På slutten av 1800-tallet ble det dannet en industribiologi kalt 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 nøye forskning har forskereden kjemiske organiseringen av celler har blitt studert og det har blitt fastslått at levende vesener inneholder mer enn 85 kjemiske elementer. 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. Kjemiske elementer i sammensetningen av celler er oftest i form av kationer og anioner, hvorfra mineralsalter og vann dannes, og også karbonholdige organiske forbindelser syntetiseres: karbohydrater, proteiner, lipider.
Organogene 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 er det indre av en celleløselige oligosakkarider, hydrofile proteiner, lipider, ulike typer ribonukleinsyre: overførings-RNA, ribosomalt 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 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.
Makronæringsstoffer og deres betydning
Kjemiske grunnstoffer som også er svært vanligefinnes i cellene til ulike typer organismer, i biokjemi kalles de makronæringsstoffer. 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 ulike celleorganeller. Så jernholdig ion er tilstede i blodproteinet - hemoglobin, som transporterer oksygen (i dette tilfellet kalles det oksyhemoglobin), karbondioksid (karbohemoglobin) eller karbonmonoksid (karboksyhemoglobin).
Natriumioner gir den viktigste formenintercellulær transport: den såkalte 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 gir nerveledningimpulser langs fibrene, og er også hovedkomponenten i osteocytter - beinceller. Kalsiumforbindelser er utbredt i verden av virvelløse dyr, hvis skall er sammensatt av kalsiumkarbonat.
Klorioner deltar i oppladingen 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 "tverrbinde" polypeptidkjeden, noe som resulterer i dannelsen av et kuleformet proteinmolekyl.
Kaliumioner er involvert i transport av stoffer gjennomcellemembraner. 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 cellulær metabolisme
Omtrent 50 kjemiske grunnstoffer som utgjør mindre enn0,1 % i celler kalles sporelementer. Disse inkluderer sink, molybden, jod, kobber, kobolt, fluor. Med et lite innhold utfører de svært viktige funksjoner, da de er en del av mange biologisk aktive stoffer.
For eksempel finnes sinkatomer i molekylerinsulin (bukspyttkjertelhormon som regulerer blodsukkernivået), jod er en integrert del av skjoldbruskkjertelhormonene - tyroksin og trijodtyronin, som kontrollerer stoffskiftet i kroppen. 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 er tilstede i blodet til virvelløse dyr, for eksempel bløtdyr. Derfor er fargen på hemolymfen blå.
Enda mindre innhold i cellen av slike kjemikalierelementer 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 tidligere eksempler og fakta forklarerhvordan 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 grupperorganismer på en viss måte er avhengige 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 forbindelser inkludert i levendecelle, bekrefter det høye innholdet i den av slike organiske stoffer som proteiner. Det er en logisk forklaring på dette faktum: proteiner utfører forskjellige funksjoner og deltar i alle manifestasjoner av cellulært liv.
For eksempel er den beskyttende funksjonen til proteinerdannelsen 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 oger hormoner, for eksempel er oksytocin produsert av hypothalamus reservert av hypofysen. Når det kommer fra det inn i blodet, virker oksytocin på livmorens muskelvegger, og får det til å trekke seg sammen. Proteinet vasopressin har også en regulerende funksjon, som kontrollerer blodtrykket.
Muskelceller inneholder aktin og myosin.i stand til å trekke seg sammen, noe som bestemmer muskelvevets motoriske funksjon. Proteiner har også en trofisk funksjon, for eksempel brukes albumin av embryoet som næringsstoff for dets utvikling. Blodproteiner fra forskjellige organismer, som hemoglobin og hemocyanin, bærer oksygenmolekyler - de utfører en transportfunksjon. Hvis mer energikrevende stoffer, som karbohydrater og lipider, brukes 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). På grunnlag av det foregående var vi overbevist om at proteiner utfører mange svært viktige funksjoner og nødvendigvis er en del av dyrecellen.
Proteins biosyntese
Tenk på prosessen med proteinsyntese i en celle,som oppstår 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. Overførings-RNA-er kombineres med tjue forskjellige typer aminosyrer og bringer dem til polysomer, og siden funksjonene til ribosomer i en celle er syntese av polypeptider, danner disse organellene komplekser med tRNA, og aminosyremolekyler er knyttet sammen med peptidbindinger, og danner en protein makromolekyl.
Vannets rolle i metabolske prosesser
Cytologiske studier bekreftet det faktum atat cellen, hvis struktur og sammensetning vi studerer, er i gjennomsnitt 70% vann, og hos mange dyr som lever en akvatisk levemåte (for eksempel coelenterater), når innholdet 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.
Funksjon av karbohydrater i cellen
Som vi fant ut tidligere, viktig organiskstoffer – polymerer – inkluderer også karbohydrater. Disse inkluderer polysakkarider, oligosakkarider og monosakkarider. Karbohydrater er en del av mer komplekse komplekser - glykolipider og glykoproteiner, fra hvilke cellemembraner og supramembranstrukturer, som glykokalyxen, er bygget.
I tillegg til karbon inneholder karbohydrater også atomeroksygen og hydrogen, og noen polysakkarider inneholder også nitrogen, svovel og fosfor. Det er mye karbohydrater i planteceller: potetknoller inneholder 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 formelenCnH2nOn og er delt inn i tetroser, trioser, pentoser og heksoser. De to siste er vanligst 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, maltose finnes i spiret korn av rug og bygg.
Disakkarider har en søtlig smak og er godeløses opp i vann. Polysakkarider, som er biopolymerer, er hovedsakelig representert av stivelse, cellulose, glykogen og laminarin. Kitin er en av de strukturelle formene for polysakkarider. Hovedfunksjonen til karbohydrater i cellen er energi. Som et resultat av hydrolyse- og energimetabolismereaksjoner brytes polysakkarider ned til glukose, som deretter oksideres til karbondioksid og vann. Som et resultat frigjør ett gram glukose 17,6 kJ energi, og reservene av stivelse og glykogen er faktisk et reservoar av cellulær energi.
Glykogen lagres hovedsakelig i musklervev og leverceller, plantestivelse - i knoller, løker, røtter, frø, og i leddyr, som edderkopper, insekter og krepsdyr, spilles hovedrollen i energiforsyningen av oligosakkarid trehalose.
Karbohydrater er forskjellig fra lipider og proteinerevne til å dekomponere oksygenfritt. Dette er ekstremt viktig for organismer som lever under forhold med mangel eller fravær av oksygen, for eksempel for anaerobe bakterier og helminths - parasitter av mennesker og dyr.
Det er en annen funksjon av karbohydrater i cellen -konstruksjon (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 glykokalyxen - et supramembrankompleks. Det sikrer vedheft - kleber av dyreceller sammen, noe som fører til dannelse av vev.
Lipider: struktur og funksjoner
Disse organiske stoffene, som erhydrofob (uløselig 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 tre grupper de tilhører: fett, voks eller steroider. Fett er det mest utbredte i alle celletyper.
Dyr samler dem i underhudsfettetfiber, inneholder nervevev fett i form av myelinskjedene til nervene. Det akkumuleres også i nyrene, leveren og i insekter - i fettkroppen. Flytende fett - oljer - finnes i frøene til mange planter: sedertre, peanøtter, solsikker, oliven. Lipidinnholdet i cellene varierer fra 5 til 90 % (i fettvev).
Steroider og voks skiller seg fra fett ved at deinneholder ikke fettsyrerester i molekylene sine. Dermed er steroider hormoner i binyrebarken som påvirker puberteten og er komponenter av testosteron. De finnes også i vitaminer (som vitamin D).
Hovedfunksjonene til lipider i cellen erenergi, konstruksjon og beskyttelse. Den første skyldes at 1 gram fett, når det brytes ned, gir 38,9 kJ energi – mye mer enn andre organiske stoffer – proteiner og karbohydrater. I tillegg, når 1 g fett oksideres, frigjøres nesten 1,1 g. vann. Dette er grunnen til at noen dyr, som har en reserve av fett i kroppen, kan være uten vann i lang tid. For eksempel kan gophere gå i dvale i mer enn to måneder uten å trenge vann, og en kamel drikker ikke vann når de krysser ørkenen i 10–12 dager.
Konstruksjonsfunksjonen til lipider erat de er en integrert del av cellemembraner og også er en del av nervene. Den beskyttende funksjonen til lipider er at fettlaget under huden rundt nyrene og andre indre organer beskytter dem mot mekanisk skade. En spesifikk termisk isolasjonsfunksjon er iboende hos dyr som tilbringer lang tid i vann: hval, sel, pelssel. Det tykke subkutane fettlaget, for eksempel i blåhvalen, er 0,5 m, det beskytter dyret mot hypotermi.
Betydningen av oksygen i cellulær metabolisme
Aerobe organismer, som inkludererDe aller fleste dyr, planter og mennesker bruker atmosfærisk oksygen til energimetabolismereaksjoner, noe som fører til nedbrytning av organiske stoffer og frigjøring av en viss mengde energi, akkumulert i form av adenosintrifosforsyremolekyler.
Dermed, med fullstendig oksidasjon av en mol glukose,forekommer på mitokondrielle cristae, frigjøres 2800 kJ energi, hvorav 1596 kJ (55%) er lagret i form av ATP-molekyler som inneholder høyenergibindinger. Dermed er hovedfunksjonen til oksygen i cellen å utføre aerob respirasjon, som er basert på en gruppe enzymatiske reaksjoner av den såkalte respirasjonskjeden, som forekommer i cellulære organeller - mitokondrier. I prokaryote organismer - fototrofe bakterier og cyanobakterier - skjer oksidasjonen av næringsstoffer under påvirkning av oksygen som diffunderer inn i cellene på de indre utvekstene av plasmamembranene.
Vi studerte den kjemiske organiseringen av celler, og undersøkte også prosessene for proteinbiosyntese og oksygenets funksjon i cellulær energimetabolisme.
