Ende des 19. Jahrhunderts wurde die Industrie gegründetBiologie genannt Biochemie. Sie untersucht die chemische Zusammensetzung einer lebenden Zelle. Die Hauptaufgabe der Wissenschaft besteht darin, die Eigenschaften des Stoffwechsels und der Energie zu verstehen, die die lebenswichtige Aktivität pflanzlicher und tierischer Zellen regulieren.
Das Konzept der chemischen Zusammensetzung der Zelle
Als Ergebnis sorgfältiger Forschung wurden WissenschaftlerDie chemische Organisation von Zellen wurde untersucht und es wurde festgestellt, dass Lebewesen mehr als 85 chemische Elemente enthalten. Darüber hinaus sind einige von ihnen für fast alle Organismen erforderlich, während andere spezifisch sind und in bestimmten biologischen Arten vorkommen. Und die dritte Gruppe chemischer Elemente ist in relativ geringen Mengen in den Zellen von Mikroorganismen, Pflanzen und Tieren vorhanden. Chemische Elemente in der Zusammensetzung von Zellen liegen meist in Form von Kationen und Anionen vor, aus denen Mineralsalze und Wasser gebildet werden, und kohlenstoffhaltige organische Verbindungen werden synthetisiert: Kohlenhydrate, Proteine, Lipide.
Organogene Elemente
In der Biochemie gehören dazu Kohlenstoff, Wasserstoff,Sauerstoff und Stickstoff. Ihre Kombination macht 88 bis 97% der anderen chemischen Elemente in der Zelle aus. Kohlenstoff ist besonders wichtig. Alle organischen Substanzen in einer Zelle bestehen aus Molekülen, die Kohlenstoffatome enthalten. Sie können sich miteinander verbinden und Ketten (verzweigt und unverzweigt) sowie Zyklen bilden. Diese Fähigkeit der Kohlenstoffatome liegt der erstaunlichen Vielfalt organischer Substanzen zugrunde, aus denen das Zytoplasma und die zellulären Organellen bestehen.
Zum Beispiel besteht der innere Inhalt einer Zelle auslösliche Oligosaccharide, hydrophile Proteine, Lipide, verschiedene Arten von Ribonukleinsäuren: Transport-RNA, ribosomale RNA und Messenger-RNA sowie freie Monomere - Nukleotide. Der Zellkern hat eine ähnliche chemische Zusammensetzung. Es enthält auch Desoxyribonukleinsäuremoleküle, aus denen Chromosomen bestehen. Alle obigen Verbindungen enthalten Stickstoff-, Kohlenstoff-, Sauerstoff- und Wasserstoffatome. Dies ist ein Beweis für ihre besonders wichtige Bedeutung, da die chemische Organisation von Zellen vom Gehalt an organogenen Elementen abhängt, aus denen die Zellstrukturen bestehen: Hyaloplasma und Organellen.
Makronährstoffe und ihre Bedeutung
Chemische Elemente, die auch sehr häufig sindin den Zellen verschiedener Arten von Organismen gefunden, werden in der Biochemie Makroelemente genannt. Ihr Gehalt in der Zelle beträgt 1,2% - 1,9%. Die Makronährstoffe der Zelle umfassen: Phosphor, Kalium, Chlor, Schwefel, Magnesium, Calcium, Eisen und Natrium. Alle erfüllen wichtige Funktionen und sind Teil verschiedener zellulärer Organellen. Das Eisenion ist also in einem Blutprotein vorhanden - Hämoglobin, das Sauerstoff (in diesem Fall Oxyhämoglobin), Kohlendioxid (Carbohämoglobin) oder Kohlenmonoxid (Carboxyhämoglobin) transportiert.
Natriumionen liefern essentielle Speziesinterzellulärer Transport: die sogenannte Natrium-Kalium-Pumpe. Sie sind auch Teil der interstitiellen Flüssigkeit und des Blutplasmas. Magnesiumionen sind in Chlorophyllmolekülen (Photopigment höherer Pflanzen) vorhanden und nehmen am Prozess der Photosynthese teil, da sie Reaktionszentren bilden, die Photonen der Lichtenergie einfangen.
Calciumionen sorgen für die NervenleitungImpulse entlang der Fasern und sind auch der Hauptbestandteil von Osteozyten - Knochenzellen. Calciumverbindungen sind in der Welt der Wirbellosen weit verbreitet, deren Schalen aus Calciumcarbonat bestehen.
Chlorionen sind an der Aufladung der Zellmembranen beteiligt und sorgen für das Auftreten elektrischer Impulse, die der nervösen Erregung zugrunde liegen.
Schwefelatome sind Teil nativer Proteine und bestimmen deren Tertiärstruktur, indem sie die Polypeptidkette "vernähen", was zur Bildung eines kugelförmigen Proteinmoleküls führt.
Kaliumionen sind am Stofftransport beteiligtZellmembranen. Phosphoratome sind Teil einer so wichtigen energieintensiven Substanz wie Adenosintriphosphorsäure und sind auch ein wichtiger Bestandteil der Moleküle der Desoxyribonukleinsäure und Ribonukleinsäure, die die Hauptsubstanzen der zellulären Vererbung sind.
Funktionen von Spurenelementen im Zellstoffwechsel
Etwa 50 chemische Elemente, die weniger ausmachen0,1% in Zellen werden als Spurenelemente bezeichnet. Dazu gehören Zink, Molybdän, Jod, Kupfer, Kobalt, Fluor. Mit einem unbedeutenden Gehalt erfüllen sie sehr wichtige Funktionen, da sie Bestandteil vieler biologisch aktiver Substanzen sind.
Zinkatome finden sich beispielsweise in MolekülenInsulin (ein Pankreashormon, das den Blutzuckerspiegel reguliert), Jod ist ein wesentlicher Bestandteil der Schilddrüsenhormone Thyroxin und Trijodthyronin, die den Stoffwechsel im Körper steuern. Kupfer ist zusammen mit Eisenionen an der Hämatopoese (der Bildung von Erythrozyten, Blutplättchen und Leukozyten im roten Knochenmark von Wirbeltieren) beteiligt. Kupferionen sind Teil des Pigments Hämocyanin, das im Blut von Wirbellosen wie Weichtieren vorkommt. Daher ist ihre Hämolymphe blau.
Noch weniger Inhalt in der Zelle solcher Chemikalien cellElemente wie Blei, Gold, Brom, Silber. Sie werden als Ultraspurenelemente bezeichnet und kommen in pflanzlichen und tierischen Zellen vor. Chemische Analysen ergaben beispielsweise Goldionen in Maiskörnern. Bromatome sind in großer Zahl Teil der Zellen des Thallus von Braun- und Rotalgen wie Sargassum, Seetang, Fucus.
Alle oben genannten Beispiele und Fakten erklärenwie die chemische Zusammensetzung, Funktionen und Struktur der Zelle zusammenhängen. Die folgende Tabelle zeigt den Gehalt verschiedener chemischer Elemente in den Zellen lebender Organismen.
Allgemeine Eigenschaften organischer Stoffe
Chemische Eigenschaften von Zellen verschiedener GruppenOrganismen sind in gewisser Weise von Kohlenstoffatomen abhängig, deren Anteil mehr als 50% der Zellmasse beträgt. Fast die gesamte Trockenmasse einer Zelle wird durch Kohlenhydrate, Proteine, Nukleinsäuren und Lipide repräsentiert, die eine komplexe Struktur und ein hohes Molekulargewicht aufweisen. Solche Moleküle werden Makromoleküle (Polymere) genannt und bestehen aus einfacheren Elementen - Monomeren. Proteinsubstanzen spielen eine äußerst wichtige Rolle und erfüllen viele Funktionen, auf die im Folgenden eingegangen wird.
Die Rolle von Proteinen in der Zelle
Biochemische Analyse von Verbindungen, die im Lebenden enthalten sindder Zelle, bestätigt den hohen Gehalt an organischen Substanzen wie Proteinen darin. Dafür gibt es eine logische Erklärung: Proteine erfüllen verschiedene Funktionen und sind an allen Erscheinungsformen des Zelllebens beteiligt.
Die Schutzfunktion von Proteinen ist beispielsweisedie Bildung von Antikörpern - Immunglobuline, die von Lymphozyten produziert werden. Schutzproteine wie Thrombin, Fibrin und Thromboblastin sorgen für die Blutgerinnung und beugen Blutverlust bei Verletzungen vor. Die Zelle enthält komplexe Proteine der Zellmembranen, die die Fähigkeit haben, Fremdverbindungen - Antigene - zu erkennen. Sie ändern ihre Konfiguration und informieren die Zelle über mögliche Gefahren (Meldefunktion).
Einige Proteine haben eine regulatorische Funktion undsind Hormone, zum Beispiel Oxytocin, das vom Hypothalamus produziert wird, wird von der Hypophyse reserviert. Von dort in die Blutbahn gelangend, wirkt Oxytocin auf die Muskelwände der Gebärmutter und bewirkt, dass sie sich zusammenzieht. Das Protein Vasopressin hat auch eine regulatorische Funktion, indem es den Blutdruck kontrolliert.
Muskelzellen enthalten Aktin und Myosin,kontrahierbar, was die motorische Funktion des Muskelgewebes bestimmt. Proteine haben auch eine trophische Funktion, zum Beispiel dient Albumin dem Embryo als Nährstoff für seine Entwicklung. Blutproteine verschiedener Organismen, zum Beispiel Hämoglobin und Hämocyanin, tragen Sauerstoffmoleküle - sie erfüllen eine Transportfunktion. Werden energieverbrauchende Stoffe wie Kohlenhydrate und Lipide vollständig aufgebraucht, beginnt die Zelle, Proteine abzubauen. Ein Gramm dieser Substanz ergibt 17,2 kJ Energie. Eine der wichtigsten Funktionen von Proteinen ist katalytisch (Enzymproteine beschleunigen chemische Reaktionen in zytoplasmatischen Kompartimenten). Basierend auf dem oben Gesagten sind wir davon überzeugt, dass Proteine viele sehr wichtige Funktionen erfüllen und notwendigerweise Teil der tierischen Zelle sind.
Proteinbiosynthese
Betrachten Sie den Prozess der Proteinsynthese in einer Zelle,die im Zytoplasma durch Organellen wie Ribosomen auftritt. Aufgrund der Aktivität spezieller Enzyme unter Beteiligung von Calciumionen werden Ribosomen zu Polysomen zusammengefasst. Die Hauptfunktionen von Ribosomen in einer Zelle sind die Synthese von Proteinmolekülen, die mit dem Transkriptionsprozess beginnt. Als Ergebnis werden mRNA-Moleküle synthetisiert, an die Polysomen angelagert sind. Dann beginnt der zweite Prozess - das Senden. Transport-RNAs verbinden sich mit zwanzig verschiedenen Arten von Aminosäuren und bringen sie zu Polysomen, und da die Funktion von Ribosomen in einer Zelle die Synthese von Polypeptiden ist, bilden diese Organellen Komplexe mit tRNA, und Aminosäuremoleküle binden aneinander durch Peptidbindungen. Bildung eines Proteinmakromoleküls.
Die Rolle von Wasser bei Stoffwechselprozessen
Zytologische Studien haben die Tatsache bestätigtdass die Zelle, deren Struktur und Zusammensetzung wir untersuchen, im Durchschnitt zu 70 % aus Wasser besteht und bei vielen Tieren, die die aquatische Lebensweise führen (z. B. Coelenterate), 97-98% erreicht wird. Vor diesem Hintergrund umfasst die chemische Organisation von Zellen hydrophile (auflösbare) und hydrophobe (wasserabweisende) Substanzen. Als universelles polares Lösungsmittel spielt Wasser eine herausragende Rolle und beeinflusst nicht nur die Funktionen, sondern auch die Struktur der Zelle direkt. Die folgende Tabelle zeigt den Wassergehalt in den Zellen verschiedener Arten lebender Organismen.
Funktion der Kohlenhydrate in der Zelle
Wie wir vorhin herausgefunden haben, wichtiges BioStoffe - Polymere - umfassen auch Kohlenhydrate. Dazu gehören Polysaccharide, Oligosaccharide und Monosaccharide. Kohlenhydrate sind Teil komplexerer Komplexe - Glykolipide und Glykoproteine, aus denen Zellmembranen und Supramembranstrukturen, beispielsweise Glykokalyx, aufgebaut sind.
Kohlenhydrate enthalten neben Kohlenstoff auch AtomeSauerstoff und Wasserstoff, und einige Polysaccharide enthalten auch Stickstoff, Schwefel und Phosphor. In Pflanzenzellen gibt es viele Kohlenhydrate: Kartoffelknollen enthalten bis zu 90 % Stärke, Samen und Früchte enthalten bis zu 70 % Kohlenhydrate und in tierischen Zellen kommen sie in Form von Verbindungen wie Glykogen, Chitin und Trehalose vor.
Einfache Zucker (Monosaccharide) haben eine gemeinsame FormelCnH2nOn und werden in Tetrosen, Triosen, Pentosen und Hexosen unterteilt. Die letzten beiden kommen am häufigsten in Zellen lebender Organismen vor, zum Beispiel sind Ribose und Desoxyribose Teil von Nukleinsäuren, während Glucose und Fructose an Assimilations- und Dissimilationsreaktionen beteiligt sind. Oligosaccharide kommen häufig in Pflanzenzellen vor: Saccharose wird in den Zellen von Zuckerrüben und Zuckerrohr gespeichert, Maltose findet sich in gekeimten Karyopsen von Roggen und Gerste.
Disaccharide haben einen süßlichen Geschmack und sind gutin Wasser auflösen. Polysaccharide, die Biopolymere sind, werden hauptsächlich durch Stärke, Cellulose, Glykogen und Laminarin repräsentiert. Chitin gehört zu den Strukturformen der Polysaccharide. Die Hauptfunktion von Kohlenhydraten in der Zelle ist Energie. Durch Hydrolyse und Energiestoffwechselreaktionen werden Polysaccharide zu Glucose abgebaut und anschließend zu Kohlendioxid und Wasser oxidiert. Als Ergebnis setzt ein Gramm Glukose 17,6 kJ Energie frei, und Stärke- und Glykogenspeicher sind tatsächlich ein Reservoir für zelluläre Energie.
Glykogen wird hauptsächlich im Muskel abgelagertLebergewebe und -zellen, Pflanzenstärke - in Knollen, Zwiebeln, Wurzeln, Samen und in Gliederfüßern wie Spinnen, Insekten und Krebstieren spielt das Oligosaccharid Trehalose die Hauptrolle bei der Energieversorgung.
Kohlenhydrate unterscheiden sich von Lipiden und Proteinendie Fähigkeit zur sauerstofffreien Spaltung. Dies ist äußerst wichtig für Organismen, die unter Sauerstoffmangel oder -mangel leben, zum Beispiel für anaerobe Bakterien und Helminthen - Parasiten von Mensch und Tier.
Es gibt eine andere Funktion von Kohlenhydraten in der Zelle -Konstruktion (strukturell). Es liegt darin, dass diese Stoffe die Stützstrukturen der Zellen sind. Cellulose ist beispielsweise Teil der Zellwände von Pflanzen, Chitin bildet das äußere Skelett vieler Wirbelloser und kommt in Pilzzellen vor, Olysaccharide bilden zusammen mit Lipid- und Proteinmolekülen eine Glykokalyx - einen Supramembran-Komplex. Es sorgt für Adhäsion - die Adhäsion von tierischen Zellen aneinander, die zur Bildung von Geweben führt.
Lipide: Struktur und Funktion
Diese organischen Stoffe sindhydrophob (wasserunlöslich) können gewonnen werden, d. h. mit unpolaren Lösungsmitteln wie Aceton oder Chloroform aus Zellen extrahiert werden. Die Funktionen von Lipiden in der Zelle hängen davon ab, zu welcher der drei Gruppen sie gehören: Fette, Wachse oder Steroide. Fette kommen in allen Zelltypen am häufigsten vor.
Tiere reichern sie im Unterhautfettgewebe an.Faser enthält Nervengewebe Fett in Form von Myelinscheiden von Nerven. Es reichert sich auch in den Nieren, der Leber und in Insekten an - im Fettkörper. Flüssige Fette - Öle - finden sich in den Samen vieler Pflanzen: Zeder, Erdnüsse, Sonnenblumen, Oliven. Der Lipidgehalt in Zellen reicht von 5 bis 90 % (im Fettgewebe).
Steroide und Wachse unterscheiden sich von Fetten dadurch, dass siehaben keine Fettsäurereste in den Molekülen. Steroide sind also Hormone der Nebennierenrinde, die die Pubertät im Körper beeinflussen und Bestandteile von Testosteron sind. Sie sind auch in Vitaminen (wie Vitamin D) enthalten.
Die Hauptfunktionen von Lipiden in der Zelle sindEnergie, Bau und Schutz. Der erste ist darauf zurückzuführen, dass 1 Gramm Fett, wenn es abgebaut wird, 38,9 kJ Energie liefert - viel mehr als andere organische Substanzen - Proteine und Kohlenhydrate. Außerdem werden bei der Oxidation von 1 g Fett fast 1,1 g freigesetzt. Wasser. Aus diesem Grund können einige Tiere, die einen Fettvorrat in ihrem Körper haben, lange Zeit ohne Wasser sein. Zum Beispiel können Erdhörnchen mehr als zwei Monate im Winterschlaf sein, ohne Wasser zu benötigen, und ein Kamel trinkt kein Wasser, wenn es die Wüste für 10–12 Tage durchquert.
Die strukturelle Funktion von Lipiden istdass sie ein integraler Bestandteil der Zellmembranen und auch Teil der Nerven sind. Die Schutzfunktion von Lipiden besteht darin, dass eine Fettschicht unter der Haut um die Nieren und andere innere Organe sie vor mechanischen Verletzungen schützt. Tieren, die sich lange im Wasser aufhalten: Walen, Robben und Pelzrobben, kommt eine besondere wärmeisolierende Funktion zu. Die dicke subkutane Fettschicht zum Beispiel bei einem Blauwal beträgt 0,5 m, sie schützt das Tier vor Unterkühlung.
Die Bedeutung von Sauerstoff im Zellstoffwechsel
Aerobe Organismen, zu denendie überwiegende Mehrheit der Tiere, Pflanzen und Menschen nutzt Luftsauerstoff für Reaktionen des Energiestoffwechsels, die zum Abbau organischer Stoffe und zur Freisetzung einer bestimmten Menge an Energie, die in Form von Adenosintriphosphorsäuremolekülen angesammelt wurde, führen.
Mit der vollständigen Oxidation von einem Mol Glukose,An den Cristae der Mitochondrien werden 2800 kJ Energie freigesetzt, von denen 1596 kJ (55%) in Form von ATP-Molekülen mit hochenergetischen Bindungen gespeichert werden. Somit ist die Hauptfunktion von Sauerstoff in der Zelle die Durchführung der aeroben Atmung, die auf einer Gruppe von enzymatischen Reaktionen der sogenannten Atmungskette basiert, die in Zellorganellen - Mitochondrien - auftreten. In prokaryotischen Organismen - phototrophen Bakterien und Cyanobakterien - erfolgt die Oxidation von Nährstoffen unter dem Einfluss von Sauerstoff, der über die inneren Auswüchse der Plasmamembranen in die Zellen diffundiert.
Wir haben die chemische Organisation von Zellen untersucht und auch die Prozesse der Proteinbiosynthese und die Funktion von Sauerstoff im zellulären Energiestoffwechsel betrachtet.
