I slutet av 1800-talet bildades en gren av biologin som kallas biokemi. Den studerar den kemiska sammansättningen av en levande cell. Vetenskapens huvuduppgift är kunskapen om 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 studerat den kemiska organisationen av celler och funnit att levande varelser har mer än 85 kemiska element i sin sammansättning. Dessutom är några av dem obligatoriska 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. Celler innehåller oftast kemiska grundämnen i form av katjoner och anjoner, av vilka minerals alter och vatten bildas, och kolh altiga organiska föreningar syntetiseras: kolhydrater, proteiner, lipider.
organogena element
Inom biokemi inkluderar dessa kol, väte,syre och kväve. Deras helhet i cellen är från 88 till 97% av de andra kemiska elementen i den. Kol är särskilt viktigt. Alla organiska ämnen i cellens sammansättning är sammansatta av molekyler som innehåller kolatomer i sin sammansättning. 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 interna innehållet i en cell av lösliga oligosackarider, hydrofila proteiner, lipider, olika typer av ribonukleinsyra: transfer-RNA, ribosom alt RNA och budbärar-RNA, samt fria monomerer - nukleotider. Cellkärnan har en liknande kemisk sammansättning. Den innehåller också deoxiribonukleinsyramolekyler som är en del av kromosomerna. Alla ovanstående föreningar innehåller atomer av kväve, kol, syre, väte. Detta är ett bevis på deras särskilt viktiga betydelse, eftersom den kemiska organisationen av celler beror på innehållet av organogena element som utgör cellulära strukturer: hyaloplasma och organeller.
Makroelement och deras betydelser
Kemiska grundämnen, som också är mycket vanliga i cellerna hos olika typer av organismer, kallas makronäringsämnen inom biokemin. Deras innehåll i cellen är 1,2% - 1,9%. Makroelementen i cellen inkluderar: fosfor, kalium, klor, svavel, magnesium, kalcium, järn och natrium. Alla av dem utför viktiga funktioner och ingår i olikacellorganeller. Så, järnjonen finns i blodproteinet - hemoglobin, som transporterar syre (i det här fallet kallas det oxihemoglobin), koldioxid (karbohemoglobin) eller kolmonoxid (karboxihemoglobin).
Natriumjoner ger den viktigaste typen av intercellulär 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 fotosyntesprocessen, eftersom de bildar reaktionscentra som fångar fotoner av ljusenergi.
Kalciumjoner ger ledning av nervimpulser längs fibrerna och är också huvudkomponenten i osteocyter - benceller. Kalciumföreningar är utbredda i världen av ryggradslösa djur, vars skal består av kalciumkarbonat.
Klorjoner är involverade i laddningen av cellmembran och ger uppkomsten av elektriska impulser som ligger till grund för nervös excitation.
Svavelatomer är en del av naturliga proteiner och bestämmer deras tertiära struktur genom att "tvärbinda" polypeptidkedjan, vilket resulterar i bildandet av en globulär proteinmolekyl.
Kaliumjoner är involverade i transporten av ämnen över cellmembranen. Fosforatomer är en del av en så viktig energikrävande substans som adenosintrifosforsyra, och är också en viktig komponent i deoxiribonuklein- och ribonukleinsyramolekyler, som är huvudämnena i cellulär ärftlighet.
Funktioner av spårelement i cellulärametabolism
Omkring 50 kemiska grundämnen som utgör mindre än 0,1 % i celler kallas spårämnen. Dessa inkluderar zink, molybden, jod, koppar, kobolt, fluor. Med ett obetydligt innehåll fyller de mycket viktiga funktioner, eftersom de ingår i många biologiskt aktiva substanser.
Zinkatomer finns till exempel i molekylerna av insulin (ett bukspottkörtelhormon som reglerar blodsockernivåerna), jod är en integrerad del av sköldkörtelhormonerna - tyroxin och trijodtyronin, som styr ämnesomsättningen i kropp. 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 hemocyaninpigmentet som finns i blodet hos ryggradslösa djur, såsom blötdjur. Därför är färgen på deras hemolymfa blå.
Ännu mindre innehåll i cellen av sådana kemiska grundämnen som bly, guld, brom, silver. De kallas ultramikroelement och är en del av växt- och djurceller. Till exempel upptäcktes guldjoner i majskärnor genom kemisk analys. Bromatomer i stora mängder är en del av cellerna i tallus hos bruna och röda alger, såsom sargassum, kelp, fucus.
Alla ovanstående exempel och fakta förklarar hur cellens kemiska sammansättning, funktioner och struktur är sammankopplade. Tabellen nedan visar innehållet av olika kemiska grundämnen i cellerna hos levande organismer.
Allmänna egenskaper hos organiska ämnen
Kemiska egenskaper hos celler i olika grupper av organismer beror på ett visst sätt på kolatomer, vars andel är mer än 50 % av cellmassan. Nästan all torrsubstans i cellen representeras av kolhydrater, proteiner, nukleinsyror och lipider, som har en komplex struktur och stor molekylvikt. Sådana molekyler kallas makromolekyler (polymerer) och består av enklare grundämnen - monomerer. Proteinämnen spelar en extremt viktig roll och fyller många funktioner, vilket kommer att diskuteras nedan.
Proteins roll i cellen
Biokemisk analys av föreningarna som utgör en levande cell bekräftar det höga innehållet av sådana 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 cellulärt liv.
Till exempel är proteiners skyddande funktion bildandet av antikroppar - immunglobuliner som produceras av lymfocyter. Skyddsproteiner som trombin, fibrin och tromboblastin ger blodkoagulering och förhindrar dess förlust under skador och sår. Cellens sammansättning inkluderar 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 och är hormoner, till exempel, oxytocin som produceras av hypotalamus är reserverat av hypofysen. Från det tillblod verkar oxytocin på livmoderns muskelväggar och får den att dra ihop sig. Proteinet vasopressin har också en reglerande funktion som kontrollerar blodtrycket.
I muskelceller finns aktin och myosin som kan dra ihop sig, vilket bestämmer muskelvävnadens motoriska funktion. Proteiner har också en trofisk funktion, till exempel används albumin av embryot som näringsämne för dess utveckling. Blodproteiner från olika organismer, såsom hemoglobin och hemocyanin, bär syremolekyler - de utför en transportfunktion. Om mer energikrävande ämnen som kolhydrater och lipider utnyttjas fullt ut fortsätter cellen att 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 som sker i cytoplasmans avdelningar). Baserat på det föregående var vi övertygade om att proteiner utför många mycket viktiga funktioner och nödvändigtvis är en del av djurcellen.
Proteinbiosyntes
Tänk på processen för proteinsyntes i en cell, som sker i cytoplasman med hjälp av organeller som ribosomer. Tack vare aktiviteten av speciella enzymer, med deltagande av kalciumjoner, kombineras ribosomer till polysomer. Huvudfunktionerna hos ribosomer i en cell är syntesen av proteinmolekyler, som börjar med transkriptionsprocessen. Som ett resultat syntetiseras mRNA-molekyler, till vilka polysomer är fästa. Sedan börjar den andra processen - översättning. Överför RNAkombineras med tjugo olika typer av aminosyror och för dem till polysomer, och eftersom funktionerna hos ribosomer i en cell är syntesen av polypeptider, bildar dessa organeller komplex med tRNA, och aminosyramolekyler binder till varandra genom peptidbindningar och bildar en proteinmakromolekyl.
Vattnets roll i metaboliska processer
Cytologiska studier har bekräftat det faktum att cellen, vars struktur och sammansättning vi studerar, i genomsnitt består av 70 % vatten, och hos många djur som lever en akvatisk livsstil (till exempel coelenterater), innehållet når 97-98 %. Med detta i åtanke inkluderar den kemiska organisationen av celler hydrofila (kan lösas upp) och hydrofoba (vattenavvisande) ämnen. Eftersom det är ett universellt polärt lösningsmedel spelar vatten en exceptionell roll och påverkar direkt inte bara funktionerna utan också själva strukturen i cellen. Tabellen nedan visar vattenh alten i cellerna hos olika typer av levande organismer.
Kolhydraternas funktion i cellen
Som vi fick reda på tidigare är kolhydrater också viktiga organiska ämnen - polymerer. Dessa inkluderar polysackarider, oligosackarider och monosackarider. Kolhydrater är en del av mer komplexa komplex - glykolipider och glykoproteiner, från vilka cellmembran och supramembranstrukturer, såsom glykokalyx, byggs upp.
Förutom kol innehåller kolhydrater syre- och väteatomer, och vissa polysackarider innehåller även kväve, svavel och fosfor. Det finns mycket kolhydrater i växtceller: potatisknölarinnehåller 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 den allmänna formeln CnH2nOn och delas in i tetroser, trioser, pentoser och hexoser. De två sista är de vanligaste i cellerna hos levande organismer, till exempel är ribos och deoxiribos en del av nukleinsyror och glukos och fruktos deltar i assimilerings- och dissimileringsreaktioner. Oligosackarider finns ofta i växtceller: sackaros lagras i cellerna hos sockerbetor och sockerrör, m altos finns i grodda korn av råg och korn.
Disackarider har en söt smak och löser sig väl 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 glykogenlagren är faktiskt en reservoar av cellulär energi.
Glykogen lagras huvudsakligen i muskelvävnad och leverceller, vegetabilisk stärkelse i knölar, lökar, rötter, frön, och i leddjur som spindlar, insekter och kräftdjur spelar trehalosoligosackarid en stor roll i energiförsörjningen.
Kolhydraterskiljer sig från lipider och proteiner i deras förmåga till syrefri klyvning. Detta är extremt viktigt för organismer som lever under förhållanden med syrebrist eller frånvaro, såsom anaeroba bakterier och helminter - parasiter hos människor och djur.
Det finns en annan funktion av kolhydrater i cellen - byggnad (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, olisackarider bildar tillsammans med lipid- och proteinmolekyler en glykokalyx – ett epimembrankomplex. Det ger vidhäftning - vidhäftning av djurceller till varandra, vilket leder till bildandet av vävnader.
Lipider: struktur och funktioner
Dessa organiska ämnen, som är hydrofoba (olösliga i vatten), kan extraheras, det vill säga extraheras från celler, med hjälp av opolära lösningsmedel som aceton eller kloroform. Lipidernas funktioner i en cell beror på vilken av de tre grupperna de tillhör: fetter, vaxer eller steroider. Fett är det vanligaste i alla celltyper.
Djur samlar dem i den subkutana fettvävnaden, nervvävnaden innehåller fett i form av myelinskidor av nerver. Det ackumuleras också i njurarna, levern, i insekter - i fettkroppen. Flytande fetter - oljor - finns i frön från många växter: cederträ, jordnöt, solros, oliv. Innehållet av lipider i celler varierar från 5 till 90 % (i fettvävnad).
Steroider och vaxerskiljer sig från fetter genom att de inte innehåller fettsyrarester i sina molekyler. Så, steroider är hormoner i binjurebarken som påverkar kroppens pubertet och är komponenter i testosteron. De finns också i vitaminer (som vitamin D).
Lipiders huvudfunktioner i cellen är energi, uppbyggnad och skydd. Den första beror på att 1 gram fett vid klyvning 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. Gophers kan till exempel gå i vinterdvala i mer än två månader utan att behöva vatten, och en kamel dricker inte vatten när de korsar öknen under 10–12 dagar.
Lipiders uppbyggnadsfunktion är att 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 värmeisoleringsfunktion är inneboende hos djur som är i vattnet under lång tid: valar, sälar, pälssälar. Ett tjockt subkutant fettlager, till exempel i en blåval är 0,5 m, det skyddar djuret från hypotermi.
Syrets betydelse i cellulär metabolism
Aeroba organismer, som inkluderar de allra flesta djur, växter och människor, använder atmosfäriskt syre för energimetabolismreaktioner,leder till nedbrytning av organiska ämnen och frigörande av en viss mängd energi som samlats i form av molekyler av adenosintrifosforsyra.
Sålunda, med den fullständiga oxidationen av en mol glukos, som sker på mitokondriernas kristaller, frigörs 2800 kJ energi, varav 1596 kJ (55%) lagras i form av ATP-molekyler som innehåller makroerga obligationer. 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 cellulära organeller - mitokondrier. Hos prokaryota organismer - fototrofa bakterier och cyanobakterier - sker oxidationen av näringsämnen under inverkan av syre som diffunderar in i cellerna på plasmamembranens inre utväxter.
Vi studerade den kemiska organisationen av celler, såväl som processerna för proteinbiosyntes och syrefunktionen i cellulär energimetabolism.
