Kemijska organizacija celic: organske snovi, makro- in mikroelementi

Konec 19. stoletja je nastala veja biologije, imenovana biokemija. Preučuje kemično sestavo živih celic. Glavna naloga znanosti je spoznavanje posebnosti metabolizma in energije, ki uravnava življenjsko aktivnost rastlinskih in živalskih celic.

Koncept kemijske sestave celic

Na podlagi skrbnega raziskovanja so znanstveniki preučevali kemično organizacijo celic in ugotovili, da ima živa bitja več kot 85 kemičnih elementov v njihovi sestavi. Nekateri od njih so obvezni za skoraj vse organizme, drugi pa so specifični in se pojavljajo v posebnih bioloških vrstah. Tretja skupina kemičnih elementov je prisotna v celicah mikroorganizmov, rastlin in živali v precej majhnih količinah. Kemični elementi celice so pogosto v obliki kationov in anionov iz katere so izdelani iz mineralne soli in vode, ter organskih ogljikovih spojin sintetiziramo: ogljikovi hidrati, proteini, lipidi.

Organogeni elementi

V biokemiji vključujejo ogljik, vodik, kisik in dušik. Njihova celota je v celici od 88 do 97% drugih kemičnih elementov v njem. Posebno pomemben je ogljik. Vse organske snovi v celici sestavljajo molekule, ki vsebujejo atome ogljika v njihovi sestavi. Povezujejo se lahko med seboj, oblikujejo verige (razvejane in nerazvejene), pa tudi cikle. Ta sposobnost atomov ogljika je osnovna raznolikost organskih snovi, ki tvorijo citoplazmo in celične organele.

Na primer, notranje vsebino celice sestavljajo topne oligosaharida, hidrofilnih proteini, lipidi, različne vrste RNA: Prenos RNA, ribosomske RNA in RNA, kakor tudi prostih monomerov - nukleotidov. Taka kemična sestava ima in celično jedro. Vsebuje tudi molekule deoksiribonukleinske kisline, ki so del kromosomov. Vse zgoraj navedene spojine imajo v svoji sestavi atome dušika, ogljika, kisika, vodika. To je dokaz njihovega posebnega pomena, saj je kemična organizacija celic odvisna od vsebnosti organogenih elementov, ki tvorijo celične strukture: hialoplazem in organelom.

Makro elementi in njihovi pomeni

Kemični elementi, ki se prav tako zelo pogosto nahajajo v celicah različnih vrst organizmov, se imenujejo makrocele v biokemiji. Njihova vsebina v celici je 1,2% - 1,9%. Makroelementi celice vključujejo: fosfor, kalij, klor, žveplo, magnezij, kalcij, železo in natrij. Vsi ti opravljajo pomembne funkcije in so del različnih celičnih organelov. Tako je železov ion prisoten v krvni protein - hemoglobina, ki prenaša kisik (v tem primeru se imenuje oksihemoglobina), ogljikov dioksid (karbogemoglobin) ali ogljikovega dioksida (carboxyhaemoglobin).

Natrijevi ioni so najpomembnejša vrsta medceličnega transporta: tako imenovana natrijev-kalijeva črpalka. So tudi del intersticijske tekočine in krvne plazme. Magnezijeve ione, prisotne v klorofila molekul (photopigment višjih rastlin) in so vključeni v proces fotosinteze ter obliko reakcijskih centrov, ki trap fotoni svetlobne energije.

Kalcijev ioni zagotavljajo potek živčnih impulzov vzdolž vlaken in so tudi glavni sestavni del osteocitov - kostnih celic. Kalcijeve spojine so široko porazdeljene v svetu nevretenčarjev, v katerih so lupine sestavljene iz kalcijevega karbonata.

Klorni ioni sodelujejo pri polnjenju celičnih membran in zagotavljajo videz električnih impulzov, ki so osnova živčnega vzbujanja.

Atomi žvepla so del naravnih proteinov in povzročajo njihovo terciarno strukturo, "šivanje" polipeptidne verige, kar ima za posledico nastanek globularne beljakovinske molekule.

Kalijevi ioni sodelujejo pri transportu snovi preko celičnih membran. fosfor atomi so del tega pomembnega energetsko intenzivnih snovi kot adenozin trifosfata, in je pomemben sestavni del molekul deoksiribonukleinske in ribonukleinskih kislin, ki so glavna snovi celica dednost.

Funkcije mikroelementov v celičnem metabolizmu

Okoli 50 kemičnih elementov, ki predstavljajo manj kot 0,1% celic, se imenujejo mikroelementi. Ti vključujejo cink, molibden, jod, baker, kobalt, fluor. Če so nepomembne, opravljajo zelo pomembne funkcije, saj so del mnogih biološko aktivnih snovi.

Na primer, cink atomov v molekule inzulina (pankreasa hormon regulacijo nivoja glukoze v krvi), jod je sestavina hormonov ščitnice - tiroksin in trijodotironin nadzoruje stopnjo presnove v telesu. Baker, skupaj z železovih ionov, ki sodelujejo pri hematopoeze (tvorbe rdečih krvnih celic, trombocitov in belih krvnih celic v kostnem mozgu vretenčarjev). Bakreni ioni so del pigmenta hemocianina v krvi nevretenčarjev, na primer mehkužcev. Zato imajo barvo hemolimfa modro.

Še manj je vsebnost celic takšnih kemičnih elementov, kot so svinec, zlato, brom, srebro. Imenujejo se ultramikelementi in so del rastlinskih in živalskih celic. Na primer, v koruznih jedrcih so bili kemični analizi odkriti zlati ioni. Atomi broma v velikem številu so vključeni v sestavo talnih celic rjavih in rdečih alg, na primer sargassum, alg, fucus.

Vsi zgornji primeri in dejstva pojasnjujejo, kako so kemijska sestava, funkcije in struktura celice medsebojno povezani. Spodnja tabela prikazuje vsebnost različnih kemijskih elementov v celicah živih organizmov.

Splošne značilnosti organskih snovi

Kemijske lastnosti celic različnih skupin organizmov so na določen način odvisne od atomov ogljika, katerih delež je več kot 50% celične mase. Praktično vsa suha snov celice predstavljajo ogljikovi hidrati, beljakovine, nukleinske kisline in lipidi, ki imajo kompleksno strukturo in veliko molekulsko maso. Take molekule imenujemo makromolekule (polimere) in so sestavljene iz enostavnejših elementov - monomerov. Beljakovine imajo izjemno pomembno vlogo in opravljajo številne funkcije, o katerih bomo razpravljali v nadaljevanju.

Vloga beljakovin v celici

Biokemijska analiza spojin, ki vstopajo v žive celice, potrjuje visoko vsebnost organskih snovi, kot so proteini v njem. To dejstvo ima logično razlago: proteini opravljajo različne funkcije in sodelujejo pri vseh manifestacijah celične življenjske aktivnosti.

Zaščitna funkcija beljakovin je na primer tvorba protiteles - imunoglobulinov, ki jih proizvajajo limfociti. Takšni zaščitni proteini, kot trombin, fibrin in tromboblastin, zagotavljajo strjevanje krvi in ​​preprečijo izgubo poškodb in poškodb. Celica je sestavljena iz kompleksnih proteinov celičnih membran, ki imajo sposobnost prepoznavanja tujih spojin - antigenov. Spreminjajo svojo konfiguracijo in obvestijo celico potencialne nevarnosti (signalna funkcija).

Nekatere beljakovine opravljajo regulativno funkcijo in so hormoni, na primer oksitocin, ki ga proizvaja hipotalamus, je rezerviran s strani hipofize. Vstop v krv, oksitocin prizadene mišične stene v maternici, zaradi česar se pogodi. Proteinski vazopresin prav tako izvaja regulativno funkcijo, ki nadzoruje krvni tlak.

V mišičnih celicah so aktin in miozin, sposobni sklepati, kar povzroča motorično delovanje mišičnega tkiva. Za beljakovine je značilna tudi trofična funkcija, na primer, album uporablja embrion kot hranilo za njegov razvoj. Krvni proteini različnih organizmov, na primer hemoglobin in hemocianin, nosijo molekule kisika - opravljajo transportno funkcijo. Če se v celoti uporabljajo več energetsko intenzivnih snovi, kot so ogljikovi hidrati in lipidi, začne celica razgraditi beljakovine. En gram te snovi daje 17,2 kJ energije. Ena najpomembnejših funkcij beljakovin je katalitična (proteinski encimi pospešujejo kemične reakcije, ki se pojavijo v predelu citoplazme). Na podlagi navedenega smo bili prepričani, da proteini opravljajo številne zelo pomembne funkcije in so nujno del živalske celice.

Biosinteza beljakovin

Razmislite o procesu sinteze beljakovin v celici, ki se pojavi v citoplazmi s pomočjo organelov, kot so ribosomi. Zahvaljujoč dejavnosti posebnih encimov, s sodelovanjem kalcijevih ionov, se ribosomi združujejo v polisome. Glavne funkcije ribosomov v celici so sinteza beljakovinskih molekul, ki se začne s procesom transkripcije. Posledično sintetizira molekule mRNA, na katere so pritrjeni polisomi. Potem se začne drugi proces - prevod. Promet RNA vežejo na dvajset različnih vrst aminokislin in jih privede do polysomes in ker funkcijo ribosomov v celici - sinteze polipeptidov, te organele tvorijo komplekse s tRNA, in molekule aminokislin med seboj povezani s peptidnimi vezmi, da se tvori protein makromolekule.

Vloga vode v metabolnih procesih

Citološke študije so potrdile dejstvo, da struktura in sestava celic, ki smo študij, v povprečju 70% vode, ter v mnogih živalih, ki vodi z vodo način življenja (npr coelenterata), njegova vsebina doseže 97-98%. S tem v mislih kemijska organizacija celic vključuje hidrofilno (sposobno raztapljanja) in hidrofobne (vodoodbojne) snovi. Kot univerzalno polarno topilo ima voda izjemno vlogo in neposredno vpliva ne le na funkcije, temveč tudi na sam strukturo celice. Spodnja tabela prikazuje vsebnost vode v celicah različnih vrst živih organizmov.

Funkcija ogljikovih hidratov v kletki

Kot smo ugotovili prej, so pomembni ogljikovi hidrati pomembne organske snovi - polimeri. Ti vključujejo polisaharide, oligosaharide in monosaharide. Ogljikovi hidrati so del bolj zapletenih kompleksov - glikolipidov in glikoproteinov, v katerih so zgrajene celične membrane in supramembrane strukture, na primer glikokalaks.

Poleg ogljika v ogljikov hidrat vključuje atome vodika in oksigenaciji, in nekateri polisaharidi vsebujejo več dušika, žvepla in fosforja. Celice mnogih rastlinskih ogljikovih hidratov: Gomolji krompirja vsebuje do 90% škroba, semena in vsebnost sadja ogljikovih hidratov do 70%, in živalske celice so na voljo v obliki takih spojin kot glikogen, hitin in trehaloza.

Enostavni sladkorji (monosaharidi) imajo splošno formulo CnH2nOn in so razdeljeni na tetraze, triose, pentoze in heksoze. Zadnja dva sta najpogostejši v celicah živih organizmov, na primer riboza in deoksiriboza sta del nukleinskih kislin, glukoza in fruktoza pa sta vključeni v asimilacijo in razkrojne reakcije. Oligosaharidi se pogosto nahajajo v rastlinskih celicah: saharoza se shranjuje v celicah sladkorne pese in sladkornega trsa, maltozo pa vsebuje kalijo zrne rž in ječmena.

Disaharidi imajo sladek okus in so zlahka topni v vodi. Polisaharidi, ki so biopolimeri, predstavljajo predvsem škrob, celuloza, glikogen in laminarin. Chitin spada v strukturne oblike polisaharidov. Glavna naloga ogljikovih hidratov v celici je energija. Zaradi hidrolize in reakcij energetskega presnovka se polisaharidi delijo na glukozo in se nato oksidirajo v ogljikov dioksid in vodo. Kot rezultat, en gram glukoze sprošča 17,6 kJ energije, zaloge škroba in glikogena pa so dejansko rezervoar celične energije.

Glikogen je deponirana predvsem v mišičnih in jetrnih celic, rastlinskega škroba - pri gomoljih, čebulice, korenine, semena in členonožcev, kot pajkov, žuželke in raki, glavno vlogo pri oskrbi z energijo ima oligosaharidne trehaloze.

Ogljikovi hidrati se od lipidov in beljakovin razlikujejo glede na sposobnost prebave brez kisika. To je izredno pomembno za organizme, ki živijo v pogojih pomanjkanja ali pomanjkanja kisika, na primer za anaerobne bakterije in helminte - človeške in živalske parazite.

V kletni zgradbi (strukturno) obstaja še ena funkcija ogljikovih hidratov. Sestoji iz dejstva, da so te snovi nosilne strukture celic. Na primer, celuloza je del celične stene rastlin, hitin tvori zunanjo ogrodje in veliko nevretenčarjev pojavi pri glivičnih celic, olisaharidy skupaj z lipidi in proteini molekule tvorita glikokaliks - nadmembranny kompleks. Omogoča adhezijo - zbiranje živalskih celic med seboj, kar vodi k nastanku tkiv.

Lipidi: struktura in funkcija

Te organske snovi, ki so hidrofobne (v vodi netopne), se lahko izločijo, to je, ekstrahirane iz celic z nepolarnimi topili, kot sta aceton ali kloroform. Funkcije lipidov v celici so odvisne od katere od treh skupin, v katere spadajo: maščobe, voski ali steroidi. Masti so najbolj razširjene v vseh vrstah celic.

Živali jih kopičijo v podkožno maščobno tkivo, živčno tkivo vsebuje maščobo v obliki mielinski plašči živci. Prav tako se kopiči v ledvicah, jetrih, žuželkah - v maščobnem telesu. Tekoče maščobe - olja - najdemo v semenih številnih rastlin: cedre, arašidov, sončnice in oljk. Vsebnost lipidov v celicah se giblje med 5 in 90% (v maščobnem tkivu).

Steroidi in voski se razlikujejo od maščob, saj nimajo ostankov maščobnih kislin v molekulah. Torej, steroidi - to hormoni nadledvične žleze, ki vplivajo na puberteto telo in katere so sestavine testosterona. Prav tako so del vitaminov (npr. Vitamin D).

Glavne funkcije lipidov v celici so energija, gradnja in zaščita. Prvi je zaradi dejstva, da 1 gram maščobe med cepitvijo prinaša 38,9 kJ energije - veliko več kot druge organske snovi - beljakovine in ogljikove hidrate. Poleg tega se pri oksidaciji 1 g maščobe sprosti skoraj 1,1 g. voda. Zato lahko nekatere živali, ki imajo v telesu shranjeno maščobo, dolgo časa ostanejo brez vode. Na primer, gopi so lahko prezasedeni več kot dva meseca, ne da bi potrebovali vodo, in kamela med prehajanjem skozi puščavo ne pijejo vode 10-12 dni.

Funkcija zgradbe lipidov je, da so sestavni del celičnih membran in tudi tvorijo del živcev. Zaščitna funkcija lipidov je, da plast maščobe pod kožo okrog ledvic in drugih notranjih organov ščiti pred mehanskimi poškodbami. Specifična toplotna izolacija je značilna za živali, ki so bile v vodi dolgo časa: kitovi, pečati, pečati. Debela podkožna maščobna plast, na primer v modrem kitu je 0,5 m, ščiti živali pred hipotermijo.

Pomembnost kisika v celičnem metabolizmu

Aerobna organizmi, kot so velika večina živali, rastline in človeka, z uporabo atmosferskega kisika za izmenjavo energije reakcije, ki vodijo do cepitve organskih snovi in ​​dodelitvi določene količine energije, zbranih v obliki molekul adenozin trifosfata.

Tako je popolna oksidacija en mol glukoze, ki se pojavi v mitohondrijski cristae, 2800 kJ energije je razporejen, od katerih je 1596 kJ (55%), shranjena v obliki molekul ATP, ki vsebujejo macroergic povezavo. Tako je osnovna funkcija kisika v celici vadba aerobno dihanje, ki temelji na skupini encimskih reakcij ti dihalna veriga, ki se pojavljajo v celičnih organelih - mitohondriji. Pri prokariotskih organizmih - fototrofnih bakterij in cianobakterij - oksidacija hranil poteka pod vplivom kisika, ki se v celice raztezajo v notranje izrastke plazemskih membran.

Preučevali smo kemično organizacijo celic, preučevali pa smo tudi procese biosinteze beljakovin in funkcijo kisika v celični energetski metabolizem.