Pada akhir abad ke-19, satu cabang biologi yang dipanggil biokimia telah terbentuk. Ia mengkaji komposisi kimia sel hidup. Tugas utama sains ialah pengetahuan tentang ciri-ciri metabolisme dan tenaga yang mengawal aktiviti penting sel tumbuhan dan haiwan.
Konsep komposisi kimia sel
Hasil penyelidikan yang teliti, saintis telah mengkaji organisasi kimia sel dan mendapati bahawa makhluk hidup mempunyai lebih daripada 85 unsur kimia dalam komposisinya. Selain itu, sebahagian daripada mereka adalah wajib untuk hampir semua organisma, manakala yang lain adalah khusus dan terdapat dalam spesies biologi tertentu. Dan kumpulan ketiga unsur kimia terdapat dalam sel mikroorganisma, tumbuhan dan haiwan dalam kuantiti yang agak kecil. Sel mengandungi unsur kimia paling kerap dalam bentuk kation dan anion, dari mana garam mineral dan air terbentuk, dan sebatian organik yang mengandungi karbon disintesis: karbohidrat, protein, lipid.
Unsur organogenik
Dalam biokimia ini termasuk karbon, hidrogen,oksigen dan nitrogen. Keseluruhan mereka dalam sel adalah dari 88 hingga 97% daripada unsur kimia lain di dalamnya. Karbon amat penting. Semua bahan organik dalam komposisi sel terdiri daripada molekul yang mengandungi atom karbon dalam komposisinya. Mereka dapat berhubung antara satu sama lain, membentuk rantai (bercabang dan tidak bercabang), serta kitaran. Keupayaan atom karbon ini mendasari pelbagai jenis bahan organik yang menakjubkan yang membentuk sitoplasma dan organel selular.
Sebagai contoh, kandungan dalaman sel terdiri daripada oligosakarida larut, protein hidrofilik, lipid, pelbagai jenis asid ribonukleik: pemindahan RNA, RNA ribosom dan RNA messenger, serta monomer bebas - nukleotida. Nukleus sel mempunyai komposisi kimia yang serupa. Ia juga mengandungi molekul asid deoksiribonukleik yang merupakan sebahagian daripada kromosom. Semua sebatian di atas mengandungi atom nitrogen, karbon, oksigen, hidrogen. Ini adalah bukti kepentingannya yang sangat penting, kerana organisasi kimia sel bergantung pada kandungan unsur organogenik yang membentuk struktur selular: hyaloplasma dan organel.
Unsur makro dan maknanya
Unsur kimia, yang juga sangat biasa dalam sel pelbagai jenis organisma, dipanggil makronutrien dalam biokimia. Kandungan mereka dalam sel ialah 1.2% - 1.9%. Unsur makro sel termasuk: fosforus, kalium, klorin, sulfur, magnesium, kalsium, besi dan natrium. Kesemua mereka melaksanakan fungsi penting dan merupakan sebahagian daripada pelbagaiorganel sel. Jadi, ion ferus terdapat dalam protein darah - hemoglobin, yang mengangkut oksigen (dalam kes ini ia dipanggil oksihemoglobin), karbon dioksida (carbohemoglobin) atau karbon monoksida (carboxyhemoglobin).
Ion natrium menyediakan jenis pengangkutan antara sel yang paling penting: apa yang dipanggil pam natrium-kalium. Mereka juga merupakan sebahagian daripada cecair interstisial dan plasma darah. Ion magnesium terdapat dalam molekul klorofil (fotopigmen tumbuhan yang lebih tinggi) dan mengambil bahagian dalam proses fotosintesis, kerana ia membentuk pusat tindak balas yang memerangkap foton tenaga cahaya.
Ion kalsium menyediakan pengaliran impuls saraf di sepanjang gentian, dan juga merupakan komponen utama osteosit - sel tulang. Sebatian kalsium diedarkan secara meluas dalam dunia invertebrata, yang cangkerangnya terdiri daripada kalsium karbonat.
Ion klorin terlibat dalam pengecasan semula membran sel dan menyediakan kejadian impuls elektrik yang mendasari pengujaan saraf.
Atom sulfur ialah sebahagian daripada protein asli dan menentukan struktur tertiernya dengan "menghubung silang" rantai polipeptida, menghasilkan pembentukan molekul protein globular.
Ion kalium terlibat dalam pengangkutan bahan merentasi membran sel. Atom fosforus adalah sebahagian daripada bahan intensif tenaga yang penting seperti asid trifosforik adenosin, dan juga merupakan komponen penting dalam molekul asid deoksiribonukleik dan asid ribonukleik, yang merupakan bahan utama keturunan selular.
Fungsi unsur surih dalam selularmetabolisme
Kira-kira 50 unsur kimia yang membentuk kurang daripada 0.1% dalam sel dipanggil unsur surih. Ini termasuk zink, molibdenum, iodin, tembaga, kob alt, fluorin. Dengan kandungan yang tidak penting, ia melakukan fungsi yang sangat penting, kerana ia adalah sebahagian daripada banyak bahan aktif secara biologi.
Sebagai contoh, atom zink terdapat dalam molekul insulin (hormon pankreas yang mengawal paras glukosa darah), iodin adalah sebahagian daripada hormon tiroid - tiroksin dan triiodotironin, yang mengawal tahap metabolisme dalam badan. Kuprum, bersama-sama dengan ion besi, terlibat dalam hematopoiesis (pembentukan eritrosit, platelet dan leukosit dalam sumsum tulang merah vertebrata). Ion kuprum adalah sebahagian daripada pigmen hemocyanin yang terdapat dalam darah invertebrata, seperti moluska. Oleh itu, warna hemolimfa mereka adalah biru.
Malah kurang kandungan dalam sel unsur kimia seperti plumbum, emas, bromin, perak. Mereka dipanggil ultramikroelemen dan merupakan sebahagian daripada sel tumbuhan dan haiwan. Sebagai contoh, ion emas dikesan dalam biji jagung melalui analisis kimia. Atom bromin dalam kuantiti yang banyak adalah sebahagian daripada sel thallus alga coklat dan merah, seperti sargassum, kelp, fucus.
Semua contoh dan fakta di atas menerangkan bagaimana komposisi kimia, fungsi dan struktur sel saling berkaitan. Jadual di bawah menunjukkan kandungan pelbagai unsur kimia dalam sel organisma hidup.
Ciri umum bahan organik
Sifat kimia sel pelbagai kumpulan organisma dengan cara tertentu bergantung pada atom karbon, yang bahagiannya melebihi 50% daripada jisim sel. Hampir semua bahan kering sel diwakili oleh karbohidrat, protein, asid nukleik dan lipid, yang mempunyai struktur kompleks dan berat molekul yang besar. Molekul sedemikian dipanggil makromolekul (polimer) dan terdiri daripada unsur yang lebih mudah - monomer. Bahan protein memainkan peranan yang sangat penting dan melaksanakan banyak fungsi, yang akan dibincangkan di bawah.
Peranan protein dalam sel
Analisis biokimia bagi sebatian yang membentuk sel hidup mengesahkan kandungan tinggi bahan organik seperti protein di dalamnya. Terdapat penjelasan logik untuk fakta ini: protein melakukan pelbagai fungsi dan terlibat dalam semua manifestasi kehidupan selular.
Sebagai contoh, fungsi perlindungan protein ialah pembentukan antibodi - imunoglobulin yang dihasilkan oleh limfosit. Protein pelindung seperti trombin, fibrin dan tromboblastin menyediakan pembekuan darah dan menghalang kehilangannya semasa kecederaan dan luka. Komposisi sel termasuk protein kompleks membran sel yang mempunyai keupayaan untuk mengenali sebatian asing - antigen. Mereka menukar konfigurasi mereka dan memaklumkan sel tentang potensi bahaya (fungsi isyarat).
Sesetengah protein mempunyai fungsi pengawalseliaan dan merupakan hormon, contohnya, oksitosin yang dihasilkan oleh hipotalamus disimpan oleh kelenjar pituitari. Daripadanya kepadadarah, oksitosin bertindak pada dinding otot rahim, menyebabkan ia mengecut. Protein vasopressin juga mempunyai fungsi pengawalseliaan, mengawal tekanan darah.
Dalam sel otot terdapat aktin dan miosin yang boleh mengecut, yang menentukan fungsi motor tisu otot. Protein juga mempunyai fungsi trofik, contohnya albumin digunakan oleh embrio sebagai nutrien untuk perkembangannya. Protein darah pelbagai organisma, seperti hemoglobin dan hemocyanin, membawa molekul oksigen - mereka melakukan fungsi pengangkutan. Jika lebih banyak bahan intensif tenaga seperti karbohidrat dan lipid digunakan sepenuhnya, sel akan memecah protein. Satu gram bahan ini memberikan 17.2 kJ tenaga. Salah satu fungsi protein yang paling penting ialah pemangkin (protein enzim mempercepatkan tindak balas kimia yang berlaku dalam petak sitoplasma). Berdasarkan perkara di atas, kami yakin bahawa protein melakukan banyak fungsi yang sangat penting dan semestinya sebahagian daripada sel haiwan.
Biosintesis protein
Pertimbangkan proses sintesis protein dalam sel, yang berlaku dalam sitoplasma dengan bantuan organel seperti ribosom. Terima kasih kepada aktiviti enzim khas, dengan penyertaan ion kalsium, ribosom digabungkan menjadi polisom. Fungsi utama ribosom dalam sel ialah sintesis molekul protein, yang bermula dengan proses transkripsi. Akibatnya, molekul mRNA disintesis, di mana polisom dilampirkan. Kemudian proses kedua bermula - terjemahan. Pindahkan RNAbergabung dengan dua puluh jenis asid amino yang berbeza dan membawanya kepada polisom, dan oleh kerana fungsi ribosom dalam sel adalah sintesis polipeptida, organel ini membentuk kompleks dengan tRNA, dan molekul asid amino mengikat satu sama lain melalui ikatan peptida, membentuk makromolekul protein.
Peranan air dalam proses metabolik
Kajian sitologi telah mengesahkan fakta bahawa sel, struktur dan komposisi yang kita kaji, secara purata adalah 70% air, dan dalam kebanyakan haiwan yang menjalani cara hidup akuatik (contohnya, coelenterates), ia kandungan mencapai 97-98 %. Dengan pemikiran ini, organisasi kimia sel termasuk bahan hidrofilik (mampu melarutkan) dan hidrofobik (penolak air). Sebagai pelarut polar universal, air memainkan peranan yang luar biasa dan secara langsung mempengaruhi bukan sahaja fungsi, tetapi juga struktur sel. Jadual di bawah menunjukkan kandungan air dalam sel pelbagai jenis organisma hidup.
Fungsi karbohidrat dalam sel
Seperti yang kita ketahui sebelum ini, karbohidrat juga merupakan bahan organik yang penting - polimer. Ini termasuk polisakarida, oligosakarida dan monosakarida. Karbohidrat adalah sebahagian daripada kompleks yang lebih kompleks - glikolipid dan glikoprotein, yang daripadanya membran sel dan struktur supra-membran, seperti glikokaliks, dibina.
Selain karbon, karbohidrat mengandungi atom oksigen dan hidrogen, dan sesetengah polisakarida juga mengandungi nitrogen, sulfur dan fosforus. Terdapat banyak karbohidrat dalam sel tumbuhan: ubi kentangmengandungi sehingga 90% kanji, biji dan buah mengandungi sehingga 70% karbohidrat, dan dalam sel haiwan ia ditemui dalam bentuk sebatian seperti glikogen, kitin dan trehalosa.
Gula ringkas (monosakarida) mempunyai formula am CnH2nOn dan dibahagikan kepada tetrosa, triosa, pentosa dan heksosa. Dua yang terakhir adalah yang paling biasa dalam sel organisma hidup, contohnya, ribosa dan deoksiribosa adalah sebahagian daripada asid nukleik, dan glukosa dan fruktosa mengambil bahagian dalam tindak balas asimilasi dan disimilasi. Oligosakarida sering ditemui dalam sel tumbuhan: sukrosa disimpan dalam sel bit gula dan tebu, m altosa ditemui dalam bijirin rai dan barli yang bercambah.
Disakarida mempunyai rasa manis dan larut dengan baik dalam air. Polisakarida, sebagai biopolimer, diwakili terutamanya oleh kanji, selulosa, glikogen dan laminarin. Kitin tergolong dalam bentuk struktur polisakarida. Fungsi utama karbohidrat dalam sel ialah tenaga. Hasil daripada hidrolisis dan tindak balas metabolisme tenaga, polisakarida dipecahkan kepada glukosa, dan kemudiannya dioksidakan kepada karbon dioksida dan air. Akibatnya, satu gram glukosa membebaskan 17.6 kJ tenaga, dan simpanan kanji dan glikogen, sebenarnya, adalah takungan tenaga selular.
Glikogen disimpan terutamanya dalam tisu otot dan sel hati, kanji sayuran dalam ubi, mentol, akar, biji, dan dalam arthropoda seperti labah-labah, serangga dan krustasea, oligosakarida trehalosa memainkan peranan utama dalam bekalan tenaga.
Karbohidratberbeza daripada lipid dan protein dalam keupayaan mereka untuk pembelahan bebas oksigen. Ini amat penting untuk organisma yang hidup dalam keadaan kekurangan atau ketiadaan oksigen, seperti bakteria anaerobik dan helminth - parasit manusia dan haiwan.
Terdapat satu lagi fungsi karbohidrat dalam sel - membina (struktur). Ia terletak pada fakta bahawa bahan-bahan ini adalah struktur sokongan sel. Sebagai contoh, selulosa adalah sebahagian daripada dinding sel tumbuhan, kitin membentuk rangka luar banyak invertebrata dan terdapat dalam sel kulat, olisaccharides, bersama-sama dengan molekul lipid dan protein, membentuk glikokaliks - kompleks epimembran. Ia memberikan lekatan - lekatan sel haiwan antara satu sama lain, yang membawa kepada pembentukan tisu.
Lipid: struktur dan fungsi
Bahan organik ini, yang bersifat hidrofobik (tidak larut dalam air), boleh diekstrak, iaitu, diekstrak daripada sel, menggunakan pelarut bukan kutub seperti aseton atau kloroform. Fungsi lipid dalam sel bergantung kepada tiga kumpulan yang mana ia tergolong: lemak, lilin atau steroid. Lemak adalah yang paling banyak terdapat dalam semua jenis sel.
Haiwan mengumpulnya dalam tisu adipos subkutaneus, tisu saraf mengandungi lemak dalam bentuk sarung myelin saraf. Ia juga terkumpul di buah pinggang, hati, dalam serangga - dalam badan gemuk. Lemak cair - minyak - terdapat dalam benih banyak tumbuhan: cedar, kacang tanah, bunga matahari, zaitun. Kandungan lipid dalam sel adalah antara 5 hingga 90% (dalam tisu adiposa).
Steroid dan lilinberbeza daripada lemak kerana ia tidak mengandungi sisa asid lemak dalam molekulnya. Jadi, steroid adalah hormon korteks adrenal yang mempengaruhi akil baligh badan dan merupakan komponen testosteron. Ia juga terdapat dalam vitamin (seperti vitamin D).
Fungsi utama lipid dalam sel ialah tenaga, membina dan melindungi. Yang pertama adalah disebabkan oleh fakta bahawa 1 gram lemak semasa membelah memberikan 38.9 kJ tenaga - lebih banyak daripada bahan organik lain - protein dan karbohidrat. Di samping itu, semasa pengoksidaan 1 g lemak, hampir 1.1 g dibebaskan. air. Itulah sebabnya sesetengah haiwan, mempunyai bekalan lemak dalam badan mereka, boleh tanpa air untuk masa yang lama. Contohnya, gophers boleh berhibernasi selama lebih daripada dua bulan tanpa memerlukan air, dan seekor unta tidak minum air apabila menyeberangi padang pasir selama 10–12 hari.
Fungsi pembinaan lipid ialah ia merupakan sebahagian daripada membran sel, dan juga merupakan sebahagian daripada saraf. Fungsi perlindungan lipid ialah lapisan lemak di bawah kulit di sekeliling buah pinggang dan organ dalaman lain melindunginya daripada kecederaan mekanikal. Fungsi penebat haba khusus adalah wujud pada haiwan yang berada di dalam air untuk masa yang lama: ikan paus, anjing laut, anjing laut bulu. Lapisan lemak subkutaneus yang tebal, contohnya, dalam ikan paus biru ialah 0.5 m, ia melindungi haiwan daripada hipotermia.
Kepentingan oksigen dalam metabolisme selular
Organisma aerobik, yang merangkumi sebahagian besar haiwan, tumbuhan dan manusia, menggunakan oksigen atmosfera untuk tindak balas metabolisme tenaga,membawa kepada pemecahan bahan organik dan pembebasan sejumlah tenaga yang terkumpul dalam bentuk molekul asid trifosforik adenosin.
Oleh itu, dengan pengoksidaan lengkap satu mol glukosa, yang berlaku pada krista mitokondria, 2800 kJ tenaga dibebaskan, yang mana 1596 kJ (55%) disimpan dalam bentuk molekul ATP yang mengandungi makroergik. bon. Oleh itu, fungsi utama oksigen dalam sel adalah pelaksanaan respirasi aerobik, yang berdasarkan sekumpulan reaksi enzimatik rantai pernafasan yang dipanggil, yang berlaku dalam organel selular - mitokondria. Dalam organisma prokariotik - bakteria fototropik dan cyanobacteria - pengoksidaan nutrien berlaku di bawah tindakan oksigen meresap ke dalam sel pada pertumbuhan dalaman membran plasma.
Kami mengkaji organisasi kimia sel, serta proses biosintesis protein dan fungsi oksigen dalam metabolisme tenaga selular.
