Sa pagtatapos ng ika-19 na siglo, nabuo ang isang sangay ng biology na tinatawag na biochemistry. Pinag-aaralan nito ang kemikal na komposisyon ng isang buhay na selula. Ang pangunahing gawain ng agham ay ang kaalaman sa mga katangian ng metabolismo at enerhiya na kumokontrol sa mahahalagang aktibidad ng mga selula ng halaman at hayop.
Ang konsepto ng kemikal na komposisyon ng cell
Bilang resulta ng maingat na pagsasaliksik, pinag-aralan ng mga siyentipiko ang kemikal na organisasyon ng mga selula at nalaman na ang mga nabubuhay na nilalang ay may higit sa 85 elemento ng kemikal sa kanilang komposisyon. Bukod dito, ang ilan sa mga ito ay obligado para sa halos lahat ng mga organismo, habang ang iba ay tiyak at matatagpuan sa mga tiyak na biological species. At ang ikatlong pangkat ng mga elemento ng kemikal ay naroroon sa mga selula ng mga mikroorganismo, halaman at hayop sa medyo maliit na dami. Ang mga cell ay naglalaman ng mga elemento ng kemikal na kadalasang nasa anyo ng mga kation at anion, kung saan nabuo ang mga mineral na asin at tubig, at ang mga organikong compound na naglalaman ng carbon ay synthesize: carbohydrates, protina, lipid.
Mga Organogenic na elemento
Sa biochemistry kabilang dito ang carbon, hydrogen,oxygen at nitrogen. Ang kanilang kabuuan sa cell ay mula 88 hanggang 97% ng iba pang mga elemento ng kemikal sa loob nito. Ang carbon ay lalong mahalaga. Ang lahat ng mga organikong sangkap sa komposisyon ng cell ay binubuo ng mga molekula na naglalaman ng mga atomo ng carbon sa kanilang komposisyon. Nagagawa nilang kumonekta sa isa't isa, na bumubuo ng mga kadena (branched at unbranched), pati na rin ang mga cycle. Ang kakayahang ito ng mga carbon atom ay sumasailalim sa kamangha-manghang iba't ibang mga organikong sangkap na bumubuo sa cytoplasm at cellular organelles.
Halimbawa, ang panloob na nilalaman ng isang cell ay binubuo ng natutunaw na oligosaccharides, hydrophilic proteins, lipids, iba't ibang uri ng ribonucleic acid: transfer RNA, ribosomal RNA at messenger RNA, pati na rin ang mga libreng monomer - nucleotides. Ang cell nucleus ay may katulad na kemikal na komposisyon. Naglalaman din ito ng mga molekula ng deoxyribonucleic acid na bahagi ng mga chromosome. Ang lahat ng mga compound sa itaas ay naglalaman ng mga atomo ng nitrogen, carbon, oxygen, hydrogen. Ito ay patunay ng kanilang partikular na mahalagang kahalagahan, dahil ang kemikal na organisasyon ng mga cell ay nakasalalay sa nilalaman ng mga organogenic na elemento na bumubuo sa mga istruktura ng cellular: hyaloplasm at organelles.
Macro element at ang mga kahulugan nito
Ang mga kemikal na elemento, na karaniwan din sa mga selula ng iba't ibang uri ng mga organismo, ay tinatawag na macronutrients sa biochemistry. Ang kanilang nilalaman sa cell ay 1.2% - 1.9%. Ang mga macroelement ng cell ay kinabibilangan ng: phosphorus, potassium, chlorine, sulfur, magnesium, calcium, iron at sodium. Lahat ng mga ito ay gumaganap ng mahahalagang tungkulin at bahagi ng iba't-ibangmga organel ng cell. Kaya, ang ferrous ion ay naroroon sa protina ng dugo - hemoglobin, na nagdadala ng oxygen (sa kasong ito ay tinatawag itong oxyhemoglobin), carbon dioxide (carbohemoglobin) o carbon monoxide (carboxyhemoglobin).
Ang mga sodium ions ay nagbibigay ng pinakamahalagang uri ng intercellular transport: ang tinatawag na sodium-potassium pump. Bahagi rin sila ng interstitial fluid at plasma ng dugo. Ang mga ion ng magnesium ay nasa mga molekula ng chlorophyll (photopigment ng mas matataas na halaman) at nakikilahok sa proseso ng photosynthesis, habang bumubuo sila ng mga sentro ng reaksyon na kumukuha ng mga photon ng light energy.
Ang
Calcium ions ay nagbibigay ng pagpapadaloy ng mga nerve impulses sa kahabaan ng mga hibla, at ito rin ang pangunahing bahagi ng mga osteocytes - mga selula ng buto. Ang mga compound ng calcium ay malawak na ipinamamahagi sa mundo ng mga invertebrate, na ang mga shell ay binubuo ng calcium carbonate.
Kasangkot ang mga chlorine ions sa muling pagkarga ng mga lamad ng cell at nagbibigay ng paglitaw ng mga electrical impulse na sumasailalim sa nervous excitation.
Ang mga sulfur atom ay bahagi ng mga katutubong protina at tinutukoy ang kanilang tertiary structure sa pamamagitan ng "pag-crosslink" sa polypeptide chain, na nagreresulta sa pagbuo ng isang globular protein molecule.
Potassium ions ay kasangkot sa transportasyon ng mga substance sa mga cell membrane. Ang mga phosphorus atom ay bahagi ng isang mahalagang sangkap na masinsinang enerhiya gaya ng adenosine triphosphoric acid, at isa ring mahalagang bahagi ng mga molekula ng deoxyribonucleic at ribonucleic acid, na siyang mga pangunahing sangkap ng cellular heredity.
Mga function ng trace elements sa cellularmetabolismo
Humigit-kumulang 50 elemento ng kemikal na bumubuo ng mas mababa sa 0.1% sa mga cell ay tinatawag na trace elements. Kabilang dito ang zinc, molibdenum, yodo, tanso, kob alt, fluorine. Sa hindi gaanong kabuluhan na nilalaman, gumaganap sila ng napakahalagang mga function, dahil bahagi sila ng maraming biologically active substance.
Halimbawa, ang mga zinc atom ay matatagpuan sa mga molekula ng insulin (isang pancreatic hormone na kumokontrol sa mga antas ng glucose sa dugo), ang iodine ay isang mahalagang bahagi ng mga thyroid hormone - thyroxine at triiodothyronine, na kumokontrol sa antas ng metabolismo sa katawan. Ang tanso, kasama ang mga iron ions, ay kasangkot sa hematopoiesis (ang pagbuo ng mga erythrocytes, platelet at leukocytes sa red bone marrow ng vertebrates). Ang mga copper ions ay bahagi ng hemocyanin pigment na nasa dugo ng mga invertebrate, tulad ng mga mollusk. Samakatuwid, ang kulay ng kanilang hemolymph ay asul.
Kahit na mas kaunting nilalaman sa cell ng mga elementong kemikal gaya ng lead, ginto, bromine, pilak. Ang mga ito ay tinatawag na ultramicroelements at bahagi ng mga selula ng halaman at hayop. Halimbawa, ang mga gintong ions ay nakita sa mga butil ng mais sa pamamagitan ng pagsusuri ng kemikal. Ang mga atomo ng bromine sa malalaking dami ay bahagi ng mga selula ng thallus ng kayumanggi at pulang algae, gaya ng sargassum, kelp, fucus.
Ang lahat ng mga halimbawa at katotohanan sa itaas ay nagpapaliwanag kung paano magkakaugnay ang kemikal na komposisyon, mga pag-andar at istraktura ng cell. Ipinapakita ng talahanayan sa ibaba ang nilalaman ng iba't ibang elemento ng kemikal sa mga selula ng mga buhay na organismo.
Mga pangkalahatang katangian ng mga organikong sangkap
Ang mga kemikal na katangian ng mga cell ng iba't ibang grupo ng mga organismo sa isang tiyak na paraan ay nakasalalay sa mga carbon atom, na ang proporsyon nito ay higit sa 50% ng masa ng cell. Halos lahat ng dry matter ng cell ay kinakatawan ng carbohydrates, proteins, nucleic acids at lipids, na may kumplikadong istraktura at malaking molekular na timbang. Ang ganitong mga molekula ay tinatawag na macromolecules (polymers) at binubuo ng mas simpleng elemento - monomer. Ang mga sangkap ng protina ay gumaganap ng isang napakahalagang papel at gumaganap ng maraming mga function, na tatalakayin sa ibaba.
Ang papel ng mga protina sa cell
Biochemical analysis ng mga compound na bumubuo sa isang buhay na cell ay nagpapatunay sa mataas na nilalaman ng mga organikong sangkap tulad ng mga protina sa loob nito. Mayroong lohikal na paliwanag para sa katotohanang ito: ang mga protina ay gumaganap ng iba't ibang mga function at kasangkot sa lahat ng mga pagpapakita ng buhay ng cellular.
Halimbawa, ang proteksiyon na function ng mga protina ay ang pagbuo ng mga antibodies - mga immunoglobulin na ginawa ng mga lymphocytes. Ang mga proteksiyong protina tulad ng thrombin, fibrin at thromboblastin ay nagbibigay ng pamumuo ng dugo at pinipigilan ang pagkawala nito sa panahon ng mga pinsala at sugat. Kasama sa komposisyon ng cell ang mga kumplikadong protina ng mga lamad ng cell na may kakayahang makilala ang mga dayuhang compound - antigens. Binabago nila ang kanilang configuration at ipinapaalam sa cell ang potensyal na panganib (signaling function).
May regulatory function ang ilang protina at mga hormone, halimbawa, ang oxytocin na ginawa ng hypothalamus ay nakalaan ng pituitary gland. Mula dito hanggangdugo, kumikilos ang oxytocin sa mga muscular wall ng matris, na nagiging sanhi ng pagkontrata nito. Ang protina na vasopressin ay mayroon ding regulatory function, na kinokontrol ang presyon ng dugo.
Sa mga selula ng kalamnan ay mayroong actin at myosin na maaaring magkontrata, na tumutukoy sa paggana ng motor ng tissue ng kalamnan. Ang mga protina ay mayroon ding trophic function, halimbawa, ang albumin ay ginagamit ng embryo bilang isang nutrient para sa pag-unlad nito. Ang mga protina ng dugo ng iba't ibang mga organismo, tulad ng hemoglobin at hemocyanin, ay nagdadala ng mga molekula ng oxygen - nagsasagawa sila ng isang function ng transportasyon. Kung mas maraming enerhiya-intensive substance tulad ng carbohydrates at lipids ay ganap na nagamit, ang cell ay nagpapatuloy sa pagsira ng mga protina. Ang isang gramo ng sangkap na ito ay nagbibigay ng 17.2 kJ ng enerhiya. Ang isa sa pinakamahalagang pag-andar ng mga protina ay catalytic (ang mga protina ng enzyme ay nagpapabilis ng mga reaksiyong kemikal na nagaganap sa mga kompartamento ng cytoplasm). Batay sa nabanggit, kumbinsido kami na ang mga protina ay gumaganap ng maraming napakahalagang tungkulin at kinakailangang bahagi ng selula ng hayop.
Protein biosynthesis
Isaalang-alang ang proseso ng synthesis ng protina sa isang cell, na nangyayari sa cytoplasm sa tulong ng mga organel tulad ng ribosomes. Salamat sa aktibidad ng mga espesyal na enzyme, kasama ang pakikilahok ng mga calcium ions, ang mga ribosome ay pinagsama sa polysomes. Ang mga pangunahing pag-andar ng ribosome sa isang cell ay ang synthesis ng mga molekula ng protina, na nagsisimula sa proseso ng transkripsyon. Bilang isang resulta, ang mga molekula ng mRNA ay synthesize, kung saan ang mga polysome ay nakakabit. Pagkatapos ay magsisimula ang pangalawang proseso - pagsasalin. Ilipat ang mga RNApinagsama sa dalawampung iba't ibang uri ng mga amino acid at dinadala ang mga ito sa polysomes, at dahil ang mga function ng ribosomes sa isang cell ay ang synthesis ng polypeptides, ang mga organelles na ito ay bumubuo ng mga complex na may tRNA, at ang mga molekula ng amino acid ay nagbubuklod sa isa't isa sa pamamagitan ng mga peptide bond, na bumubuo ng isang protina macromolecule.
Ang papel ng tubig sa mga metabolic process
Kinumpirma ng mga pag-aaral sa cytological ang katotohanan na ang cell, ang istraktura at komposisyon ng ating pinag-aaralan, ay nasa average na 70% na tubig, at sa maraming mga hayop na namumuhay sa tubig (halimbawa, coelenterates), ang ang nilalaman ay umabot sa 97-98 %. Sa pag-iisip na ito, ang kemikal na organisasyon ng mga cell ay kinabibilangan ng hydrophilic (may kakayahang matunaw) at hydrophobic (water-repellent) na mga sangkap. Bilang isang unibersal na polar solvent, ang tubig ay gumaganap ng isang pambihirang papel at direktang nakakaapekto hindi lamang sa mga pag-andar, kundi pati na rin sa mismong istraktura ng cell. Ipinapakita ng talahanayan sa ibaba ang nilalaman ng tubig sa mga selula ng iba't ibang uri ng mga buhay na organismo.
Ang function ng carbohydrates sa cell
Tulad ng nalaman natin kanina, ang carbohydrates ay mahalagang organic substances din - polymers. Kabilang dito ang polysaccharides, oligosaccharides at monosaccharides. Ang carbohydrates ay bahagi ng mas kumplikadong mga complex - glycolipids at glycoproteins, kung saan nabuo ang mga cell membrane at supra-membrane structure, gaya ng glycocalyx.
Bukod sa carbon, ang carbohydrates ay naglalaman ng oxygen at hydrogen atoms, at ang ilang polysaccharides ay naglalaman din ng nitrogen, sulfur at phosphorus. Mayroong maraming carbohydrates sa mga selula ng halaman: patatas tubersnaglalaman ng hanggang 90% na starch, ang mga buto at prutas ay naglalaman ng hanggang 70% na carbohydrates, at sa mga selula ng hayop sila ay matatagpuan sa anyo ng mga compound tulad ng glycogen, chitin at trehalose.
Simple sugars (monosaccharides) ay may pangkalahatang formula na CnH2nOn at nahahati sa tetroses, trioses, pentoses at hexoses. Ang huling dalawa ay ang pinakakaraniwan sa mga selula ng mga buhay na organismo, halimbawa, ang ribose at deoxyribose ay bahagi ng mga nucleic acid, at ang glucose at fructose ay nakikibahagi sa mga reaksyon ng asimilasyon at dissimilation. Ang oligosaccharides ay madalas na matatagpuan sa mga selula ng halaman: ang sucrose ay nakaimbak sa mga selula ng sugar beet at tubo, ang m altose ay matatagpuan sa mga tumubo na butil ng rye at barley.
Ang disaccharides ay may matamis na lasa at mahusay na natutunaw sa tubig. Ang mga polysaccharides, bilang mga biopolymer, ay pangunahing kinakatawan ng starch, cellulose, glycogen at laminarin. Ang chitin ay kabilang sa mga istrukturang anyo ng polysaccharides. Ang pangunahing pag-andar ng carbohydrates sa cell ay enerhiya. Bilang resulta ng mga reaksyon ng hydrolysis at metabolismo ng enerhiya, ang mga polysaccharides ay nasira sa glucose, at pagkatapos ay na-oxidize ito sa carbon dioxide at tubig. Bilang resulta, ang isang gramo ng glucose ay naglalabas ng 17.6 kJ ng enerhiya, at ang mga tindahan ng starch at glycogen, sa katunayan, ay isang reservoir ng cellular energy.
Ang
Glycogen ay pangunahing iniimbak sa tissue ng kalamnan at mga selula ng atay, vegetable starch sa tubers, bulbs, ugat, buto, at sa mga arthropod gaya ng mga spider, insekto at crustacean, ang trehalose oligosaccharide ay gumaganap ng malaking papel sa supply ng enerhiya.
Carbohydratesnaiiba sa mga lipid at protina sa kanilang kakayahang mag-cleavage na walang oxygen. Napakahalaga nito para sa mga organismo na nabubuhay sa mga kondisyon ng kakulangan o kawalan ng oxygen, gaya ng anaerobic bacteria at helminths - mga parasito ng tao at hayop.
May isa pang function ng carbohydrates sa cell - pagbuo (structural). Ito ay nakasalalay sa katotohanan na ang mga sangkap na ito ay ang mga sumusuportang istruktura ng mga selula. Halimbawa, ang selulusa ay bahagi ng mga dingding ng cell ng mga halaman, ang chitin ay bumubuo sa panlabas na balangkas ng maraming mga invertebrates at matatagpuan sa mga fungal cell, olisaccharides, kasama ang mga molekula ng lipid at protina, ay bumubuo ng isang glycocalyx - isang epimembrane complex. Nagbibigay ito ng adhesion - ang pagdikit ng mga selula ng hayop sa isa't isa, na humahantong sa pagbuo ng mga tissue.
Lipid: istraktura at mga function
Ang mga organikong sangkap na ito, na hydrophobic (hindi matutunaw sa tubig), ay maaaring kunin, ibig sabihin, kinukuha mula sa mga cell, gamit ang mga non-polar solvent gaya ng acetone o chloroform. Ang mga pag-andar ng mga lipid sa isang cell ay nakasalalay sa kung alin sa tatlong grupo ang kinabibilangan nila: mga taba, wax, o steroid. Ang mga taba ang pinakamarami sa lahat ng uri ng cell.
Iniipon sila ng mga hayop sa subcutaneous adipose tissue, ang nervous tissue ay naglalaman ng taba sa anyo ng myelin sheaths ng nerves. Naiipon din ito sa bato, atay, sa mga insekto - sa matabang katawan. Ang mga likidong taba - mga langis - ay matatagpuan sa mga buto ng maraming halaman: cedar, mani, sunflower, olive. Ang nilalaman ng mga lipid sa mga cell ay mula 5 hanggang 90% (sa adipose tissue).
Mga steroid at waxnaiiba sa mga taba dahil hindi sila naglalaman ng mga residu ng fatty acid sa kanilang mga molekula. Kaya, ang mga steroid ay mga hormone ng adrenal cortex na nakakaapekto sa pagdadalaga ng katawan at mga bahagi ng testosterone. Matatagpuan din ang mga ito sa mga bitamina (tulad ng bitamina D).
Ang pangunahing tungkulin ng mga lipid sa cell ay enerhiya, pagbuo at proteksyon. Ang una ay dahil sa ang katunayan na ang 1 gramo ng taba sa panahon ng paghahati ay nagbibigay ng 38.9 kJ ng enerhiya - higit pa kaysa sa iba pang mga organikong sangkap - mga protina at carbohydrates. Bilang karagdagan, sa panahon ng oksihenasyon ng 1 g ng taba, halos 1.1 g ay inilabas. tubig. Iyon ang dahilan kung bakit ang ilang mga hayop, na may suplay ng taba sa kanilang katawan, ay maaaring walang tubig sa mahabang panahon. Halimbawa, ang mga gopher ay maaaring mag-hibernate nang higit sa dalawang buwan nang hindi nangangailangan ng tubig, at ang isang kamelyo ay hindi umiinom ng tubig kapag tumatawid sa disyerto sa loob ng 10–12 araw.
Ang paggana ng pagbuo ng mga lipid ay ang mga ito ay isang mahalagang bahagi ng mga lamad ng cell, at bahagi din ng mga nerbiyos. Ang proteksiyon na function ng mga lipid ay ang isang layer ng taba sa ilalim ng balat sa paligid ng mga bato at iba pang mga panloob na organo ay nagpoprotekta sa kanila mula sa mekanikal na pinsala. Ang isang tiyak na function ng thermal insulation ay likas sa mga hayop na nasa tubig sa loob ng mahabang panahon: mga balyena, seal, fur seal. Ang isang makapal na subcutaneous fat layer, halimbawa, sa isang blue whale ay 0.5 m, pinoprotektahan nito ang hayop mula sa hypothermia.
Ang kahalagahan ng oxygen sa cellular metabolism
Ang mga aerobic na organismo, na kinabibilangan ng karamihan ng mga hayop, halaman at tao, ay gumagamit ng atmospheric oxygen para sa mga reaksyon ng metabolismo ng enerhiya,humahantong sa pagkasira ng mga organikong sangkap at paglabas ng isang tiyak na halaga ng enerhiya na naipon sa anyo ng mga molekula ng adenosine triphosphoric acid.
Kaya, sa kumpletong oksihenasyon ng isang mole ng glucose, na nangyayari sa cristae ng mitochondria, 2800 kJ ng enerhiya ang inilabas, kung saan 1596 kJ (55%) ay nakaimbak sa anyo ng mga molekulang ATP na naglalaman ng macroergic mga bono. Kaya, ang pangunahing pag-andar ng oxygen sa cell ay ang pagpapatupad ng aerobic respiration, na batay sa isang pangkat ng mga enzymatic reactions ng tinatawag na respiratory chain, na nagaganap sa cellular organelles - mitochondria. Sa mga prokaryotic na organismo - phototrophic bacteria at cyanobacteria - ang oksihenasyon ng mga sustansya ay nangyayari sa ilalim ng pagkilos ng oxygen na nagkakalat sa mga cell sa panloob na paglaki ng mga lamad ng plasma.
Aming pinag-aralan ang kemikal na organisasyon ng mga cell, gayundin ang mga proseso ng biosynthesis ng protina at ang paggana ng oxygen sa metabolismo ng enerhiya ng cellular.
