La sfârșitul secolului al XIX-lea s-a format o ramură a biologiei numită biochimie. Studiază compoziția chimică a unei celule vii. Sarcina principală a științei este cunoașterea caracteristicilor metabolismului și energiei care reglează activitatea vitală a celulelor vegetale și animale.
Conceptul compoziției chimice a celulei
Ca urmare a unor cercetări atente, oamenii de știință au studiat organizarea chimică a celulelor și au descoperit că ființele vii au mai mult de 85 de elemente chimice în compoziția lor. Mai mult, unele dintre ele sunt obligatorii pentru aproape toate organismele, în timp ce altele sunt specifice și se găsesc la anumite specii biologice. Și al treilea grup de elemente chimice este prezent în celulele microorganismelor, plantelor și animalelor în cantități destul de mici. Celulele conțin elemente chimice cel mai adesea sub formă de cationi și anioni, din care se formează săruri minerale și apă, iar compuși organici care conțin carbon sunt sintetizați: carbohidrați, proteine, lipide.
Elemente organice
În biochimie, acestea includ carbonul, hidrogenul,oxigen si azot. Totalitatea lor în celulă este de la 88 la 97% din celel alte elemente chimice din ea. Carbonul este deosebit de important. Toate substanțele organice din compoziția celulei sunt compuse din molecule care conțin atomi de carbon în compoziția lor. Ele sunt capabile să se conecteze între ele, formând lanțuri (ramificate și neramificate), precum și cicluri. Această capacitate a atomilor de carbon stă la baza varietății uimitoare de substanțe organice care alcătuiesc citoplasma și organelele celulare.
De exemplu, conținutul intern al unei celule este format din oligozaharide solubile, proteine hidrofile, lipide, diverse tipuri de acid ribonucleic: ARN de transfer, ARN ribozomal și ARN mesager, precum și monomeri liberi - nucleotide. Nucleul celular are o compoziție chimică similară. De asemenea, conține molecule de acid dezoxiribonucleic care fac parte din cromozomi. Toți compușii de mai sus conțin atomi de azot, carbon, oxigen, hidrogen. Aceasta este o dovadă a semnificației lor deosebit de importante, deoarece organizarea chimică a celulelor depinde de conținutul de elemente organogenice care alcătuiesc structurile celulare: hialoplasma și organele.
Macroelemente și semnificațiile acestora
Elementele chimice, care sunt, de asemenea, foarte frecvente în celulele diferitelor tipuri de organisme, sunt numite macronutrienți în biochimie. Conținutul lor în celulă este de 1,2% - 1,9%. Macroelementele celulei includ: fosfor, potasiu, clor, sulf, magneziu, calciu, fier și sodiu. Toate îndeplinesc funcții importante și fac parte din diverseorganele celulare. Deci, ionul feros este prezent în proteina din sânge - hemoglobina, care transportă oxigen (în acest caz se numește oxihemoglobină), dioxid de carbon (carbohemoglobină) sau monoxid de carbon (carboxihemoglobină).
Ionii de sodiu asigură cel mai important tip de transport intercelular: așa-numita pompă de sodiu-potasiu. De asemenea, fac parte din lichidul interstițial și din plasma sanguină. Ionii de magneziu sunt prezenți în moleculele de clorofilă (fotopigmentul plantelor superioare) și participă la procesul de fotosinteză, deoarece formează centre de reacție care captează fotonii energiei luminii.
Ionii de calciu asigură conducerea impulsurilor nervoase de-a lungul fibrelor și sunt, de asemenea, componenta principală a osteocitelor - celulele osoase. Compușii de calciu sunt răspândiți pe scară largă în lumea nevertebratelor, ale căror cochilii sunt compuse din carbonat de calciu.
Ionii de clor sunt implicați în reîncărcarea membranelor celulare și asigură apariția impulsurilor electrice care stau la baza excitației nervoase.
Atomii de sulf fac parte din proteinele native și determină structura lor terțiară prin „reticulare” lanțului polipeptidic, rezultând formarea unei molecule de proteine globulare.
Ionii de potasiu sunt implicați în transportul de substanțe prin membranele celulare. Atomii de fosfor fac parte dintr-o substanță atât de importantă consumatoare de energie precum acidul adenozin trifosforic și sunt, de asemenea, o componentă importantă a moleculelor de acid dezoxiribonucleic și ribonucleic, care sunt principalele substanțe ale eredității celulare.
Funcțiile oligoelementelor din celularmetabolism
Aproximativ 50 de elemente chimice care constituie mai puțin de 0,1% în celule sunt numite oligoelemente. Acestea includ zinc, molibden, iod, cupru, cob alt, fluor. Cu un conținut nesemnificativ, îndeplinesc funcții foarte importante, întrucât fac parte din multe substanțe biologic active.
De exemplu, atomii de zinc se găsesc în moleculele de insulină (un hormon pancreatic care reglează nivelul de glucoză din sânge), iodul este o parte integrantă a hormonilor tiroidieni - tiroxina și triiodotironina, care controlează nivelul metabolismului în corp. Cuprul, împreună cu ionii de fier, este implicat în hematopoieza (formarea eritrocitelor, trombocitelor și leucocitelor în măduva osoasă roșie a vertebratelor). Ionii de cupru fac parte din pigmentul hemocianin prezent în sângele nevertebratelor, cum ar fi moluștele. Prin urmare, culoarea hemolimfei lor este albastră.
Și mai puțin conținut în celulă de elemente chimice precum plumb, aur, brom, argint. Se numesc ultramicroelemente și fac parte din celulele vegetale și animale. De exemplu, ionii de aur au fost detectați în boabele de porumb prin analiză chimică. Atomii de brom în cantități mari fac parte din celulele talului algelor maro și roșii, cum ar fi sargasul, varecul, fucus.
Toate exemplele și faptele de mai sus explică modul în care compoziția chimică, funcțiile și structura celulei sunt interconectate. Tabelul de mai jos arată conținutul diferitelor elemente chimice din celulele organismelor vii.
Caracteristicile generale ale substanțelor organice
Proprietățile chimice ale celulelor diferitelor grupuri de organisme depind într-un anumit fel de atomii de carbon, a căror proporție este mai mare de 50% din masa celulei. Aproape toată materia uscată a celulei este reprezentată de carbohidrați, proteine, acizi nucleici și lipide, care au o structură complexă și greutate moleculară mare. Astfel de molecule se numesc macromolecule (polimeri) și constau din elemente mai simple - monomeri. Substanțele proteice joacă un rol extrem de important și îndeplinesc multe funcții, care vor fi discutate mai jos.
Rolul proteinelor în celulă
Analiza biochimică a compușilor care alcătuiesc o celulă vie confirmă conținutul ridicat de substanțe organice precum proteinele din aceasta. Există o explicație logică pentru acest fapt: proteinele îndeplinesc diverse funcții și sunt implicate în toate manifestările vieții celulare.
De exemplu, funcția protectoare a proteinelor este formarea de anticorpi - imunoglobuline produse de limfocite. Proteinele protectoare precum trombina, fibrina și tromboblastina asigură coagularea sângelui și previn pierderea acestuia în timpul rănilor și rănilor. Compoziția celulei include proteine complexe ale membranelor celulare care au capacitatea de a recunoaște compuși străini - antigene. Își schimbă configurația și informează celula despre pericol potențial (funcția de semnalizare).
Unele proteine au o funcție de reglare și sunt hormoni, de exemplu, oxitocina produsă de hipotalamus este rezervată de glanda pituitară. De la ea lasânge, oxitocina acționează asupra pereților musculari ai uterului, determinând contractarea acestuia. Vasopresina proteică are și o funcție de reglare, controlând tensiunea arterială.
În celulele musculare există actină și miozina care se pot contracta, ceea ce determină funcția motorie a țesutului muscular. Proteinele au și o funcție trofică, de exemplu, albumina este folosită de embrion ca nutrient pentru dezvoltarea sa. Proteinele din sânge ale diferitelor organisme, cum ar fi hemoglobina și hemocianina, transportă molecule de oxigen - îndeplinesc o funcție de transport. Dacă sunt utilizate pe deplin substanțe care consumă mai multă energie, cum ar fi carbohidrații și lipidele, celula continuă să descompună proteinele. Un gram din această substanță dă 17,2 kJ de energie. Una dintre cele mai importante funcții ale proteinelor este catalitică (proteinele enzimatice accelerează reacțiile chimice care au loc în compartimentele citoplasmei). Pe baza celor de mai sus, am fost convinși că proteinele îndeplinesc multe funcții foarte importante și fac neapărat parte din celula animală.
Biosinteza proteinelor
Luați în considerare procesul de sinteză a proteinelor într-o celulă, care are loc în citoplasmă cu ajutorul organelelor precum ribozomii. Datorită activității enzimelor speciale, cu participarea ionilor de calciu, ribozomii sunt combinați în polizomi. Principalele funcții ale ribozomilor dintr-o celulă sunt sinteza moleculelor de proteine, care începe cu procesul de transcripție. Ca rezultat, sunt sintetizate molecule de ARNm, de care sunt atașați polizomi. Apoi începe al doilea proces - traducerea. Transfer ARN-urise combină cu douăzeci de tipuri diferite de aminoacizi și le aduc la polizomi și, deoarece funcțiile ribozomilor dintr-o celulă sunt sinteza polipeptidelor, aceste organite formează complexe cu ARNt, iar moleculele de aminoacizi se leagă între ele prin legături peptidice, formând un macromoleculă proteică.
Rolul apei în procesele metabolice
Studiile citologice au confirmat faptul că celula, a cărei structură și compoziție studiem, este în medie 70% apă, iar la multe animale care duc un mod de viață acvatic (de exemplu celenterate), conținutul ajunge la 97-98 %. Având în vedere acest lucru, organizarea chimică a celulelor include substanțe hidrofile (capate de dizolvare) și hidrofobe (repelente la apă). Fiind un solvent polar universal, apa joacă un rol excepțional și afectează direct nu numai funcțiile, ci și însăși structura celulei. Tabelul de mai jos arată conținutul de apă din celulele diferitelor tipuri de organisme vii.
Funcția carbohidraților în celulă
După cum am aflat mai devreme, carbohidrații sunt, de asemenea, substanțe organice importante - polimeri. Acestea includ polizaharide, oligozaharide și monozaharide. Carbohidrații fac parte din complexe mai complexe - glicolipidele și glicoproteinele, din care sunt construite membranele celulare și structurile supramembranare, cum ar fi glicocalixul.
Pe lângă carbon, carbohidrații conțin atomi de oxigen și hidrogen, iar unele polizaharide conțin și azot, sulf și fosfor. Există o mulțime de carbohidrați în celulele vegetale: tuberculii de cartoficonțin până la 90% amidon, semințele și fructele conțin până la 70% carbohidrați, iar în celulele animale se găsesc sub formă de compuși precum glicogenul, chitina și trehaloza.
Zaharele simple (monozaharide) au formula generală CnH2nOn și se împart în tetroze, trioze, pentoze și hexoze. Ultimele două sunt cele mai comune în celulele organismelor vii, de exemplu, riboza și deoxiriboza fac parte din acizii nucleici, iar glucoza și fructoza participă la reacțiile de asimilare și disimilare. Oligozaharidele se găsesc adesea în celulele vegetale: zaharoza este stocată în celulele sfeclei de zahăr și a trestiei de zahăr, m altoza se găsește în boabele germinate de secară și orz.
Disaharidele au un gust dulce și se dizolvă bine în apă. Polizaharidele, fiind biopolimeri, sunt reprezentate în principal de amidon, celuloză, glicogen și laminarina. Chitina aparține formelor structurale ale polizaharidelor. Funcția principală a carbohidraților din celulă este energia. Ca urmare a hidrolizei și reacțiilor de metabolism energetic, polizaharidele sunt descompuse în glucoză, iar apoi sunt oxidate în dioxid de carbon și apă. Drept urmare, un gram de glucoză eliberează 17,6 kJ de energie, iar depozitele de amidon și glicogen sunt, de fapt, un rezervor de energie celulară.
Glicogenul este stocat în principal în țesutul muscular și celulele hepatice, amidonul vegetal în tuberculi, bulbi, rădăcini, semințe și în artropode precum păianjeni, insecte și crustacee, oligozaharida trehaloză joacă un rol major în furnizarea de energie.
Carbohidrațidiferă de lipide și proteine prin capacitatea lor de a cliva fără oxigen. Acest lucru este extrem de important pentru organismele care trăiesc în condiții de deficiență sau absență de oxigen, cum ar fi bacteriile anaerobe și helminții - paraziți ai oamenilor și animalelor.
Există o altă funcție a carbohidraților în celulă - construirea (structurală). Constă în faptul că aceste substanțe sunt structurile de susținere ale celulelor. De exemplu, celuloza face parte din pereții celulari ai plantelor, chitina formează scheletul exterior al multor nevertebrate și se găsește în celulele fungice, olizaharidele, împreună cu moleculele de lipide și proteine, formează un glicocalix - un complex epimembranar. Oferă aderență - aderența celulelor animale între ele, ducând la formarea țesuturilor.
Lipide: structură și funcții
Aceste substanțe organice, care sunt hidrofobe (insolubile în apă), pot fi extrase, adică extrase din celule, folosind solvenți nepolari precum acetona sau cloroformul. Funcțiile lipidelor dintr-o celulă depind de care dintre cele trei grupe îi aparțin: grăsimi, ceară sau steroizi. Grăsimile sunt cele mai abundente în toate tipurile de celule.
Animalele le acumulează în țesutul adipos subcutanat, țesutul nervos conține grăsime sub formă de teci de mielină a nervilor. De asemenea, se acumulează în rinichi, ficat, la insecte - în corpul adipos. Grăsimile lichide – uleiurile – se găsesc în semințele multor plante: cedru, arahide, floarea soarelui, măslin. Conținutul de lipide din celule variază de la 5 la 90% (în țesutul adipos).
Steroizi și cearădiferă de grăsimi prin faptul că nu conțin reziduuri de acizi grași în moleculele lor. Deci, steroizii sunt hormoni ai cortexului suprarenal care afectează pubertatea corpului și sunt componente ale testosteronului. Se găsesc și în vitamine (cum ar fi vitamina D).
Principalele funcții ale lipidelor din celulă sunt energetice, edificatoare și protectoare. Prima se datorează faptului că 1 gram de grăsime în timpul divizării oferă 38,9 kJ de energie - mult mai mult decât alte substanțe organice - proteine și carbohidrați. În plus, în timpul oxidării a 1 g de grăsime, se eliberează aproape 1,1 g. apă. De aceea, unele animale, având un aport de grăsime în organism, pot rămâne fără apă pentru o perioadă lungă de timp. De exemplu, gophers pot hiberna mai mult de două luni fără a avea nevoie de apă, iar o cămilă nu bea apă când traversează deșertul timp de 10-12 zile.
Funcția de construcție a lipidelor este aceea că sunt parte integrantă a membranelor celulare și, de asemenea, fac parte din nervi. Funcția de protecție a lipidelor este aceea că un strat de grăsime sub piele în jurul rinichilor și a altor organe interne le protejează de leziuni mecanice. O funcție specifică de izolare termică este inerentă animalelor care se află în apă mult timp: balene, foci, foci cu blană. Un strat gros de grăsime subcutanată, de exemplu, la o balenă albastră are 0,5 m, protejează animalul de hipotermie.
Importanța oxigenului în metabolismul celular
Organismele aerobe, care includ marea majoritate a animalelor, plantelor și oamenilor, folosesc oxigenul atmosferic pentru reacțiile de metabolism energetic,ducând la descompunerea substanţelor organice şi la eliberarea unei anumite cantităţi de energie acumulată sub formă de molecule de acid adenozin trifosforic.
Astfel, odată cu oxidarea completă a unui mol de glucoză, care are loc pe cresta mitocondriilor, se eliberează 2800 kJ de energie, din care 1596 kJ (55%) sunt stocate sub formă de molecule de ATP care conțin macroergice. obligațiuni. Astfel, principala funcție a oxigenului în celulă este implementarea respirației aerobe, care se bazează pe un grup de reacții enzimatice ale așa-numitului lanț respirator, care apar în organele celulare - mitocondrii. La organismele procariote - bacteriile fototrofe și cianobacteriile - oxidarea nutrienților are loc sub acțiunea difuzării oxigenului în celule pe excrescențe interne ale membranelor plasmatice.
Am studiat organizarea chimică a celulelor, precum și procesele de biosinteză a proteinelor și funcția oxigenului în metabolismul energetic celular.
