XIX amžiaus pabaigoje susiformavo biologijos šaka, vadinama biochemija. Jis tiria gyvos ląstelės cheminę sudėtį. Pagrindinis mokslo uždavinys – augalų ir gyvūnų ląstelių gyvybinę veiklą reguliuojančių medžiagų apykaitos ir energijos ypatybių žinojimas.
Ląstelės cheminės sudėties samprata
Dėl kruopštaus tyrimo mokslininkai ištyrė cheminę ląstelių struktūrą ir nustatė, kad gyvų būtybių sudėtyje yra daugiau nei 85 cheminiai elementai. Be to, kai kurie iš jų yra privalomi beveik visiems organizmams, o kiti yra specifiniai ir aptinkami konkrečiose biologinėse rūšyse. O trečioji cheminių elementų grupė yra gana nedideliais kiekiais mikroorganizmų, augalų ir gyvūnų ląstelėse. Ląstelėse cheminių elementų dažniausiai yra katijonų ir anijonų pavidalu, iš kurių susidaro mineralinės druskos ir vanduo bei sintetinami anglies turintys organiniai junginiai: angliavandeniai, b altymai, lipidai.
Organogeniniai elementai
Biochemijoje tai apima anglį, vandenilį,deguonies ir azoto. Jų visuma ląstelėje sudaro nuo 88 iki 97% kitų joje esančių cheminių elementų. Ypač svarbi anglis. Visos ląstelės sudėtyje esančios organinės medžiagos yra sudarytos iš molekulių, kurių sudėtyje yra anglies atomų. Jie sugeba jungtis vienas su kitu, sudarydami grandines (šakotas ir nešakojas), taip pat ciklus. Šis anglies atomų gebėjimas yra nuostabios organinių medžiagų, sudarančių citoplazmą ir ląstelių organelius, įvairovė.
Pavyzdžiui, vidinį ląstelės turinį sudaro tirpūs oligosacharidai, hidrofiliniai b altymai, lipidai, įvairios ribonukleino rūgšties rūšys: pernešančiosios RNR, ribosominės RNR ir pasiuntinio RNR, taip pat laisvieji monomerai – nukleotidai. Ląstelės branduolio cheminė sudėtis yra panaši. Jame taip pat yra dezoksiribonukleino rūgšties molekulių, kurios yra chromosomų dalis. Visuose minėtuose junginiuose yra azoto, anglies, deguonies, vandenilio atomų. Tai įrodo jų ypač svarbią reikšmę, nes ląstelių cheminė struktūra priklauso nuo organogeninių elementų, sudarančių ląstelių struktūras: hialoplazmos ir organelių, kiekio.
Makroelementai ir jų reikšmės
Cheminiai elementai, kurie taip pat labai paplitę įvairių rūšių organizmų ląstelėse, biochemijoje vadinami makroelementais. Jų kiekis ląstelėje yra 1,2% - 1,9%. Ląstelės makroelementai yra: fosforas, kalis, chloras, siera, magnis, kalcis, geležis ir natris. Visi jie atlieka svarbias funkcijas ir yra įvairiųląstelių organelės. Taigi, geležies jonų yra kraujo b altyme – hemoglobine, kuris perneša deguonį (šiuo atveju jis vadinamas oksihemoglobinu), anglies dioksidu (karbohemoglobinu) arba anglies monoksidu (karboksihemoglobinu).
Natrio jonai užtikrina svarbiausią tarpląstelinio pernešimo rūšį: vadinamąjį natrio ir kalio siurblį. Jie taip pat yra intersticinio skysčio ir kraujo plazmos dalis. Magnio jonų yra chlorofilo molekulėse (aukštesnių augalų fotopigmentas) ir jie dalyvauja fotosintezės procese, nes sudaro reakcijos centrus, kurie sulaiko šviesos energijos fotonus.
Kalcio jonai užtikrina nervinių impulsų laidumą išilgai skaidulų, taip pat yra pagrindinis osteocitų – kaulų ląstelių – komponentas. Kalcio junginiai yra plačiai paplitę bestuburių pasaulyje, kurių kiautai sudaryti iš kalcio karbonato.
Chloro jonai dalyvauja įkraunant ląstelių membranas ir sukelia elektrinius impulsus, kurie yra nervinio sužadinimo pagrindas.
Sieros atomai yra natūralių b altymų dalis ir nustato jų tretinę struktūrą „sujungdami“polipeptidinę grandinę, todėl susidaro rutulinė b altymo molekulė.
Kalio jonai dalyvauja medžiagų pernešime per ląstelių membranas. Fosforo atomai yra tokios svarbios daug energijos sunaudojančios medžiagos kaip adenozino trifosforo rūgštis dalis, taip pat yra svarbus dezoksiribonukleino ir ribonukleino rūgšties molekulių, kurios yra pagrindinės ląstelių paveldimumo medžiagos, komponentas.
Mikroelementų funkcijos ląstelėjemedžiagų apykaita
Apie 50 cheminių elementų, kurių ląstelėse yra mažiau nei 0,1 %, vadinami mikroelementais. Tai yra cinkas, molibdenas, jodas, varis, kob altas, fluoras. Turėdami nereikšmingą turinį, jie atlieka labai svarbias funkcijas, nes yra daugelio biologiškai aktyvių medžiagų dalis.
Pavyzdžiui, cinko atomų yra insulino (kasos hormono, reguliuojančio gliukozės kiekį kraujyje) molekulėse, jodas yra neatsiejama skydliaukės hormonų – tiroksino ir trijodtironino, kurie reguliuoja medžiagų apykaitos lygį organizme, dalis. kūnas. Varis kartu su geležies jonais dalyvauja hematopoezėje (eritrocitų, trombocitų ir leukocitų susidaryme stuburinių gyvūnų raudonuosiuose kaulų čiulpuose). Vario jonai yra dalis hemocianino pigmento, esančio bestuburių, pavyzdžiui, moliuskų, kraujyje. Todėl jų hemolimfos spalva yra mėlyna.
Dar mažiau ląstelėje tokių cheminių elementų kaip švinas, auksas, bromas, sidabras. Jie vadinami ultramikroelementais ir yra augalų ir gyvūnų ląstelių dalis. Pavyzdžiui, cheminės analizės būdu kukurūzų branduoliuose buvo aptikti aukso jonai. Dideli bromo atomų kiekiai yra rudųjų ir raudonųjų dumblių, tokių kaip sargassum, rudadumbliai, fucus, talijos ląstelių dalis.
Visi aukščiau pateikti pavyzdžiai ir faktai paaiškina, kaip ląstelės cheminė sudėtis, funkcijos ir struktūra yra tarpusavyje susiję. Žemiau esančioje lentelėje parodytas įvairių cheminių elementų kiekis gyvų organizmų ląstelėse.
Bendrosios organinių medžiagų charakteristikos
Įvairių organizmų grupių ląstelių cheminės savybės tam tikru būdu priklauso nuo anglies atomų, kurių dalis sudaro daugiau nei 50% ląstelės masės. Beveik visą ląstelės sausąją medžiagą sudaro angliavandeniai, b altymai, nukleino rūgštys ir lipidai, kurie turi sudėtingą struktūrą ir didelę molekulinę masę. Tokios molekulės vadinamos makromolekulėmis (polimerais) ir susideda iš paprastesnių elementų – monomerų. B altyminės medžiagos atlieka nepaprastai svarbų vaidmenį ir atlieka daugybę funkcijų, kurios bus aptartos toliau.
B altymų vaidmuo ląstelėje
Gyvą ląstelę sudarančių junginių biocheminė analizė patvirtina, kad joje yra daug tokių organinių medžiagų kaip b altymai. Šį faktą galima paaiškinti logiškai: b altymai atlieka įvairias funkcijas ir dalyvauja visose ląstelių gyvybės apraiškose.
Pavyzdžiui, apsauginė b altymų funkcija yra antikūnų – limfocitų gaminamų imunoglobulinų – susidarymas. Apsauginiai b altymai, tokie kaip trombinas, fibrinas ir tromboblastinas, užtikrina kraujo krešėjimą ir apsaugo nuo jo praradimo traumų ir žaizdų metu. Ląstelės sudėtis apima sudėtingus ląstelių membranų b altymus, kurie gali atpažinti svetimus junginius - antigenus. Jie pakeičia konfigūraciją ir informuoja langelį apie galimą pavojų (signalizacijos funkcija).
Kai kurie b altymai atlieka reguliavimo funkciją ir yra hormonai, pavyzdžiui, pagumburio gaminamą oksitociną rezervuoja hipofizė. Nuo jo ikikraujo, oksitocinas veikia raumenines gimdos sieneles, todėl ji susitraukia. B altymas vazopresinas taip pat atlieka reguliavimo funkciją, reguliuojančią kraujospūdį.
Raumenų ląstelėse yra aktino ir miozino, kurie gali susitraukti, o tai lemia motorinę raumenų audinio funkciją. B altymai taip pat atlieka trofinę funkciją, pavyzdžiui, albuminą embrionas naudoja kaip maistinę medžiagą savo vystymuisi. Įvairių organizmų kraujo b altymai, tokie kaip hemoglobinas ir hemocianinas, perneša deguonies molekules – atlieka transportavimo funkciją. Jei visiškai išnaudojamos daug energijos reikalaujančios medžiagos, tokios kaip angliavandeniai ir lipidai, ląstelė pradeda skaidyti b altymus. Vienas gramas šios medžiagos suteikia 17,2 kJ energijos. Viena iš svarbiausių b altymų funkcijų yra katalizinė (fermentiniai b altymai pagreitina chemines reakcijas, vykstančias citoplazmos skyriuose). Remdamiesi tuo, kas išdėstyta, buvome įsitikinę, kad b altymai atlieka daug labai svarbių funkcijų ir būtinai yra gyvūninės ląstelės dalis.
B altymų biosintezė
Apsvarstykite b altymų sintezės ląstelėje procesą, kuris vyksta citoplazmoje naudojant organelius, pvz., ribosomas. Dėl specialių fermentų aktyvumo, dalyvaujant kalcio jonams, ribosomos sujungiamos į polisomas. Pagrindinės ribosomų funkcijos ląstelėje yra b altymų molekulių sintezė, kuri prasideda nuo transkripcijos proceso. Dėl to sintetinamos iRNR molekulės, prie kurių prijungiamos polisomos. Tada prasideda antrasis procesas – vertimas. Perkelkite RNRjungiasi su dvidešimt skirtingų tipų aminorūgščių ir atneša jas į polisomas, o kadangi ribosomų funkcijos ląstelėje yra polipeptidų sintezė, šios organelės sudaro kompleksus su tRNR, o aminorūgščių molekulės jungiasi viena su kita peptidiniais ryšiais, sudarydamos b altymo makromolekulė.
Vandens vaidmuo medžiagų apykaitos procesuose
Citologiniai tyrimai patvirtino faktą, kad ląstelėje, kurios struktūrą ir sudėtį mes tiriame, vidutiniškai 70 % sudaro vanduo, o daugelio vandens gyvūnų (pavyzdžiui, koelenteratų) kiekis siekia 97-98 %. Atsižvelgiant į tai, cheminė ląstelių struktūra apima hidrofilines (galinčias ištirpti) ir hidrofobines (vandenį atstumiančias) medžiagas. Vanduo, būdamas universalus polinis tirpiklis, atlieka išskirtinį vaidmenį ir tiesiogiai veikia ne tik ląstelės funkcijas, bet ir pačią struktūrą. Žemiau esančioje lentelėje parodytas vandens kiekis įvairių rūšių gyvų organizmų ląstelėse.
Angliavandenių funkcija ląstelėje
Kaip sužinojome anksčiau, angliavandeniai taip pat yra svarbios organinės medžiagos – polimerai. Tai apima polisacharidus, oligosacharidus ir monosacharidus. Angliavandeniai yra sudėtingesnių kompleksų – glikolipidų ir glikoproteinų – dalis, iš kurių susidaro ląstelių membranos ir viršmembraninės struktūros, pvz., glikokaliksas.
Be anglies, angliavandeniuose yra deguonies ir vandenilio atomų, o kai kuriuose polisachariduose taip pat yra azoto, sieros ir fosforo. Augalų ląstelėse yra daug angliavandenių: bulvių gumbuoseturi iki 90 % krakmolo, sėklose ir vaisiuose – iki 70 % angliavandenių, o gyvūnų ląstelėse jie randami junginių, tokių kaip glikogenas, chitinas ir trehalozė, pavidalu.
Paprasti cukrūs (monosacharidai) turi bendrą formulę CnH2nOn ir skirstomi į tetrozes, triozes, pentozes ir heksozes. Pastarosios dvi yra labiausiai paplitusios gyvų organizmų ląstelėse, pavyzdžiui, ribozė ir dezoksiribozė yra nukleorūgščių dalis, o gliukozė ir fruktozė dalyvauja asimiliacijos ir disimiliacijos reakcijose. Oligosacharidai dažnai randami augalų ląstelėse: sacharozė kaupiama cukrinių runkelių ir cukranendrių ląstelėse, m altozė randama daigintuose rugių ir miežių grūduose.
Disacharidai yra saldaus skonio ir gerai tirpsta vandenyje. Polisacharidus, kurie yra biopolimerai, daugiausia sudaro krakmolas, celiuliozė, glikogenas ir laminarinas. Chitinas priklauso struktūrinėms polisacharidų formoms. Pagrindinė angliavandenių funkcija ląstelėje yra energija. Dėl hidrolizės ir energijos apykaitos reakcijų polisacharidai suskaidomi į gliukozę, o vėliau oksiduojama iki anglies dioksido ir vandens. Dėl to vienas gramas gliukozės išskiria 17,6 kJ energijos, o krakmolo ir glikogeno atsargos iš tikrųjų yra ląstelių energijos rezervuaras.
Glikogenas daugiausia saugomas raumenų audiniuose ir kepenų ląstelėse, augalinis krakmolas – gumbuose, svogūnėliuose, šaknyse, sėklose ir nariuotakojų, pvz., vorų, vabzdžių ir vėžiagyvių, trehalozės oligosacharidas vaidina svarbų vaidmenį aprūpinant energiją.
Angliavandeniaiskiriasi nuo lipidų ir b altymų savo gebėjimu skaidyti be deguonies. Tai labai svarbu organizmams, gyvenantiems deguonies trūkumo sąlygomis, pvz., anaerobinėms bakterijoms ir helmintams – žmonių ir gyvūnų parazitams.
Ląstelėje yra ir kita angliavandenių funkcija – statybinė (struktūrinė). Tai slypi tame, kad šios medžiagos yra atraminės ląstelių struktūros. Pavyzdžiui, celiuliozė yra augalų ląstelių sienelių dalis, chitinas sudaro daugelio bestuburių išorinį skeletą ir randamas grybelių ląstelėse, olisacharidai kartu su lipidų ir b altymų molekulėmis sudaro glikokaliksą – epimembraninį kompleksą. Jis užtikrina sukibimą – gyvūnų ląstelių sukibimą viena su kita, dėl kurios susidaro audiniai.
Lipidai: struktūra ir funkcijos
Šios organinės medžiagos, kurios yra hidrofobinės (netirpios vandenyje), gali būti ekstrahuojamos, ty ekstrahuojamos iš ląstelių, naudojant nepolinius tirpiklius, tokius kaip acetonas arba chloroformas. Lipidų funkcijos ląstelėje priklauso nuo to, kuriai iš trijų grupių jie priklauso: riebalams, vaškams ar steroidams. Riebalų gausiausia visų tipų ląstelėse.
Gyvūnai kaupia juos poodiniame riebaliniame audinyje, nerviniame audinyje yra riebalų mielininių nervų apvalkalų pavidalu. Taip pat kaupiasi inkstuose, kepenyse, vabzdžiuose – riebaliniame kūne. Skystųjų riebalų – aliejų – yra daugelio augalų sėklose: kedrų, žemės riešutų, saulėgrąžų, alyvuogių. Lipidų kiekis ląstelėse svyruoja nuo 5 iki 90 % (riebaliniame audinyje).
Steroidai ir vaškaiskiriasi nuo riebalų tuo, kad jų molekulėse nėra riebalų rūgščių likučių. Taigi, steroidai yra antinksčių žievės hormonai, kurie veikia kūno brendimą ir yra testosterono komponentai. Jų taip pat yra vitaminuose (pvz., vitamine D).
Pagrindinės lipidų funkcijos ląstelėje yra energijos tiekimas, statyba ir apsauga. Pirmoji dėl to, kad 1 gramas riebalų skilimo metu suteikia 38,9 kJ energijos – daug daugiau nei kitos organinės medžiagos – b altymai ir angliavandeniai. Be to, oksiduojantis 1 g riebalų išsiskiria beveik 1,1 g. vandens. Štai kodėl kai kurie gyvūnai, turintys riebalų atsargas savo kūne, gali ilgą laiką būti be vandens. Pavyzdžiui, goferiai gali žiemoti ilgiau nei du mėnesius, nereikalaujant vandens, o kupranugaris negeria vandens per dykumą 10–12 dienų.
Lipidų kūrimo funkcija yra ta, kad jie yra neatsiejama ląstelių membranų dalis ir taip pat yra nervų dalis. Apsauginė lipidų funkcija yra ta, kad po oda esantis riebalų sluoksnis aplink inkstus ir kitus vidaus organus apsaugo juos nuo mechaninių pažeidimų. Specifinė šilumos izoliacijos funkcija būdinga gyvūnams, kurie ilgą laiką būna vandenyje: banginiams, ruoniams, kailiniams ruoniams. Storas poodinis riebalų sluoksnis, pavyzdžiui, mėlynojo banginio yra 0,5 m, jis apsaugo gyvūną nuo hipotermijos.
Deguonies svarba ląstelių metabolizmui
Aerobiniai organizmai, tarp kurių yra didžioji dauguma gyvūnų, augalų ir žmonių, naudoja atmosferos deguonį energijos apykaitos reakcijoms,dėl to suyra organinės medžiagos ir išsiskiria tam tikras energijos kiekis, sukauptas adenozino trifosforo rūgšties molekulių pavidalu.
Taigi, visiškai oksiduojant vieną molį gliukozės, kuri vyksta ant mitochondrijų kristalų, išsiskiria 2800 kJ energijos, iš kurios 1596 kJ (55 %) kaupiasi ATP molekulių, turinčių makroerginių medžiagų, pavidalu. obligacijų. Taigi pagrindinė deguonies funkcija ląstelėje yra aerobinio kvėpavimo įgyvendinimas, pagrįstas vadinamosios kvėpavimo grandinės fermentinių reakcijų grupe, vykstančia ląstelės organelėse – mitochondrijose. Prokariotiniuose organizmuose – fototrofinėse bakterijose ir cianobakterijose – maistinių medžiagų oksidacija vyksta veikiant deguoniui, difunduojančiam į ląsteles ant vidinių plazmos membranų ataugų.
Ištyrėme cheminę ląstelių struktūrą, taip pat b altymų biosintezės procesus ir deguonies funkciją ląstelių energijos apykaitoje.
