I slutet av 1800-talet bildades industrinbiologi som kallas biokemi. Hon studerar den kemiska sammansättningen av en levande cell. Vetenskapens huvuduppgift är att förstå egenskaperna hos metabolism och energi, som reglerar den vitala aktiviteten hos växt- och djurceller.
Begreppet cellens kemiska sammansättning
Som ett resultat av noggrann forskning har forskare varitden kemiska organisationen av celler har studerats och det har konstaterats att levande varelser innehåller mer än 85 kemiska grundämnen. Dessutom krävs några av dem för nästan alla organismer, medan andra är specifika och finns i specifika biologiska arter. Och den tredje gruppen av kemiska element finns i cellerna hos mikroorganismer, växter och djur i ganska små mängder. Kemiska element i cellsammansättningen är oftast i form av katjoner och anjoner, från vilka mineralsalter och vatten bildas, och kolhaltiga organiska föreningar syntetiseras: kolhydrater, proteiner, lipider.
Organogena element
Inom biokemi inkluderar dessa kol, väte,syre och kväve. Deras kombination utgör från 88 till 97% av de andra kemiska elementen i cellen. Kol är särskilt viktigt. Alla organiska ämnen i en cell är sammansatta av molekyler som innehåller kolatomer. De kan ansluta med varandra, bilda kedjor (grenade och ogrenade), såväl som cykler. Denna förmåga hos kolatomer ligger till grund för den fantastiska variationen av organiska ämnen som utgör cytoplasman och cellorganellerna.
Till exempel består det inre innehållet i en cell avlösliga oligosackarider, hydrofila proteiner, lipider, olika typer av ribonukleinsyra: transport-RNA, ribosomalt RNA och budbärar-RNA, samt fria monomerer - nukleotider. Cellkärnan har en liknande kemisk sammansättning. Den innehåller också deoxiribonukleinsyramolekyler som utgör kromosomerna. Alla ovanstående föreningar innehåller kväve-, kol-, syre- och väteatomer. Detta är ett bevis på deras särskilt viktiga betydelse, eftersom den kemiska organisationen av celler beror på innehållet av organogena element som utgör de cellulära strukturerna: hyaloplasma och organeller.
Makronäringsämnen och deras betydelser
Kemiska grundämnen som också är mycket vanligafinns i cellerna hos olika typer av organismer, inom biokemin kallas de makroelement. Deras innehåll i cellen är 1,2% - 1,9%. Makronäringsämnena i cellen inkluderar: fosfor, kalium, klor, svavel, magnesium, kalcium, järn och natrium. Alla av dem utför viktiga funktioner och är en del av olika cellulära organeller. Så järnjonen finns i ett blodprotein - hemoglobin, som transporterar syre (i det här fallet kallas det oxihemoglobin), koldioxid (karbohemoglobin) eller kolmonoxid (karboxihemoglobin).
Natriumjoner tillhandahåller viktiga arterintercellulär transport: den så kallade natrium-kaliumpumpen. De är också en del av interstitiell vätska och blodplasma. Magnesiumjoner finns i klorofyllmolekyler (fotopigment av högre växter) och deltar i processen för fotosyntes, eftersom de bildar reaktionscentra som fångar fotoner av ljusenergi.
Kalciumjoner ger nervledningimpulser längs fibrerna, och är också huvudkomponenten i osteocyter - benceller. Kalciumföreningar är utbredda i ryggradslösa djurs värld, där skalen är sammansatta av kalciumkarbonat.
Klorjoner deltar i laddningen av cellmembran och ger uppkomsten av elektriska impulser som ligger till grund för nervös spänning.
Svavelatomer är en del av naturliga proteiner och bestämmer deras tertiära struktur, "häftar" polypeptidkedjan, vilket resulterar i bildandet av en globulär proteinmolekyl.
Kaliumjoner är involverade i transporten av ämnen genomcellmembran. Fosforatomer är en del av en så viktig energikrävande substans som adenosintrifosforsyra, och är också en viktig komponent i molekylerna av deoxiribonuklein- och ribonukleinsyror, som är huvudämnena för cellärftlighet.
Funktioner av spårämnen i cellulär metabolism
Cirka 50 kemiska grundämnen, vilket utgör färre0,1 % i celler kallas spårämnen. Dessa inkluderar zink, molybden, jod, koppar, kobolt, fluor. Med ett obetydligt innehåll utför de mycket viktiga funktioner, eftersom de är en del av många biologiskt aktiva substanser.
Till exempel finns zinkatomer i molekylerinsulin (ett bukspottkörtelhormon som reglerar blodsockret), jod är en integrerad del av sköldkörtelhormonerna tyroxin och trijodtyronin, som styr ämnesomsättningen i kroppen. Koppar, tillsammans med järnjoner, är involverad i hematopoiesis (bildningen av erytrocyter, blodplättar och leukocyter i den röda benmärgen hos ryggradsdjur). Kopparjoner är en del av pigmentet hemocyanin, som finns i blodet hos ryggradslösa djur som blötdjur. Därför är deras hemolymffärg blå.
Ännu mindre innehåll i cellen av sådan kemikalieelement som bly, guld, brom, silver. De kallas ultraspårämnen och finns i växt- och djurceller. Till exempel avslöjade kemisk analys guldjoner i majskärnor. Bromatomer i stort antal är en del av cellerna i tallus av bruna och röda alger, såsom sargassum, kelp, fucus.
Alla exempel och fakta som citeras ovan förklararhur cellens kemiska sammansättning, funktioner och struktur hänger ihop. Tabellen nedan visar innehållet av olika kemiska grundämnen i cellerna hos levande organismer.
Allmänna egenskaper hos organiska ämnen
Kemiska egenskaper hos celler i olika grupperorganismer på ett visst sätt är beroende av kolatomer, vars andel är mer än 50 % av cellmassan. Nästan all torrsubstans i en cell representeras av kolhydrater, proteiner, nukleinsyror och lipider, som har en komplex struktur och hög molekylvikt. Sådana molekyler kallas makromolekyler (polymerer) och består av enklare grundämnen - monomerer. Proteinämnen spelar en extremt viktig roll och utför många funktioner, som kommer att diskuteras nedan.
Proteinernas roll i cellen
Biokemisk analys av föreningar som ingår i de levandecellen, bekräftar det höga innehållet av organiska ämnen som proteiner i den. Det finns en logisk förklaring till detta faktum: proteiner utför olika funktioner och är involverade i alla manifestationer av cellulär aktivitet.
Till exempel är proteiners skyddande funktionbildandet av antikroppar - immunglobuliner som produceras av lymfocyter. Skyddsproteiner som trombin, fibrin och tromboblastin säkerställer blodkoagulering och förhindrar blodförlust i händelse av skada. Cellen innehåller komplexa proteiner av cellmembran som har förmågan att känna igen främmande föreningar - antigener. De ändrar sin konfiguration och informerar cellen om potentiell fara (signaleringsfunktion).
Vissa proteiner har en reglerande funktion ochär hormoner, till exempel, oxytocin, som produceras av hypotalamus, är reserverat av hypofysen. När det kommer in i blodomloppet verkar oxytocin på livmoderns muskelväggar och får det att dra ihop sig. Proteinet vasopressin har också en reglerande funktion genom att kontrollera blodtrycket.
Muskelceller innehåller aktin och myosin,kan dra ihop sig, vilket bestämmer muskelvävnadens motoriska funktion. För proteiner är också en trofisk funktion karakteristisk, till exempel används albumin av embryot som näringsämne för dess utveckling. Blodproteiner från olika organismer, till exempel hemoglobin och hemocyanin, bär syremolekyler - de utför en transportfunktion. Om mer energikrävande ämnen, som kolhydrater och lipider, är helt förbrukade börjar cellen bryta ner proteiner. Ett gram av detta ämne ger 17,2 kJ energi. En av de viktigaste funktionerna hos proteiner är katalytisk (enzymproteiner påskyndar kemiska reaktioner i cytoplasmatiska avdelningar). Baserat på ovanstående är vi övertygade om att proteiner utför många mycket viktiga funktioner och nödvändigtvis är en del av djurcellen.
Proteins biosyntes
Tänk på processen för proteinsyntes i en cell,som sker i cytoplasman genom organeller som ribosomer. På grund av aktiviteten hos speciella enzymer, med deltagande av kalciumjoner, kombineras ribosomer till polysomer. Huvudfunktionerna hos ribosomer i cellen är syntesen av proteinmolekyler, som börjar med transkriptionsprocessen. Som ett resultat syntetiseras mRNA-molekyler, till vilka polysomer är fästa. Sedan börjar den andra processen - sändning. Transport-RNA kombineras med tjugo olika typer av aminosyror och för dem till polysomer, och eftersom ribosomernas funktion i en cell är syntesen av polypeptider, bildar dessa organeller komplex med tRNA, och aminosyramolekyler binder till varandra genom peptidbindningar, bildar en proteinmakromolekyl.
Vattnets roll i metaboliska processer
Cytologiska studier har bekräftat faktumetatt cellen, vars struktur och sammansättning vi studerar, är i genomsnitt 70 % vatten, och hos många djur som leder den akvatiska livsstilen (till exempel coelenterater) når dess innehåll 97-98 %. Med detta i åtanke inkluderar den kemiska organisationen av celler hydrofila (kan lösas upp) och hydrofoba (vattenavvisande) ämnen. Som ett universellt polärt lösningsmedel spelar vatten en exceptionell roll och påverkar direkt inte bara funktionerna utan också själva strukturen i cellen. Tabellen nedan visar vattenhalten i cellerna hos olika typer av levande organismer.
Kolhydraternas funktion i cellen
Som vi fick reda på tidigare, viktigt ekologisktämnen - polymerer - inkluderar även kolhydrater. Dessa inkluderar polysackarider, oligosackarider och monosackarider. Kolhydrater är en del av mer komplexa komplex - glykolipider och glykoproteiner, av vilka cellmembran och supramembranstrukturer, som glykokalyx, är uppbyggda.
Förutom kol innehåller kolhydrater atomersyre och väte, och vissa polysackarider innehåller även kväve, svavel och fosfor. Det finns många kolhydrater i växtceller: potatisknölar innehåller upp till 90 % stärkelse, frön och frukter innehåller upp till 70 % kolhydrater och i djurceller finns de i form av föreningar som glykogen, kitin och trehalos.
Enkla sockerarter (monosackarider) har en gemensam formelCnH2nOn och delas in i tetroser, trioser, pentoser och hexoser. De två sista är vanligast i levande organismers celler, till exempel är ribos och deoxiribos en del av nukleinsyror, medan glukos och fruktos är involverade i assimilerings- och dissimileringsreaktioner. Oligosackarider finns ofta i växtceller: sackaros lagras i cellerna hos sockerbetor och sockerrör, maltos finns i grodda caryopser av råg och korn.
Disackarider har en sötaktig smak och är godalösas i vatten. Polysackarider, som är biopolymerer, representeras huvudsakligen av stärkelse, cellulosa, glykogen och laminarin. Kitin tillhör de strukturella formerna av polysackarider. Den huvudsakliga funktionen för kolhydrater i cellen är energi. Som ett resultat av hydrolys och energimetabolismreaktioner bryts polysackarider ner till glukos, och det oxideras sedan till koldioxid och vatten. Som ett resultat frigör ett gram glukos 17,6 kJ energi, och stärkelse- och glykogenförråd är i själva verket en reservoar av cellulär energi.
Glykogen deponeras huvudsakligen i musklerlevervävnad och celler, växtstärkelse - i knölar, lökar, rötter, frön, och i leddjur, såsom spindlar, insekter och kräftdjur, spelar oligosackariden trehalos huvudrollen i energiförsörjningen.
Kolhydrater skiljer sig från lipider och proteinerförmågan till syrefri klyvning. Detta är extremt viktigt för organismer som lever under förhållanden med syrebrist eller frånvaro, till exempel för anaeroba bakterier och helminter - parasiter hos människor och djur.
Det finns en annan funktion av kolhydrater i cellen -konstruktion (strukturell). Det ligger i det faktum att dessa ämnen är cellers stödjande strukturer. Till exempel är cellulosa en del av växternas cellväggar, kitin bildar det yttre skelettet hos många ryggradslösa djur och finns i svampceller, olysackarider bildar tillsammans med lipid- och proteinmolekyler en glykokalyx - ett supramembrankomplex. Det ger vidhäftning - vidhäftningen av djurceller till varandra, vilket leder till bildandet av vävnader.
Lipider: struktur och funktion
Dessa organiska ämnen ärhydrofob (olöslig i vatten) kan utvinnas, det vill säga extraheras från celler med användning av icke-polära lösningsmedel såsom aceton eller kloroform. Lipidernas funktioner i cellen beror på vilken av de tre grupperna de tillhör: fetter, vaxer eller steroider. Fetter är vanligast i alla typer av celler.
Djur samlar dem i det subkutana fettet.fiber, nervvävnad innehåller fett i form av myelinskidor av nerver. Det ackumuleras också i njurarna, levern och i insekter - i fettkroppen. Flytande fetter - oljor - finns i frön från många växter: cederträ, jordnötter, solrosor, oliver. Lipidhalten i celler varierar från 5 till 90 % (i fettvävnad).
Steroider och vaxer skiljer sig från fetter genom att deinte har fettsyrarester i molekylerna. Så, steroider är hormoner i binjurebarken som påverkar puberteten i kroppen och är komponenter i testosteron. De finns också i vitaminer (som vitamin D).
De huvudsakliga funktionerna för lipider i cellen ärenergi, konstruktion och skydd. Den första beror på att 1 gram fett, när det bryts ner, ger 38,9 kJ energi – mycket mer än andra organiska ämnen – proteiner och kolhydrater. Vid oxidationen av 1 g fett frigörs dessutom nästan 1,1 g. vatten. Det är därför som vissa djur, som har en tillgång på fett i kroppen, kan vara utan vatten under lång tid. Till exempel kan markekorrar ligga i viloläge i mer än två månader utan att behöva vatten, och en kamel dricker inte vatten när de korsar öknen under 10–12 dagar.
Lipidernas strukturella funktion äratt de är en integrerad del av cellmembranen, och även är en del av nerverna. Lipidernas skyddande funktion är att ett lager av fett under huden runt njurarna och andra inre organ skyddar dem från mekanisk skada. En specifik värmeisolerande funktion är inneboende hos djur som vistas i vattnet under lång tid: valar, sälar och pälssälar. Det tjocka subkutana fettlagret, till exempel, i en blåval är 0,5 m, det skyddar djuret från hypotermi.
Betydelsen av syre i cellulär metabolism
Aeroba organismer, som inkluderarden överväldigande majoriteten av djur, växter och människor använder atmosfäriskt syre för energiomsättningsreaktioner som leder till nedbrytning av organiska ämnen och frigöring av en viss mängd energi som ackumulerats i form av adenosintrifosforsyramolekyler.
Så, med den fullständiga oxidationen av en mol glukos,förekommer på mitokondriernas kristaller, frigörs 2800 kJ energi, varav 1596 kJ (55%) lagras i form av ATP-molekyler som innehåller högenergibindningar. Således är huvudfunktionen för syre i cellen implementeringen av aerob andning, som är baserad på en grupp enzymatiska reaktioner av den så kallade andningskedjan som förekommer i cellorganeller - mitokondrier. I prokaryota organismer - fototrofa bakterier och cyanobakterier - sker oxidationen av näringsämnen under inverkan av syre, som diffunderar in i cellerna på plasmamembranens inre utväxter.
Vi har studerat den kemiska organisationen av celler, och även beaktat processerna för proteinbiosyntes och syrefunktionen i cellulär energimetabolism.
