I slutningen af det 19. århundrede blev der dannet en gren af biologien kaldet biokemi. Den studerer den kemiske sammensætning af en levende celle. Videnskabens hovedopgave er viden om de karakteristika ved stofskifte og energi, der regulerer plante- og dyrecellers vitale aktivitet.
Begrebet cellens kemiske sammensætning
Som et resultat af omhyggelig forskning har forskere studeret den kemiske organisering af celler og fundet ud af, at levende væsener har mere end 85 kemiske elementer i deres sammensætning. Desuden er nogle af dem obligatoriske for næsten alle organismer, mens andre er specifikke og findes i specifikke biologiske arter. Og den tredje gruppe af kemiske elementer er til stede i cellerne i mikroorganismer, planter og dyr i ret små mængder. Celler indeholder oftest kemiske grundstoffer i form af kationer og anioner, hvorfra der dannes minerals alte og vand, og der syntetiseres kulstofholdige organiske forbindelser: kulhydrater, proteiner, lipider.
organiske elementer
I biokemi omfatter disse kulstof, brint,ilt og nitrogen. Deres helhed i cellen er fra 88 til 97% af de andre kemiske elementer i den. Kulstof er især vigtigt. Alle organiske stoffer i cellens sammensætning er sammensat af molekyler, der indeholder kulstofatomer i deres sammensætning. De er i stand til at forbinde med hinanden og danne kæder (forgrenede og uforgrenede) såvel som cyklusser. Denne evne hos carbonatomer ligger til grund for den fantastiske variation af organiske stoffer, der udgør cytoplasmaet og cellulære organeller.
For eksempel består det indre indhold af en celle af opløselige oligosaccharider, hydrofile proteiner, lipider, forskellige typer ribonukleinsyre: transfer-RNA, ribosom alt RNA og messenger-RNA, samt frie monomerer - nukleotider. Cellekernen har en lignende kemisk sammensætning. Det indeholder også deoxyribonukleinsyremolekyler, der er en del af kromosomerne. Alle de ovennævnte forbindelser indeholder atomer af nitrogen, kulstof, oxygen, brint. Dette er et bevis på deres særligt vigtige betydning, eftersom den kemiske organisering af celler afhænger af indholdet af organogene elementer, der udgør cellulære strukturer: hyaloplasma og organeller.
Makroelementer og deres betydning
Kemiske grundstoffer, som også er meget almindelige i cellerne i forskellige typer organismer, kaldes makronæringsstoffer i biokemi. Deres indhold i cellen er 1,2% - 1,9%. Makroelementerne i cellen omfatter: fosfor, kalium, klor, svovl, magnesium, calcium, jern og natrium. Alle af dem udfører vigtige funktioner og er en del af forskelligecelleorganeller. Så den jernholdige ion er til stede i blodproteinet - hæmoglobin, som transporterer ilt (i dette tilfælde kaldes det oxyhæmoglobin), kuldioxid (carbohæmoglobin) eller kulilte (carboxyhæmoglobin).
Natriumioner giver den vigtigste type intercellulær transport: den såkaldte natrium-kalium-pumpe. De er også en del af den interstitielle væske og blodplasma. Magnesiumioner er til stede i klorofylmolekyler (fotopigment af højere planter) og deltager i fotosynteseprocessen, da de danner reaktionscentre, der fanger fotoner af lysenergi.
Calciumioner sørger for ledning af nerveimpulser langs fibrene og er også hovedbestanddelen af osteocytter - knogleceller. Calciumforbindelser er vidt udbredt i hvirvelløse dyrs verden, hvis skaller er sammensat af calciumcarbonat.
Klorioner er involveret i genopladningen af cellemembraner og giver forekomsten af elektriske impulser, der ligger til grund for nervøs excitation.
Svovlatomer er en del af native proteiner og bestemmer deres tertiære struktur ved at "tværbinde" polypeptidkæden, hvilket resulterer i dannelsen af et kugleformet proteinmolekyle.
Kaliumioner er involveret i transporten af stoffer gennem cellemembraner. Fosforatomer er en del af et så vigtigt energikrævende stof som adenosintriphosphorsyre, og er også en vigtig bestanddel af deoxyribonuklein- og ribonukleinsyremolekyler, som er hovedstofferne i cellulær arv.
Funktioner af sporelementer i det cellulærestofskifte
Omkring 50 kemiske grundstoffer, der udgør mindre end 0,1 % i celler, kaldes sporstoffer. Disse omfatter zink, molybdæn, jod, kobber, kobolt, fluor. Med et ubetydeligt indhold udfører de meget vigtige funktioner, da de indgår i mange biologisk aktive stoffer.
F.eks. findes zinkatomer i molekylerne af insulin (et bugspytkirtelhormon, der regulerer blodsukkerniveauet), jod er en integreret del af skjoldbruskkirtelhormonerne - thyroxin og triiodthyronin, som styrer stofskiftet i legeme. Kobber er sammen med jernioner involveret i hæmatopoiesis (dannelsen af erytrocytter, blodplader og leukocytter i den røde knoglemarv hos hvirveldyr). Kobberioner er en del af hæmocyaninpigmentet, der er til stede i blodet hos hvirvelløse dyr, såsom bløddyr. Derfor er farven på deres hæmolymfe blå.
Endnu mindre indhold i cellen af sådanne kemiske grundstoffer som bly, guld, brom, sølv. De kaldes ultramikroelementer og er en del af plante- og dyreceller. For eksempel blev guldioner påvist i majskerner ved kemisk analyse. Bromatomer i store mængder er en del af cellerne i thallus af brune og røde alger, såsom sargassum, tang, fucus.
Alle ovenstående eksempler og fakta forklarer, hvordan cellens kemiske sammensætning, funktioner og struktur hænger sammen. Tabellen nedenfor viser indholdet af forskellige kemiske grundstoffer i cellerne i levende organismer.
Generelle karakteristika for organiske stoffer
Kemiske egenskaber af celler fra forskellige grupper af organismer afhænger på en bestemt måde af kulstofatomer, hvis andel er mere end 50 % af cellemassen. Næsten alt tørstof i cellen er repræsenteret af kulhydrater, proteiner, nukleinsyrer og lipider, som har en kompleks struktur og stor molekylvægt. Sådanne molekyler kaldes makromolekyler (polymerer) og består af simplere grundstoffer - monomerer. Proteinstoffer spiller en ekstremt vigtig rolle og udfører mange funktioner, som vil blive diskuteret nedenfor.
Proteins rolle i cellen
Biokemisk analyse af de forbindelser, der udgør en levende celle, bekræfter det høje indhold af sådanne organiske stoffer som proteiner i den. Der er en logisk forklaring på dette faktum: proteiner udfører forskellige funktioner og er involveret i alle manifestationer af cellulært liv.
F.eks. er proteiners beskyttende funktion dannelsen af antistoffer - immunglobuliner produceret af lymfocytter. Beskyttende proteiner såsom trombin, fibrin og tromboblastin giver blodkoagulering og forhindrer dets tab under skader og sår. Sammensætningen af cellen omfatter komplekse proteiner af cellemembraner, der har evnen til at genkende fremmede forbindelser - antigener. De ændrer deres konfiguration og informerer cellen om potentiel fare (signaleringsfunktion).
Nogle proteiner har en regulerende funktion og er hormoner, for eksempel er oxytocin, der produceres af hypothalamus, reserveret af hypofysen. Fra det tilblod, virker oxytocin på livmoderens muskelvægge og får den til at trække sig sammen. Proteinet vasopressin har også en regulerende funktion, der kontrollerer blodtrykket.
I muskelceller er der actin og myosin, der kan trække sig sammen, hvilket bestemmer muskelvævets motoriske funktion. Proteiner har også en trofisk funktion, for eksempel bruges albumin af embryonet som næringsstof til dets udvikling. Blodproteiner fra forskellige organismer, såsom hæmoglobin og hæmocyanin, bærer iltmolekyler - de udfører en transportfunktion. Hvis mere energikrævende stoffer som kulhydrater og lipider udnyttes fuldt ud, fortsætter cellen med at nedbryde proteiner. Et gram af dette stof giver 17,2 kJ energi. En af proteinernes vigtigste funktioner er katalytisk (enzymproteiner fremskynder kemiske reaktioner, der forekommer i cytoplasmaets rum). Baseret på det foregående var vi overbevist om, at proteiner udfører mange meget vigtige funktioner og nødvendigvis er en del af dyrecellen.
Proteinbiosyntese
Overvej processen med proteinsyntese i en celle, som sker i cytoplasmaet ved hjælp af organeller såsom ribosomer. Takket være aktiviteten af specielle enzymer, med deltagelse af calciumioner, kombineres ribosomer til polysomer. De vigtigste funktioner af ribosomer i en celle er syntesen af proteinmolekyler, som begynder med transkriptionsprocessen. Som et resultat syntetiseres mRNA-molekyler, hvortil polysomer er knyttet. Så begynder den anden proces - oversættelse. Overfør RNA'erkombineres med tyve forskellige typer aminosyrer og bringer dem til polysomer, og da funktionerne af ribosomer i en celle er syntesen af polypeptider, danner disse organeller komplekser med tRNA, og aminosyremolekyler binder sig til hinanden ved peptidbindinger og danner en protein makromolekyle.
Vandets rolle i metaboliske processer
Cytologiske undersøgelser har bekræftet det faktum, at cellen, hvis struktur og sammensætning vi studerer, i gennemsnit består af 70 % vand, og hos mange dyr, der lever en akvatisk levevis (f.eks. coelenterater), er dens indhold når 97-98 %. Med dette i tankerne omfatter den kemiske organisering af celler hydrofile (i stand til at opløse) og hydrofobe (vandafvisende) stoffer. Som et universelt polært opløsningsmiddel spiller vand en enestående rolle og påvirker ikke kun funktionerne, men også selve cellens struktur. Tabellen nedenfor viser vandindholdet i cellerne i forskellige typer levende organismer.
Funktionen af kulhydrater i cellen
Som vi fandt ud af tidligere, er kulhydrater også vigtige organiske stoffer - polymerer. Disse omfatter polysaccharider, oligosaccharider og monosaccharider. Kulhydrater er en del af mere komplekse komplekser - glykolipider og glykoproteiner, hvorfra cellemembraner og supramembranstrukturer, såsom glycocalyx, er bygget op.
Ud over kulhydrat indeholder kulhydrater oxygen- og brintatomer, og nogle polysaccharider indeholder også nitrogen, svovl og fosfor. Der er mange kulhydrater i planteceller: kartoffelknoldeindeholder op til 90 % stivelse, frø og frugter indeholder op til 70 % kulhydrater, og i dyreceller findes de i form af forbindelser som glykogen, kitin og trehalose.
Simple sukkerarter (monosaccharider) har den generelle formel CnH2nOn og er opdelt i tetroser, trioser, pentoser og hexoser. De sidste to er de mest almindelige i levende organismers celler, for eksempel er ribose og deoxyribose en del af nukleinsyrer, og glucose og fructose deltager i assimilerings- og dissimileringsreaktioner. Oligosaccharider findes ofte i planteceller: saccharose lagres i cellerne i sukkerroer og sukkerrør, m altose findes i spirede korn af rug og byg.
Disaccharider har en sød smag og opløses godt i vand. Polysaccharider, som er biopolymerer, er hovedsageligt repræsenteret af stivelse, cellulose, glykogen og laminarin. Chitin tilhører de strukturelle former for polysaccharider. Kulhydraternes hovedfunktion i cellen er energi. Som et resultat af hydrolyse- og energimetabolismereaktioner nedbrydes polysaccharider til glucose, og det oxideres derefter til kuldioxid og vand. Som et resultat frigiver et gram glukose 17,6 kJ energi, og stivelses- og glykogenlagre er faktisk et reservoir af cellulær energi.
Glykogen lagres hovedsageligt i muskelvæv og leverceller, vegetabilsk stivelse i knolde, løg, rødder, frø, og i leddyr som edderkopper, insekter og krebsdyr spiller trehaloseoligosaccharid en stor rolle i energiforsyningen.
Kulhydrateradskiller sig fra lipider og proteiner i deres evne til iltfri sp altning. Dette er ekstremt vigtigt for organismer, der lever under forhold med iltmangel eller iltmangel, såsom anaerobe bakterier og helminths - parasitter af mennesker og dyr.
Der er en anden funktion af kulhydrater i cellen - opbygning (strukturel). Det ligger i det faktum, at disse stoffer er cellernes støttestrukturer. For eksempel er cellulose en del af planters cellevægge, kitin danner det ydre skelet hos mange hvirvelløse dyr og findes i svampeceller, olisaccharider danner sammen med lipid- og proteinmolekyler en glykokalyx - et epimembrankompleks. Det giver adhæsion - adhæsion af dyreceller til hinanden, hvilket fører til dannelse af væv.
Lipider: struktur og funktioner
Disse organiske stoffer, som er hydrofobe (uopløselige i vand), kan ekstraheres, dvs. ekstraheres fra celler, ved hjælp af ikke-polære opløsningsmidler såsom acetone eller chloroform. Lipidernes funktioner i en celle afhænger af, hvilken af de tre grupper de tilhører: fedtstoffer, voks eller steroider. Fedt er det mest udbredte i alle celletyper.
Dyr ophober dem i det subkutane fedtvæv, nervevævet indeholder fedt i form af myelinskeder af nerver. Det ophobes også i nyrerne, leveren, i insekter - i fedtkroppen. Flydende fedtstoffer - olier - findes i frøene fra mange planter: cedertræ, jordnødde, solsikke, oliven. Indholdet af lipider i celler varierer fra 5 til 90 % (i fedtvæv).
Steroider og voksadskiller sig fra fedtstoffer ved, at de ikke indeholder fedtsyrerester i deres molekyler. Så steroider er hormoner i binyrebarken, der påvirker kroppens pubertet og er komponenter i testosteron. De findes også i vitaminer (såsom vitamin D).
Lipiders hovedfunktioner i cellen er energi, opbygning og beskyttelse. Den første skyldes, at 1 gram fedt ved sp altning giver 38,9 kJ energi – meget mere end andre organiske stoffer – proteiner og kulhydrater. Derudover frigives der ved oxidationen af 1 g fedt næsten 1,1 g. vand. Det er derfor, nogle dyr, der har en forsyning af fedt i deres krop, kan være uden vand i lang tid. For eksempel kan gophere gå i dvale i mere end to måneder uden at have brug for vand, og en kamel drikker ikke vand, når den krydser ørkenen i 10-12 dage.
Lipiders opbygningsfunktion er, at de er en integreret del af cellemembraner og også er en del af nerverne. Lipiders beskyttende funktion er, at et fedtlag under huden omkring nyrerne og andre indre organer beskytter dem mod mekanisk skade. En specifik termisk isoleringsfunktion er iboende i dyr, der er i vandet i lang tid: hvaler, sæler, pelssæler. Et tykt subkutant fedtlag, for eksempel i en blåhval er 0,5 m, det beskytter dyret mod hypotermi.
Betydningen af oxygen i cellulært stofskifte
Aerobe organismer, som omfatter langt de fleste dyr, planter og mennesker, bruger atmosfærisk ilt til energimetabolismereaktioner,fører til nedbrydning af organiske stoffer og frigivelse af en vis mængde energi akkumuleret i form af molekyler af adenosintriphosphorsyre.
Således frigives 2800 kJ energi, hvoraf 1596 kJ (55%) er lagret i form af ATP-molekyler, der indeholder makroerge obligationer. Således er hovedfunktionen af ilt i cellen implementeringen af aerob respiration, som er baseret på en gruppe enzymatiske reaktioner af den såkaldte respiratoriske kæde, der forekommer i cellulære organeller - mitokondrier. I prokaryote organismer - fototrofe bakterier og cyanobakterier - sker oxidationen af næringsstoffer under påvirkning af ilt, der diffunderer ind i cellerne på de indre udvækster af plasmamembraner.
Vi studerede den kemiske organisering af celler, såvel som processerne for proteinbiosyntese og iltens funktion i cellulær energimetabolisme.
