Kemijska organizacija stanica: organske tvari, makro i mikroelementi

Krajem 19. stoljeća nastao je grana biologije, nazvana biokemija. Istražuje kemijski sastav žive stanice. Glavna zadaća znanosti je spoznaja o osobitosti metabolizma i energije koja regulira vitalnu aktivnost biljnih i životinjskih stanica.

Koncept kemijskog sastava stanica

Kao rezultat brižljivog istraživanja, znanstvenici su proučavali kemijsku organizaciju stanica i otkrili da živa bića imaju više od 85 kemijskih elemenata u njihovom sastavu. A neki od njih su obvezni za gotovo sve organizme, dok su drugi specifični i pojavljuju se u specifičnim biološkim vrstama. Treća skupina kemijskih elemenata prisutna je u stanicama mikroorganizama, biljkama i životinjama u prilično malim količinama. Kemijski elementi stanice su često u obliku kationa i aniona od kojih se mineralne soli i vode, a organski spojevi ugljika sintetizirani: ugljikohidrata, proteina, lipida.

Organogeni elementi

U biokemiji uključuju ugljik, vodik, kisik i dušik. Njihova ukupnost je u stanici od 88 do 97% ostalih kemijskih elemenata u njemu. Posebno je važan ugljik. Sve organske tvari u stanici sastoje se od molekula koje sadrže atome ugljika u njihovom sastavu. Mogu se međusobno povezati, stvarajući lance (razgranate i neravnine), kao i cikluse. Ta sposobnost ugljikovih atoma podrazumijeva strasnu raznolikost organskih tvari koje čine citoplazmu i stanične organele.

Na primjer, unutarnja sadržaj stanice se sastoji od topljivog oligosaharida, hidrofilnih proteini, lipidi, različiti tipovi RNK: RNK prijenos, ribosomna RNA i RNA glasnik, kao slobodni monomer - nukleotida. Takav kemijski sastav ima i stanice jezgre. Također sadrži molekule deoksiribonukleinske kiseline, koje su dio kromosoma. Svi gore navedeni spojevi imaju u sastavu atome dušika, ugljika, kisika, vodika. Ovo je dokaz njihove posebno važne važnosti, jer kemijska organizacija stanica ovisi o sadržaju organogenih elemenata koji čine stanične strukture: hijaloplazme i organele.

Makro elementi i njihova značenja

Kemijski elementi, koji se također često nalaze u stanicama različitih vrsta organizama, nazivaju se makrocelama u biokemiji. Njihov sadržaj u ćeliji je 1,2% - 1,9%. Makroelementi stanica uključuju: fosfor, kalij, klor, sumpor, magnezij, kalcij, željezo i natrij. Svi oni obavljaju važne funkcije i dio su različitih celularnih organela. Tako, željezne ion prisutan u proteinu krvi - hemoglobin, koji prenosi kisik (u kojem slučaju se zove oxyhaemoglobin), ugljičnog dioksida (karbogemoglobin) ili ugljikov dioksid (carboxyhaemoglobin).

Natrij ioni pružaju najvažniju vrstu međustaničnog transporta: tzv. Natrij-kalij pumpa. Oni su također dio intersticijske tekućine i krvne plazme. Magnezijski ioni prisutni su u molekulama klorofila (fotopigment viših biljaka) i sudjeluju u procesu fotosinteze, jer stvaraju reakcijske centre koji hvataju fotone svjetlosne energije.

Ioni kalcija omogućuju provođenje živčanih impulsa duž vlakana, a također su glavna komponenta osteocita - koštanih stanica. Kalcijev spojevi su široko rasprostranjeni u svijetu beskralježnjaka, u kojima su školjke sastavljene od kalcijevog karbonata.

Ioni klora sudjeluju u punjenju staničnih membrana i pružaju izgled električnih impulsa koji su podložni živčanim uzbudama.

Atomi sumpora su dio prirodnih proteina i uzrokuju njihovu tercijarnu strukturu, "šivanje" polipeptidnog lanca, što rezultira stvaranjem globularne molekule proteina.

Kalij iona sudjeluje u transportu tvari kroz stanične membrane. fosforni atomi su dio ove važne energetski intenzivne tvari kao što su adenozin trifosfata i važan dio molekula deoksiribonukleinske i ribonukleinske kiseline, koje su glavne supstancije stanica nasljeđe.

Funkcije mikroelemenata u staničnom metabolizmu

Oko 50 kemijskih elemenata, koji čine manje od 0,1% u stanicama, nazivaju se mikroelementi. To uključuje cink, molibden, jod, bakar, kobalt, fluor. Ako su beznačajni, obavljaju vrlo važne funkcije, budući da su dio mnogih biološki aktivnih tvari.

Na primjer, cink atomi u molekuli inzulina (hormon koji regulira razina glukoze u krvi pankreasa), jod, konstituent tiroidnih hormona - tiroksin i trijodotironin nadzor razine metabolizma u tijelu. Bakar, zajedno s ionima željeza, sudjeluje u hematopoeziji (stvaranje eritrocita, trombocita i leukocita u crvenoj koštanoj srži kralježnjaka). Bakreni ioni dio su pigmenta hemocjanina koji je prisutan u krvi beskralješnjaka, na primjer mekušaca. Stoga, boja hemolimf što imaju plavo.

Još je manje sadržaja u ćeliji takvih kemijskih elemenata kao što su olovo, zlato, brom i srebro. Oni se nazivaju ultramikroelementi i dio su biljnih i životinjskih stanica. Na primjer, u kukuruznim zrnima, zlatni ioni su otkriveni kemijskom analizom. Broma u velikom broju stanica uključenih u thalli smeđe crvene i alge, kao što je, Laminaria Sargassum, Fucus.

Svi gore navedeni primjeri i činjenice objašnjavaju kako se kemijski sastav, funkcije i struktura stanice međusobno povezuju. Tablica u nastavku prikazuje sadržaj različitih kemijskih elemenata u stanicama živih organizama.

Opće značajke organskih tvari

Kemijska svojstva stanica različitih skupina organizama ovise na određeni način na ugljikovim atomima, čija je frakcija veća od 50% stanične mase. Gotovo sva suha tvar ćelije predstavljaju ugljikohidrati, proteini, nukleinske kiseline i lipidi, koji imaju složenu strukturu i veliku molekularnu masu. Takve molekule se nazivaju makromolekule (polimeri) i sastoje se od jednostavnijih elemenata - monomera. Proteinske supstancije igraju izuzetno važnu ulogu i izvode mnoge funkcije, koje će se raspravljati u nastavku.

Uloga proteina u stanici

Biokemijska analiza spojeva koji ulaze u živu stanicu potvrđuje visok sadržaj organskih tvari kao što su proteini u njemu. Ta činjenica ima logično objašnjenje: proteini izvode različite funkcije i sudjeluju u svim manifestacijama stanične životne aktivnosti.

Na primjer, zaštitna funkcija proteina je stvaranje protutijela - imunoglobulini, koje proizvode limfociti. Takvi zaštitni proteini, poput trombina, fibrina i tromboblastina, osiguravaju zgrušavanje krvi i sprječavaju gubitak ozljeda i ozljeda. Stanica se sastoji od složenih proteina staničnih membrana koje imaju sposobnost prepoznavanja stranih spojeva - antigena. Oni mijenjaju konfiguraciju i informiraju ćeliju o potencijalnoj opasnosti (signalna funkcija).

Neki proteini izvode regulatornu funkciju i hormoni, na primjer, oksitocin, proizvedeni od strane hipotalamusa, rezervirani su od hipofize. Ulazak u krv, oksitocin utječe na mišićave zidove maternice, uzrokujući da se ugovori. Protein vazopresin također obavlja regulatornu funkciju, kontrolu krvnog tlaka.

U mišićnim stanicama su aktin i miozin, sposobni za ugovaranje, što uzrokuje motoričku funkciju mišićnog tkiva. Za proteine, trofička funkcija je također karakteristična, na primjer, albumin koristi embrij kao nutrijent za njegov razvoj. Proteini krvi različitih organizama, na primjer hemoglobin i hemocyanin, nose molekule kisika - obavljaju transportnu funkciju. Ako se u potpunosti koriste više energetski intenzivnih tvari, kao što su ugljikohidrati i lipidi, stanica počinje razgraditi proteine. Jedan gram ove tvari daje 17, 2 kJ energije. Jedna od najvažnijih funkcija proteina je katalitička (protein-enzimi ubrzavaju kemijske reakcije koje se javljaju u odjeljku citoplazme). Na temelju gore navedenog, bili smo uvjereni da proteini izvode mnoge vrlo važne funkcije i nužno su dio životinjske stanice.

Biosinteza proteina

Razmotriti proces sinteze proteina u stanici koja se javlja u citoplazmi uz pomoć organela kao što su ribosomi. Zahvaljujući djelovanju posebnih enzima, uz sudjelovanje kalcijevih iona, ribosomi se kombiniraju u polisome. Glavne funkcije ribosoma u stanici su sinteza molekula proteina, koja započinje procesom transkripcije. Kao rezultat toga, sintetizira molekule mRNA, na koje su vezani polisomi. Tada započinje drugi postupak - prijevod. Transport RNA vežu na dvadeset različitih vrsta amino kiseline, ih na polisomu, a od funkcije ribosoma u stanici - sinteze polipeptida, te organele tvoriti komplekse s tRNA, i molekule aminokiselina povezane zajedno s peptidnim vezama pri čemu tvore proteina makromolekulu.

Uloga vode u metaboličkim procesima

Citološki studije potvrdile činjenicu da je stanica struktura i sastav koji smo studij, u prosjeku 70% vode, a kod mnogih životinja, vodeći vode način života (npr koleneteratima) njegov sadržaj doseže 97-98%. S tim u vidu, kemijska organizacija stanica uključuje hidrofilne (sposobne za otapanje) i hidrofobnih (vodoodbojnih) supstanci. Budući da je univerzalno polarno otapalo, voda ima izuzetnu ulogu i izravno utječe ne samo na funkcije već i na samu strukturu ćelije. Tablica u nastavku prikazuje sadržaj vode u stanicama različitih vrsta živih organizama.

Funkcija ugljikohidrata u kavezu

Kao što smo ranije saznali, važni ugljikohidrati važni su organski sastojci - polimeri. To uključuje polisaharide, oligosaharide i monosaharide. Ugljikohidrati su dio složenijih kompleksa - glikolipida i glikoproteina, od kojih su izgrađene stanične membrane i supramembrane strukture, na primjer glikokalip.

Uz ugljik, ugljikohidrati uključuju kisik i vodikove atome, a neki polisaharidi također sadrže dušik, sumpor i fosfor. Stanice brojnih biljnih ugljikohidrata: krumpir gomolji sadržavati do 90% škroba u sjemenu i sadržaja voća ugljikohidrata do 70%, i životinjske stanice mogu se naći u obliku takvih spojeva kao glikogen, hitin i trehaloze.

Jednostavan šećeri (monosaharidi) imaju opću formulu CnH2nOn i podijeljeni su u tetroze, triaze, pentoze i heksoze. Zadnje dvije su najčešće u stanicama živih organizama, na primjer, riboza i deoksiriboza su dio nukleinske kiseline, i glukozu i fruktozu sudjeluju u reakcijama i asimilacije disimilacija. Oligosaharidi se često nalaze u biljnim stanicama: saharoza je pohranjena u stanicama šećerne repe i šećerne trske, maltoza sadržan u caryopses proklijalog raž i ječam.

Disaharidi imaju slatki okus i lako su topljivi u vodi. Polisaharidi, koji su biopolimeri, uglavnom su zastupljeni škrobom, celulozom, glikogenom i laminarnim. Kitin pripada strukturnim oblicima polisaharida. Glavna funkcija ugljikohidrata u stanici je energija. Kao rezultat hidrolize i reakcije metabolizma energije, polisaharidi se razdvajaju do glukoze, a zatim se oksidiraju u ugljični dioksid i vodu. Kao rezultat toga, jedan gram glukoze oslobađa 17,6 kJ energije, a zalihe škroba i glikogena zapravo su rezervoar stanične energije.

Glikogen taloži uglavnom u stanicama mišića i jetre, povrća škrob - u gomolja, lukovice, korijenje, sjemena i člankonožaca, kao što su pauci, kukaca i rakova, glavnu ulogu u opskrbu energijom ima oligosaharida trehalozu.

Ugljikohidrati se razlikuju od lipida i proteina sposobnošću za probavu bez kisika. Ovo je izuzetno važno za organizme koji žive u uvjetima nedostatka ili nedostatka kisika, na primjer, za anaerobne bakterije i helmince - ljudske i životinjske parazite.

Postoji još jedna funkcija ugljikohidrata u konstrukciji kaveza. Sastoji se od činjenice da su ove tvari nosive strukture stanica. Na primjer, celuloza je dio stanične stijenke biljaka, hitin formira vanjski kostur i mnogi beskralježnjaci pojavljuje u stanice gljiva, olisaharidy uz lipida i proteina molekule tvore glycocalyx - nadmembranny kompleks. Omogućuje prianjanje životinjskih stanica među sobom, što dovodi do formiranja tkiva.

Lipidi: struktura i funkcija

Ove organske tvari koje su hidrofobne (netopljive u vodi) mogu se izolirati, tj., Ekstrahirati iz stanica nepolarnim otapalima kao što su aceton ili kloroform. Funkcije lipida u stanici ovise o tome koje od tri skupine pripadaju: masti, voskovi ili steroidi. Masti se najčešće distribuiraju u svim vrstama stanica.

Životinje ih akumuliraju u potkožnom masnom tkivu, živčano tkivo sadrži masnoću u obliku mijelinske ovojnice živci. Također se nakuplja u bubrezima, jetri, insekata - u masnom tijelu. Tekuće masti - ulja - nalaze se u sjemenu mnogih biljaka: cedar, kikiriki, suncokret, masline. Sadržaj lipida u stanicama varira od 5 do 90% (u masnom tkivu).

Steroidi i voskovi razlikuju se od masti u tome što nemaju ostatke masnih kiselina u molekulama. Dakle, steroidi su hormoni kortikalnog sloja adrenalina koji utječu na spolnu sazrijevanje tijela i komponente testosterona. Oni su također dio vitamina (na primjer, vitamin D).

Glavne funkcije lipida u ćeliji su energija, građevina i zaštita. Prvi je zbog činjenice da 1 gram masnoća tijekom cijepanja daje energiju od 38,9 kJ - mnogo više od ostalih organskih tvari - proteina i ugljikohidrata. Osim toga, kada se oksidira 1 g masti, otpada gotovo 1,1 g. voda. Zato neke životinje s masnoćama u tijelu mogu duže ostati bez vode. Na primjer, gofije mogu biti hibernirane duže od dva mjeseca bez potrebe za vodom, a deva ne pijete vodu tijekom prijelaza kroz pustinju 10-12 dana.

Funkcija zgrada lipida je da su sastavni dio staničnih membrana i također čine dio živaca. Zaštitna funkcija lipida je da sloj masti ispod kože oko bubrega i drugih unutarnjih organa štiti od mehaničkih ozljeda. Posebna funkcija toplinske izolacije je svojstvena životinjama koje su dugo bile u vodi: kitovi, brtve, brtve. Debeli subkutani sloj masti, na primjer, u plavom kitu je 0,5 m, štiti životinju od hipotermije.

Važnost kisika u staničnom metabolizmu

Aerobni organizmi, koji uključuju velike većine životinja, biljaka i ljudi, pomoću kisika iz zraka za razmjenu energije koji bi doveli do cijepanja organskih tvari i dodjelu određene količine energije akumulirane u obliku molekula adenozin trifosfata.

Tako će potpuna oksidacija jedan mol glukoze koja se pojavljuje u mitohondrijske cristae, 2800 kJ energije raspoređuje, od kojih 1596 kJ (55%) je pohranjena u obliku ATP molekula koje sadrže macroergic vezu. Dakle, osnovna funkcija kisika u stanici je vježba aerobno disanje, koja se temelji na skupini enzimskih reakcija tzv respiratorni lanac, koji se javljaju u staničnim organelima - mitohondrijima. U prokariotskih organizama - fototrofnih bakterije i cijanobakterije - oksidacija hranjiva pojavljuje pod utjecajem kisika difuziju u stanice unutarnje izbočenja plazma membrane.

Proučavali smo kemijsku organizaciju stanica i istražili procese biosinteze proteina i funkciju kisika u metabolizmu stanične energije.