I slutningen af 1800-tallet blev industrien dannetbiologi kaldet biokemi. Hun studerer den kemiske sammensætning af en levende celle. Videnskabens hovedopgave er at forstå egenskaberne ved metabolisme og energi, som regulerer plante- og dyrecellernes vitale aktivitet.
Begrebet cellens kemiske sammensætning
Som et resultat af omhyggelig forskning har videnskabsmænd væretden kemiske organisering af celler er blevet undersøgt, og det er blevet fastslået, at levende ting indeholder mere end 85 kemiske grundstoffer. Desuden er nogle af dem nødvendige for næsten alle organismer, mens andre er specifikke og findes i specifikke biologiske arter. Og den tredje gruppe af kemiske elementer er til stede i cellerne i mikroorganismer, planter og dyr i ret små mængder. Kemiske elementer i sammensætningen af celler er oftest i form af kationer og anioner, hvorfra mineralsalte og vand dannes, og kulstofholdige organiske forbindelser syntetiseres: kulhydrater, proteiner, lipider.
Organogene elementer
I biokemi omfatter disse kulstof, brint,ilt og nitrogen. Deres kombination udgør fra 88 til 97% af de andre kemiske grundstoffer i cellen. Kulstof er især vigtigt. Alle organiske stoffer i en celle er sammensat af molekyler, der indeholder kulstofatomer. De er i stand til at forbinde med hinanden og danne kæder (forgrenede og uforgrenede) såvel som cyklusser. Denne evne af kulstofatomer ligger til grund for den fantastiske variation af organiske stoffer, der udgør cytoplasmaet og cellulære organeller.
For eksempel består det indre indhold af en celle afopløselige oligosaccharider, hydrofile proteiner, lipider, forskellige typer ribonukleinsyre: transport-RNA, ribosomalt RNA og messenger-RNA samt frie monomerer - nukleotider. Cellekernen har en lignende kemisk sammensætning. Det indeholder også deoxyribonukleinsyremolekyler, der udgør kromosomer. Alle de ovennævnte forbindelser indeholder nitrogen-, kulstof-, oxygen- og hydrogenatomer. Dette er bevis på deres særligt vigtige betydning, da den kemiske organisering af celler afhænger af indholdet af organogene elementer, der udgør cellestrukturerne: hyaloplasma og organeller.
Makronæringsstoffer og deres betydning
Kemiske grundstoffer, der også er meget almindeligefindes i cellerne i forskellige typer organismer, i biokemi kaldes de makroelementer. Deres indhold i cellen er 1,2% - 1,9%. Cellens makronæringsstoffer omfatter: fosfor, kalium, klor, svovl, magnesium, calcium, jern og natrium. Alle af dem udfører vigtige funktioner og er en del af forskellige cellulære organeller. Så ionen af jernholdigt jern er til stede i et blodprotein - hæmoglobin, som transporterer ilt (i dette tilfælde kaldes det oxyhæmoglobin), carbondioxid (carbohæmoglobin) eller carbonmonoxid (carboxyhæmoglobin).
Natriumioner giver essentielle arterintercellulær transport: den såkaldte natrium-kalium-pumpe. De er også en del af den interstitielle væske og blodplasma. Magnesiumioner er til stede i klorofylmolekyler (fotopigment af højere planter) og deltager i fotosynteseprocessen, da de danner reaktionscentre, der fanger fotoner af lysenergi.
Calciumioner sørger for nerveledningimpulser langs fibrene, og er også hovedbestanddelen af osteocytter - knogleceller. Calciumforbindelser er udbredt i hvirvelløse dyrs verden, hvor skallerne er sammensat af calciumcarbonat.
Klorioner deltager i genopladningen af cellemembraner og giver forekomsten af elektriske impulser, der ligger til grund for nervøs spænding.
Svovlatomer er en del af native proteiner og bestemmer deres tertiære struktur, "hæfter" polypeptidkæden, hvilket resulterer i dannelsen af et kugleformet proteinmolekyle.
Kaliumioner er involveret i transporten af stoffer igennemcellemembraner. Fosforatomer er en del af et så vigtigt energiforbrugende stof som adenosintriphosphorsyre og er også en vigtig bestanddel af molekylerne af deoxyribonukleinsyre og ribonukleinsyre, som er hovedstofferne i cellulær arv.
Funktioner af sporstoffer i cellulær metabolisme
Omkring 50 kemiske grundstoffer, der udgør færre0,1% i celler kaldes sporstoffer. Disse omfatter zink, molybdæn, jod, kobber, kobolt, fluor. Med et ubetydeligt indhold udfører de meget vigtige funktioner, da de er en del af mange biologisk aktive stoffer.
For eksempel findes zinkatomer i molekylerinsulin (et hormon i bugspytkirtlen, der regulerer blodsukkeret), jod er en integreret del af skjoldbruskkirtelhormonerne thyroxin og triiodothyronin, som styrer stofskiftet i kroppen. Kobber er sammen med jernioner involveret i hæmatopoiesis (dannelsen af erytrocytter, blodplader og leukocytter i den røde knoglemarv hos hvirveldyr). Kobberioner er en del af pigmentet hæmocyanin, som er til stede i blodet hos hvirvelløse dyr som bløddyr. Derfor er deres hæmolymfefarve blå.
Endnu mindre indhold i cellen af et sådant kemikalieelementer som bly, guld, brom, sølv. De kaldes ultrasporelementer og findes i plante- og dyreceller. For eksempel afslørede kemisk analyse guldioner i majskerner. Bromatomer i store mængder er en del af cellerne i thallus af brune og røde alger, såsom sargassum, tang, fucus.
Alle de eksempler og fakta, der er citeret ovenfor, forklarerhvordan cellens kemiske sammensætning, funktioner og struktur hænger sammen. Tabellen nedenfor viser indholdet af forskellige kemiske grundstoffer i levende organismers celler.
Generelle karakteristika for organiske stoffer
Kemiske egenskaber af celler i forskellige grupperorganismer på en vis måde er afhængige af kulstofatomer, hvis andel er mere end 50 % af cellemassen. Næsten alt tørstof i en celle er repræsenteret af kulhydrater, proteiner, nukleinsyrer og lipider, som har en kompleks struktur og høj molekylvægt. Sådanne molekyler kaldes makromolekyler (polymerer) og er sammensat af simplere grundstoffer - monomerer. Proteinstoffer spiller en ekstremt vigtig rolle og udfører mange funktioner, som vil blive diskuteret nedenfor.
Proteinernes rolle i cellen
Biokemisk analyse af forbindelser inkluderet i det levendecelle, bekræfter det høje indhold af organiske stoffer såsom proteiner i den. Der er en logisk forklaring på dette faktum: proteiner udfører forskellige funktioner og er involveret i alle manifestationer af cellulær aktivitet.
For eksempel er proteiners beskyttende funktiondannelsen af antistoffer - immunglobuliner produceret af lymfocytter. Beskyttende proteiner som trombin, fibrin og tromboblastin sikrer blodkoagulation og forhindrer blodtab i tilfælde af skade. Cellen indeholder komplekse proteiner af cellemembraner, der har evnen til at genkende fremmede forbindelser - antigener. De ændrer deres konfiguration og informerer cellen om potentiel fare (signaleringsfunktion).
Nogle proteiner har en regulerende funktion oger hormoner, for eksempel oxytocin, produceret af hypothalamus, er reserveret af hypofysen. Når det kommer fra det til blodbanen, virker oxytocin på livmoderens muskelvægge, hvilket får det til at trække sig sammen. Proteinet vasopressin har også en regulerende funktion ved at kontrollere blodtrykket.
Muskelceller indeholder actin og myosin,i stand til at trække sig sammen, hvilket bestemmer muskelvævets motoriske funktion. Proteiner har også en trofisk funktion, for eksempel bruges albumin af embryonet som næringsstof til dets udvikling. Blodproteiner fra forskellige organismer, for eksempel hæmoglobin og hæmocyanin, bærer iltmolekyler - de udfører en transportfunktion. Hvis mere energikrævende stoffer som kulhydrater og lipider er helt brugt op, begynder cellen at nedbryde proteiner. Et gram af dette stof giver 17,2 kJ energi. En af proteinernes vigtigste funktioner er katalytisk (enzymproteiner fremskynder kemiske reaktioner i cytoplasmatiske rum). Baseret på ovenstående er vi overbevist om, at proteiner udfører mange meget vigtige funktioner og nødvendigvis er en del af dyrecellen.
Proteins biosyntese
Overvej processen med proteinsyntese i en celle,som opstår i cytoplasmaet gennem organeller såsom ribosomer. På grund af aktiviteten af specielle enzymer, med deltagelse af calciumioner, kombineres ribosomer til polysomer. De vigtigste funktioner af ribosomer i cellen er syntesen af proteinmolekyler, som begynder med transkriptionsprocessen. Som et resultat syntetiseres mRNA-molekyler, hvortil polysomer er knyttet. Så begynder den anden proces - udsendelse. Transport-RNA'er kombineres med tyve forskellige typer aminosyrer og bringer dem til polysomer, og da ribosomers funktion i en celle er syntesen af polypeptider, danner disse organeller komplekser med tRNA, og aminosyremolekyler binder sig til hinanden ved hjælp af peptidbindinger, danner et protein makromolekyle.
Vands rolle i metaboliske processer
Cytologiske undersøgelser har bekræftet dette faktumat cellen, hvis struktur og sammensætning vi studerer, i gennemsnit er 70 % vand, og hos mange dyr, der fører den akvatiske levevis (f.eks. coelenterater), når dens indhold op på 97-98 %. Med dette i tankerne omfatter den kemiske organisering af celler hydrofile (i stand til at opløse) og hydrofobe (vandafvisende) stoffer. Som et universelt polært opløsningsmiddel spiller vand en enestående rolle og påvirker ikke kun funktionerne, men også selve cellens struktur. Tabellen nedenfor viser vandindholdet i cellerne i forskellige typer levende organismer.
Kulhydraternes funktion i cellen
Som vi fandt ud af tidligere, vigtigt økologiskstoffer - polymerer - omfatter også kulhydrater. Disse omfatter polysaccharider, oligosaccharider og monosaccharider. Kulhydrater er en del af mere komplekse komplekser - glykolipider og glykoproteiner, som cellemembraner og supramembranstrukturer, såsom glycocalyx, er bygget af.
Ud over kulstof indeholder kulhydrater atomeroxygen og brint, og nogle polysaccharider indeholder også nitrogen, svovl og fosfor. Der er mange kulhydrater i planteceller: kartoffelknolde indeholder op til 90 % stivelse, frø og frugter indeholder op til 70 % kulhydrater, og i dyreceller findes de i form af forbindelser som glykogen, kitin og trehalose.
Simple sukkerarter (monosaccharider) har en fælles formelCnH2nOn og er opdelt i tetroser, trioser, pentoser og hexoser. De to sidste er mest almindelige i levende organismers celler, for eksempel er ribose og deoxyribose en del af nukleinsyrer, mens glucose og fructose er involveret i assimilerings- og dissimileringsreaktioner. Oligosaccharider findes ofte i planteceller: saccharose lagres i cellerne i sukkerroer og sukkerrør, maltose findes i spirede caryopser af rug og byg.
Disakkarider har en sødlig smag og er godeopløses i vand. Polysaccharider, som er biopolymerer, er hovedsageligt repræsenteret af stivelse, cellulose, glykogen og laminarin. Chitin tilhører de strukturelle former for polysaccharider. Kulhydraternes hovedfunktion i cellen er energi. Som et resultat af hydrolyse- og energimetabolismereaktioner nedbrydes polysaccharider til glucose, og det oxideres derefter til kuldioxid og vand. Som et resultat frigiver et gram glukose 17,6 kJ energi, og stivelses- og glykogenlagre er i virkeligheden et reservoir af cellulær energi.
Glykogen aflejres hovedsageligt i musklerlevervæv og -celler, plantestivelse - i knolde, løg, rødder, frø, og i leddyr, såsom edderkopper, insekter og krebsdyr, spiller oligosaccharidet trehalose hovedrollen i energiforsyningen.
Kulhydrater er forskellige fra lipider og proteinerevnen til iltfri spaltning. Dette er ekstremt vigtigt for organismer, der lever under forhold med iltmangel eller iltmangel, for eksempel for anaerobe bakterier og helminths - parasitter af mennesker og dyr.
Der er en anden funktion af kulhydrater i cellen -konstruktion (strukturel). Det ligger i det faktum, at disse stoffer er cellernes støttestrukturer. For eksempel er cellulose en del af plantecellevægge, kitin danner det ydre skelet hos mange hvirvelløse dyr og findes i svampeceller, olysaccharider danner sammen med lipid- og proteinmolekyler en glycocalyx - et supramembrankompleks. Det giver adhæsion - adhæsionen af dyreceller til hinanden, hvilket fører til dannelsen af væv.
Lipider: struktur og funktion
Disse organiske stoffer erhydrofob (vanduopløselig) kan genvindes, det vil sige ekstraheres fra celler under anvendelse af ikke-polære opløsningsmidler såsom acetone eller chloroform. Lipidernes funktioner i cellen afhænger af, hvilken af de tre grupper de tilhører: fedtstoffer, voks eller steroider. Fedt er mest udbredt i alle typer celler.
Dyr ophober dem i det subkutane fedt.fiber, nervevæv indeholder fedt i form af myelinskeder af nerver. Det akkumuleres også i nyrerne, leveren og i insekter - i den fede krop. Flydende fedtstoffer - olier - findes i frøene fra mange planter: cedertræ, jordnødder, solsikke, oliven. Lipidindholdet i celler varierer fra 5 til 90% (i fedtvæv).
Steroider og voks adskiller sig fra fedtstoffer ved, at deikke har fedtsyrerester i molekylerne. Så steroider er hormoner i binyrebarken, der påvirker puberteten i kroppen og er komponenter i testosteron. De findes også i vitaminer (såsom D-vitamin).
De vigtigste funktioner af lipider i cellen erenergi, konstruktion og beskyttelse. Den første skyldes, at 1 gram fedt, når det er nedbrudt, giver 38,9 kJ energi – meget mere end andre organiske stoffer – proteiner og kulhydrater. Derudover frigives der ved oxidationen af 1 g fedt næsten 1,1 g. vand. Det er derfor, nogle dyr, der har en forsyning af fedt i deres krop, kan være uden vand i lang tid. For eksempel kan jordegern være i dvale i mere end to måneder uden at have brug for vand, og en kamel drikker ikke vand, når den krydser ørkenen i 10-12 dage.
Lipiders strukturelle funktion erat de er en integreret del af cellemembraner, og også er en del af nerverne. Lipiders beskyttende funktion er, at et fedtlag under huden omkring nyrerne og andre indre organer beskytter dem mod mekanisk skade. En specifik varmeisolerende funktion er iboende hos dyr, der er i vandet i lang tid: hvaler, sæler og pelssæler. Det tykke subkutane fedtlag, for eksempel i en blåhval, er 0,5 m, det beskytter dyret mod hypotermi.
Betydningen af oxygen i cellulært stofskifte
Aerobe organismer, som bl.adet overvældende flertal af dyr, planter og mennesker bruger atmosfærisk ilt til energimetabolismereaktioner, der fører til nedbrydning af organiske stoffer og frigivelse af en vis mængde energi akkumuleret i form af adenosintrifosforsyremolekyler.
Så med den fuldstændige oxidation af et mol glucose,forekommer på mitokondriers cristae, frigives 2800 kJ energi, hvoraf 1596 kJ (55%) er lagret i form af ATP-molekyler indeholdende højenergibindinger. Således er iltens hovedfunktion i cellen implementeringen af aerob respiration, som er baseret på en gruppe enzymatiske reaktioner af den såkaldte respirationskæde, der forekommer i celleorganeller - mitokondrier. I prokaryote organismer - fototrofiske bakterier og cyanobakterier - sker oxidationen af næringsstoffer under påvirkning af ilt, som diffunderer ind i celler på de indre udvækster af plasmamembraner.
Vi har studeret den kemiske organisering af celler og også overvejet processerne for proteinbiosyntese og iltens funktion i cellulær energimetabolisme.
