteiny mají také trofickou funkci, například albumin je embryem používán jako živina pro jeho vývoj. Krevní proteiny různých organismů, například hemoglobin a hemocyanin, nesou molekuly kyslíku - plní transportní funkci. Pokud jsou energeticky náročnější látky, jako jsou sacharidy a lipidy, zcela vyčerpány, buňka začne štěpit bílkoviny. Jeden gram této látky dává 17,2 kJ energie. Jedna z nejdůležitějších funkcí proteinů je katalytická (enzymové proteiny urychlují chemické reakce v cytoplazmatických kompartmentech). Na základě výše uvedeného jsme přesvědčeni, že proteiny plní mnoho velmi důležitých funkcí a jsou nutně součástí živočišné buňky.
Biosyntéza proteinů
Zvažte proces syntézy bílkovin v buňce,který se vyskytuje v cytoplazmě prostřednictvím organel, jako jsou ribozomy. Díky aktivitě speciálních enzymů za účasti iontů vápníku se ribozomy kombinují do polysomů. Hlavní funkcí ribozomů v buňce je syntéza proteinových molekul, která začíná procesem transkripce. Ve výsledku jsou syntetizovány molekuly mRNA, ke kterým jsou připojeny polysomy. Pak začíná druhý proces - vysílání. Transportní RNA se kombinují s dvaceti různými typy aminokyselin a přivádějí je k polysomům, a protože funkcí ribozomů v buňce je syntéza polypeptidů, tvoří tyto organely komplexy s tRNA a molekuly aminokyselin se na sebe vážou peptidovými vazbami, vytvoření proteinové makromolekuly.
Úloha vody v metabolických procesech
Cytologické studie tuto skutečnost potvrdilyže buňka, jejíž strukturu a složení studujeme, je v průměru 70% vody a u mnoha živočichů žijících ve vodním způsobu života (například coelenterates) dosahuje její obsah 97–98%. S ohledem na tuto skutečnost zahrnuje chemická organizace buněk hydrofilní (schopné rozpouštění) a hydrofobní (vodoodpudivé) látky. Jako univerzální polární rozpouštědlo hraje voda výjimečnou roli a přímo ovlivňuje nejen funkce, ale také samotnou strukturu buňky. Tabulka níže ukazuje obsah vody v buňkách různých druhů živých organismů.
Funkce sacharidů v buňce
Jak jsme již dříve zjistili, důležité organickélátky - polymery - zahrnují také sacharidy. Patří sem polysacharidy, oligosacharidy a monosacharidy. Sacharidy jsou součástí složitějších komplexů - glykolipidů a glykoproteinů, z nichž jsou vytvořeny buněčné membrány a supramembránové struktury, například glykokalyx.
Kromě uhlíku obsahují sacharidy atomykyslík a vodík a některé polysacharidy také obsahují dusík, síru a fosfor. V rostlinných buňkách je spousta sacharidů: bramborové hlízy obsahují až 90% škrobu, semena a plody až 70% sacharidů a v živočišných buňkách se nacházejí ve formě sloučenin, jako je glykogen, chitin a trehalóza.
Jednoduché cukry (monosacharidy) mají společný vzorecCnH2nOn a dělí se na tetrózy, triózy, pentózy a hexózy. Poslední dva jsou nejčastější v buňkách živých organismů, například ribóza a deoxyribóza jsou součástí nukleových kyselin, zatímco glukóza a fruktóza se účastní asimilačních a disimilačních reakcí. Oligosacharidy se často nacházejí v rostlinných buňkách: sacharóza se ukládá v buňkách cukrové řepy a cukrové třtiny, maltóza se nachází v naklíčených obilkách žita a ječmene.
Disacharidy mají nasládlou chuť a jsou dobrérozpustit ve vodě. Polysacharidy, které jsou biopolymery, jsou zastoupeny hlavně škrobem, celulózou, glykogenem a laminarinem. Chitin patří ke strukturním formám polysacharidů. Hlavní funkcí sacharidů v buňce je energie. V důsledku reakcí hydrolýzy a energetického metabolismu se polysacharidy štěpí na glukózu a poté se oxiduje na oxid uhličitý a vodu. Ve výsledku jeden gram glukózy uvolní 17,6 kJ energie a zásoby škrobu a glykogenu jsou ve skutečnosti rezervoárem buněčné energie.
Glykogen se ukládá hlavně ve svalechjaterní tkáň a buňky, rostlinný škrob - v hlízách, cibulích, kořenech, semenech a členovcích, jako jsou pavouci, hmyz a korýši, hraje při zásobování energií hlavní roli oligosacharid trehalóza.
Sacharidy se liší od lipidů a bílkovinschopnost rozkladu bez kyslíku. To je nesmírně důležité pro organismy žijící v podmínkách nedostatku nebo nepřítomnosti kyslíku, například pro anaerobní bakterie a hlísty - parazity lidí a zvířat.
V buňce existuje další funkce sacharidů -konstrukce (konstrukční). Spočívá ve skutečnosti, že tyto látky jsou podpůrnými strukturami buněk. Například celulóza je součástí buněčných stěn rostlin, chitin tvoří vnější kostru mnoha bezobratlých a nachází se v buňkách hub, olysacharidy spolu s molekulami lipidů a proteinů tvoří glykokalyx - supramembránový komplex. Poskytuje adhezi - adhezi zvířecích buněk k sobě navzájem, což vede k tvorbě tkání.
Lipidy: struktura a funkce
Tyto organické látky jsouhydrofobní (nerozpustný ve vodě) lze izolovat, tj. extrahovat z buněk pomocí nepolárních rozpouštědel, jako je aceton nebo chloroform. Funkce lipidů v buňce závisí na tom, do které ze tří skupin patří: tuky, vosky nebo steroidy. Tuky jsou nejhojnější ve všech typech buněk.
Zvířata je hromadí v podkožním tuku.vláknina, nervová tkáň obsahuje tuk ve formě myelinových obalů nervů. Hromadí se také v ledvinách, játrech a hmyzu v tukovém těle. Tekuté tuky - oleje - se nacházejí v semenech mnoha rostlin: cedr, arašídy, slunečnice, olivy. Obsah lipidů v buňkách se pohybuje od 5 do 90% (v tukové tkáni).
Steroidy a vosky se liší od tuků v tom, ženemají v molekulách zbytky mastných kyselin. Steroidy jsou tedy hormony kůry nadledvin, které ovlivňují pubertu těla a jsou složkami testosteronu. Vyskytují se také ve vitaminech (jako je vitamin D).
Hlavní funkce lipidů v buňce jsouenergetické, konstrukční a ochranné. První je způsoben tím, že 1 gram tuku, pokud se rozloží, poskytuje 38,9 kJ energie - mnohem více než jiné organické látky - bílkoviny a sacharidy. Kromě toho se během oxidace 1 g tuku uvolní téměř 1,1 g. voda. To je důvod, proč některá zvířata, která mají v těle zásobu tuku, mohou být dlouho bez vody. Například sysli mohou být v hibernaci déle než dva měsíce, aniž by potřebovali vodu, a velbloud nepije vodu, když přechází pouští po dobu 10–12 dnů.
Strukturní funkce lipidů ježe jsou nedílnou součástí buněčných membrán a jsou také součástí nervů. Ochrannou funkcí lipidů je, že vrstva tuku pod kůží kolem ledvin a dalších vnitřních orgánů je chrání před mechanickým poškozením. Specifická tepelně izolační funkce je vlastní zvířatům, která jsou ve vodě po dlouhou dobu: velryb, tuleňů a kožešin. Silná vrstva podkožního tuku, například u modré velryby, je 0,5 m, chrání zvíře před podchlazením.
Význam kyslíku v buněčném metabolismu
Aerobní organismy, které zahrnujídrtivá většina zvířat, rostlin a lidí používá atmosférický kyslík k reakcím energetického metabolismu, což vede k rozpadu organických látek a uvolnění určitého množství energie nahromaděné ve formě molekul kyseliny adenosintrifosforečné.
Takže s úplnou oxidací jednoho molu glukózyna mitochondriálních cristae se uvolní 2 800 kJ energie, z nichž 1596 kJ (55%) se uloží ve formě molekul ATP obsahujících vysokoenergetické vazby. Hlavní funkcí kyslíku v buňce je tedy provádění aerobního dýchání, které je založeno na skupině enzymatických reakcí takzvaného respiračního řetězce, ke kterým dochází v buněčných organelách - mitochondriích. U prokaryotických organismů - fototrofních bakterií a sinic - dochází k oxidaci živin působením kyslíku, který difunduje do buněk na vnitřních výrůstcích plazmatických membrán.
Studovali jsme chemickou organizaci buněk a také procesy biosyntézy proteinů a funkci kyslíku v metabolismu buněčné energie.
