В конце 19 столетия сформировалась отрасль biyoloji, biyokimya denir. Canlı bir hücrenin kimyasal bileşimini çalışıyor. Bilimin temel görevi, bitki ve hayvan hücrelerinin yaşamsal aktivitesini düzenleyen metabolik ve enerji özellikleri bilgisidir.
Hücrenin kimyasal bileşimi kavramı
Dikkatli bir araştırma sonucunda, bilim adamları olmuştur.hücrelerin kimyasal organizasyonu üzerinde çalıştı ve canlıların kompozisyonlarında 85'ten fazla kimyasal element bulunduğunu tespit etti. Bazıları hemen hemen tüm organizmalar için zorunludur, bazıları ise spesifik ve belirli biyolojik türlerde bulunur. Ve üçüncü kimyasal element grubu, mikroorganizmaların, bitkilerin ve hayvanların hücrelerinde oldukça küçük miktarlarda bulunur. Hücrenin kimyasal elementleri en çok mineral tuzları ve suyun oluştuğu katyonlar ve anyonlar şeklindedir ve karbon içeren organik bileşikler sentezlenir: karbonhidratlar, proteinler, lipitler.
Organojenik elementler
В биохимии к ним относятся карбон, гидроген, oksijen ve azot. Bunların kombinasyonu hücrede diğer kimyasal elementlerin% 88 ila 97'sinde bulunur. Karbon özellikle önemlidir. Bir hücredeki tüm organik maddeler, karbon atomu içeren moleküllerden oluşur. Zincirleri (dallı ve dalsız) ve ayrıca döngüleri oluşturarak birbirine bağlayabilirler. Karbon atomlarının bu yeteneği, sitoplazmayı ve hücresel organoitleri oluşturan organik maddelerin çarpıcı çeşitliliğinin temelini oluşturur.
Örneğin, bir hücrenin iç içeriği aşağıdakilerden oluşur:çözünür oligosakaritler, hidrofilik proteinler, lipitler, çeşitli ribonükleik asit türleri: taşıma RNA, ribozomal RNA ve haberci RNA'nın yanı sıra serbest monomerler - nükleotitler. Hücre çekirdeği benzer bir kimyasal bileşime sahiptir. Ayrıca kromozomları oluşturan deoksiribonükleik asit molekülleri içerir. Yukarıdaki bileşiklerin tümü, nitrojen, karbon, oksijen ve hidrojen atomları içerir. Hücrelerin kimyasal organizasyonu, hücresel yapıları oluşturan organojenik elementlerin içeriğine bağlı olduğundan, bu onların özellikle önemli olduğunun kanıtıdır: hyaloplazma ve organeller.
Makrobesinler ve anlamları
Aynı zamanda çok yaygın olan kimyasal elementlerçeşitli organizma türlerinin hücrelerinde bulunur, biyokimyada bunlara makro elementler denir. Hücredeki içerikleri% 1,2 -% 1,9'dur. Hücrenin makro besinleri şunları içerir: fosfor, potasyum, klor, kükürt, magnezyum, kalsiyum, demir ve sodyum. Hepsi önemli işlevleri yerine getirir ve çeşitli hücresel organellerin bir parçasıdır. Bu nedenle, demir iyonu, oksijeni (bu durumda oksihemoglobin olarak adlandırılır), karbondioksit (karbohemoglobin) veya karbon monoksit (karboksihemoglobin) taşıyan bir kan proteininde bulunur - hemoglobin.
Sodyum iyonları temel türleri sağlarhücreler arası taşıma: sözde sodyum-potasyum pompası. Ayrıca interstisyel sıvının ve kan plazmasının bir parçasıdırlar. Magnezyum iyonları, klorofil moleküllerinde (yüksek bitkilerin fotopigmenti) bulunur ve ışık enerjisinin fotonlarını yakalayan reaksiyon merkezleri oluşturdukları için fotosentez sürecine katılırlar.
Kalsiyum iyonları sinir iletimini sağlarlifler boyunca dürtüler ve ayrıca osteositlerin ana bileşenidir - kemik hücreleri. Kabuklarının kalsiyum karbonattan oluştuğu omurgasızlar dünyasında kalsiyum bileşikleri yaygındır.
Klor iyonları, hücre zarlarının yeniden yüklenmesinde rol alır ve sinir heyecanının altında yatan elektriksel uyarıların oluşumunu sağlar.
Sülfür atomları, doğal proteinlerin bir parçasıdır ve polipeptit zincirini "dikerek" üçüncül yapılarını belirler ve küresel bir protein molekülünün oluşumuyla sonuçlanır.
Potasyum iyonları, maddelerin taşınmasında rol oynar.hücre zarları. Fosfor atomları, adenozin trifosforik asit gibi enerji yoğun bir maddenin parçasıdır ve aynı zamanda hücresel kalıtımın ana maddeleri olan deoksiribonükleik ve ribonükleik asit moleküllerinin önemli bir bileşenidir.
İz elementlerin hücresel metabolizmadaki işlevleri
Daha az oluşturan yaklaşık 50 kimyasal elementHücrelerde% 0.1 iz elementler olarak adlandırılır. Bunlara çinko, molibden, iyot, bakır, kobalt, flor dahildir. Önemsiz bir içerikle, biyolojik olarak aktif birçok maddenin parçası oldukları için çok önemli işlevleri yerine getirirler.
Örneğin, moleküllerde çinko atomları bulunurinsülin (kan şekerini düzenleyen bir pankreas hormonu), iyot, vücuttaki metabolizma seviyesini kontrol eden tiroid hormonları tiroksin ve triiyodotironinin ayrılmaz bir parçasıdır. Bakır, demir iyonlarıyla birlikte hematopoezde (omurgalıların kırmızı kemik iliğinde eritrosit, trombosit ve lökosit oluşumu) rol oynar. Bakır iyonları, yumuşakçalar gibi omurgasızların kanında bulunan pigment hemosiyaninin bir parçasıdır. Bu nedenle hemolimf renkleri mavidir.
Böyle bir kimyasalın hücresindeki daha az içerikkurşun, altın, brom, gümüş gibi elementler. Ultra iz elementler olarak adlandırılırlar ve bitki ve hayvan hücrelerinde bulunurlar. Örneğin, kimyasal analiz, mısır tanelerinde altın iyonlarını ortaya çıkardı. Çok sayıda brom atomu, sargassum, yosun, fucus gibi kahverengi ve kırmızı alglerin thallus hücrelerinin bir parçasıdır.
Yukarıda belirtilen tüm örnekler ve gerçekler açıklıyorhücrenin kimyasal bileşimi, işlevleri ve yapısının birbiriyle nasıl ilişkili olduğu. Aşağıdaki tablo, canlı organizmaların hücrelerindeki çeşitli kimyasal elementlerin içeriğini göstermektedir.
Organik maddelerin genel özellikleri
Çeşitli gruplardaki hücrelerin kimyasal özellikleriorganizmalar belirli bir şekilde, oranı hücre kütlesinin% 50'sinden fazla olan karbon atomlarına bağlıdır. Bir hücrenin hemen hemen tüm kuru maddeleri, karmaşık bir yapıya ve yüksek moleküler ağırlığa sahip olan karbonhidratlar, proteinler, nükleik asitler ve lipitlerle temsil edilir. Bu tür moleküllere makromoleküller (polimerler) denir ve daha basit elementlerden - monomerlerden oluşur. Protein maddeleri son derece önemli bir rol oynar ve aşağıda tartışılacak olan birçok işlevi yerine getirir.
Proteinlerin hücredeki rolü
Yaşama dahil olan bileşiklerin biyokimyasal analizihücre, içindeki proteinler gibi organik maddelerin yüksek içeriğini doğrular. Bu gerçeğin mantıklı bir açıklaması vardır: proteinler çeşitli işlevleri yerine getirir ve hücresel yaşamın tüm tezahürlerinde yer alırlar.
Örneğin, proteinlerin koruyucu işleviantikor oluşumu - lenfositler tarafından üretilen immünoglobulinler. Trombin, fibrin ve tromboblastin gibi koruyucu proteinler, kanın pıhtılaşmasını sağlar ve yaralanma durumunda kan kaybını önler. Hücre, yabancı bileşikleri - antijenleri tanıma yeteneğine sahip hücre zarlarının karmaşık proteinlerini içerir. Konfigürasyonlarını değiştirirler ve hücreyi potansiyel tehlike hakkında bilgilendirirler (sinyal verme işlevi).
Bazı proteinlerin düzenleyici bir işlevi vardır veHormonlardır, örneğin hipotalamus tarafından üretilen oksitosin, hipofiz bezi tarafından saklanır. Ondan kan dolaşımına gelen oksitosin, rahmin kas duvarlarına etki ederek kasılmasına neden olur. Protein vazopressin ayrıca kan basıncını kontrol ederek düzenleyici bir işleve sahiptir.
Kas hücreleri aktin ve miyozin içerir,kas dokusunun motor fonksiyonunu belirleyen kasılma kabiliyetine sahiptir. Proteinler için, trofik bir işlev de karakteristiktir, örneğin, albümin, embriyo tarafından gelişimi için bir besin olarak kullanılır. Hemoglobin ve hemosiyanin gibi çeşitli organizmaların kan proteinleri oksijen molekülleri taşır - taşıma işlevi görürler. Karbonhidratlar ve lipitler gibi daha fazla enerji tüketen maddeler tamamen tüketilirse, hücre proteinleri parçalamaya başlar. Bu maddenin bir gramı 17,2 kJ enerji verir. Proteinlerin en önemli işlevlerinden biri katalitiktir (enzim proteinleri sitoplazmik bölmelerdeki kimyasal reaksiyonları hızlandırır). Yukarıdakilere dayanarak, proteinlerin birçok önemli işlevi yerine getirdiğine ve zorunlu olarak hayvan hücresinin bir parçası olduklarına inanıyoruz.
Protein biyosentezi
Bir hücrede protein sentezi sürecini düşünün,bu, sitoplazmada ribozomlar gibi organeller aracılığıyla meydana gelir. Özel enzimlerin aktivitesi nedeniyle, kalsiyum iyonlarının katılımıyla ribozomlar polisomlar halinde birleştirilir. Bir hücredeki ribozomların temel işlevleri, transkripsiyon süreciyle başlayan protein moleküllerinin sentezidir. Sonuç olarak, polisomların eklendiği mRNA molekülleri sentezlenir. Ardından ikinci işlem başlar - yayın. Taşıma RNA'ları yirmi farklı amino asit türü ile birleşir ve onları polisomlara getirir ve bir hücredeki ribozomların işlevi polipeptitlerin sentezi olduğundan, bu organeller tRNA ile kompleksler oluşturur ve amino asit molekülleri peptit bağları ile birbirine bağlanır, bir protein makromolekülü oluşturmak.
Suyun metabolik süreçlerdeki rolü
Sitolojik çalışmalar gerçeği doğruladıYapısı ve bileşimi üzerinde çalıştığımız hücrenin ortalama% 70 su olduğu ve sucul yaşam tarzına öncülük eden birçok hayvanda (örneğin, coelenterates) içeriğinin% 97-98'e ulaştığı. Bunu akılda tutarak, hücrelerin kimyasal organizasyonu hidrofilik (çözülebilen) ve hidrofobik (su itici) maddeleri içerir. Evrensel bir polar çözücü olarak su, istisnai bir rol oynar ve sadece işlevleri değil, aynı zamanda hücrenin yapısını da doğrudan etkiler. Aşağıdaki tablo, çeşitli canlı organizma türlerinin hücrelerindeki su içeriğini göstermektedir.
Hücredeki karbonhidratların işlevi
Daha önce öğrendiğimiz gibi, önemli organikmaddeler - polimerler - ayrıca karbonhidratları da içerir. Bunlar polisakkaridleri, oligosakkaridleri ve monosakkaridleri içerir. Karbonhidratlar daha karmaşık komplekslerin bir parçasıdır - glikolipidler ve glikoproteinler, bunlardan hücre membranları ve supramembran yapıları, örneğin glikokaliks inşa edilir.
Karbona ek olarak karbonhidratlar atom içeriroksijen ve hidrojen ve bazı polisakkaritler ayrıca nitrojen, kükürt ve fosfor içerir. Bitki hücrelerinde birçok karbonhidrat vardır: patates yumruları% 90'a kadar nişasta içerir, tohumlar ve meyveler% 70'e kadar karbonhidrat içerir ve hayvan hücrelerinde glikojen, kitin ve trehaloz gibi bileşikler şeklinde bulunur.
Basit şekerlerin (monosakkaritler) ortak bir formülü vardırCnH2nOn ve tetrozlar, triozlar, pentozlar ve heksozlar olarak ikiye ayrılır. Son ikisi canlı organizmaların hücrelerinde en yaygın olanıdır, örneğin riboz ve deoksiriboz nükleik asitlerin bir parçasıdır, glikoz ve fruktoz ise asimilasyon ve disimilasyon reaksiyonlarında rol oynar. Oligosakkaritler genellikle bitki hücrelerinde bulunur: sükroz şeker pancarı ve şeker kamışı hücrelerinde depolanır, maltoz filizlenmiş çavdar ve arpa çekirdeklerinde bulunur.
Disakkaritlerin tadı tatlıdır ve iyidirsuda çözülür. Biyopolimerler olan polisakkaritler, esas olarak nişasta, selüloz, glikojen ve laminarin ile temsil edilir. Kitin, polisakkaritlerin yapısal formlarına aittir. Hücredeki karbonhidratların temel işlevi enerjidir. Hidroliz ve enerji metabolizması reaksiyonlarının bir sonucu olarak, polisakkaritler glikoza parçalanır ve daha sonra karbondioksit ve suya oksitlenir. Sonuç olarak, bir gram glikoz 17.6 kJ enerji açığa çıkarır ve nişasta ve glikojen depoları aslında hücresel enerji rezervuarıdır.
Glikojen esas olarak kasta depolanırkaraciğer dokusu ve hücreleri, bitki nişastası - yumru kökler, soğanlar, kökler, tohumlar ve örümcekler, böcekler ve kabuklular gibi eklembacaklılarda, oligosakkarit trehaloz enerji tedarikinde ana rolü oynar.
Karbonhidratlar, lipit ve proteinlerden farklıdıroksijensiz bölünme yeteneği. Bu, oksijen eksikliği veya yokluğu koşullarında yaşayan organizmalar için, örneğin anaerobik bakteriler ve helmintler - insan ve hayvan parazitleri için son derece önemlidir.
Hücrede karbonhidratların başka bir işlevi vardır -inşaat (yapısal). Bu maddelerin hücrelerin destekleyici yapıları olduğu gerçeğinde yatmaktadır. Örneğin selüloz, bitkilerin hücre duvarlarının bir parçasıdır, kitin birçok omurgasızın dış iskeletini oluşturur ve mantar hücrelerinde bulunur, olysakkaritler, lipid ve protein molekülleri ile birlikte bir glikokaliks - bir supramembran kompleksi oluşturur. Yapışma sağlar - hayvan hücrelerinin birbirine yapışması, doku oluşumuna yol açar.
Lipitler: yapı ve işlev
Bu organik maddelerhidrofobik (suda çözünmez) geri kazanılabilir, yani aseton veya kloroform gibi polar olmayan çözücüler kullanılarak hücrelerden ekstrakte edilebilir. Hücredeki lipidlerin işlevleri, ait oldukları üç gruptan hangisine bağlıdır: yağlar, mumlar veya steroidler. Yağlar, tüm hücre türlerinde en bol miktarda bulunur.
Hayvanlar onları deri altı yağlarında biriktirir.lif, sinir dokusu sinirlerin miyelin kılıfları şeklinde yağ içerir. Aynı zamanda böbreklerde, karaciğerde ve böceklerde - yağlı vücutta birikir. Sıvı yağlar - yağlar - birçok bitkinin tohumlarında bulunur: sedir, yer fıstığı, ayçiçeği, zeytin. Hücrelerdeki lipit içeriği (yağ dokusunda)% 5 ila% 90 arasında değişir.
Steroidler ve mumlar, yağlardan farklıdır.moleküllerde yağ asidi kalıntısı bulunmaz. Yani steroidler, vücuttaki ergenliği etkileyen ve testosteronun bileşenleri olan adrenal korteksin hormonlarıdır. Ayrıca vitaminlerde (D vitamini gibi) bulunurlar.
Hücredeki lipidlerin temel işlevleri şunlardır:enerji, inşaat ve koruyucu. Birincisi, 1 gram yağın parçalandığında 38.9 kJ enerji - diğer organik maddelerden çok daha fazla - proteinler ve karbonhidratlar sağlamasıdır. Ayrıca 1 gr yağın oksidasyonu sırasında yaklaşık 1,1 gr açığa çıkar. Su. Bu nedenle vücutlarında yağ deposu olan bazı hayvanlar uzun süre susuz kalabilmektedir. Örneğin, yer sincapları suya ihtiyaç duymadan iki aydan fazla kış uykusunda kalabilir ve bir deve çölü geçerken 10-12 gün su içmez.
Lipitlerin yapısal işlevihücre zarlarının ayrılmaz bir parçası olduklarını ve ayrıca sinirlerin bir parçası olduklarını. Lipitlerin koruyucu işlevi, böbreklerin ve diğer iç organların etrafındaki deri altındaki bir yağ tabakasının onları mekanik yaralanmalardan korumasıdır. Uzun süre suda kalan hayvanlarda özel bir ısı yalıtım işlevi vardır: balinalar, foklar ve kürklü foklar. Örneğin mavi bir balinadaki kalın deri altı yağ tabakası 0,5 m'dir, hayvanı hipotermiden korur.
Hücresel metabolizmada oksijenin önemi
Aşağıdakileri içeren aerobik organizmalarHayvanların, bitkilerin ve insanların ezici çoğunluğu, organik maddelerin parçalanmasına ve adenozin trifosforik asit molekülleri şeklinde biriken belirli bir miktar enerjinin salınmasına yol açan enerji metabolizması reaksiyonları için atmosferik oksijeni kullanır.
Yani, bir mol glikozun tamamen oksidasyonu ile,mitokondri kristali üzerinde meydana gelen, 2800 kJ enerji açığa çıkar, bunun 1596 kJ'si (% 55) yüksek enerjili bağlar içeren ATP molekülleri şeklinde depolanır. Bu nedenle, hücredeki oksijenin ana işlevi, hücre organellerinde (mitokondri) meydana gelen sözde solunum zincirinin bir grup enzimatik reaksiyonuna dayanan aerobik solunumun uygulanmasıdır. Prokaryotik organizmalarda - fototrofik bakteriler ve siyanobakteriler - besinlerin oksidasyonu, plazma membranlarının iç büyümelerinde hücrelere yayılan oksijenin etkisi altında gerçekleşir.
Hücrelerin kimyasal organizasyonunu inceledik ve ayrıca protein biyosentezi süreçlerini ve hücresel enerji metabolizmasındaki oksijenin işlevini ele aldık.
