A 19. század végén kialakult a biológia ága, a biokémia. Egy élő sejt kémiai összetételét vizsgálja. A tudomány fő feladata a növényi és állati sejtek létfontosságú tevékenységét szabályozó anyagcsere és energia jellemzőinek ismerete.
A sejt kémiai összetételének fogalma
Gondos kutatás eredményeként a tudósok tanulmányozták a sejtek kémiai szerveződését, és megállapították, hogy az élőlények összetételében több mint 85 kémiai elem található. Sőt, ezek egy része szinte minden élőlény számára kötelező, míg mások specifikusak és meghatározott biológiai fajokban találhatók meg. A kémiai elemek harmadik csoportja pedig meglehetősen kis mennyiségben van jelen a mikroorganizmusok, növények és állatok sejtjeiben. A sejtek kémiai elemeket leggyakrabban kationok és anionok formájában tartalmaznak, amelyekből ásványi sók és víz keletkeznek, illetve széntartalmú szerves vegyületek szintetizálódnak: szénhidrátok, fehérjék, lipidek.
Organogén elemek
A biokémiában ezek közé tartozik a szén, a hidrogén,oxigén és nitrogén. Összességük a sejtben a többi kémiai elem 88-97%-a. A szén különösen fontos. A sejt összetételében lévő összes szerves anyag olyan molekulákból áll, amelyek összetételükben szénatomokat tartalmaznak. Képesek összekapcsolódni egymással, láncokat (elágazó és el nem ágazó), valamint ciklusokat alkotva. A szénatomok ezen képessége alapozza meg a citoplazmát és a sejtszervecskéket alkotó szerves anyagok elképesztő sokféleségét.
Például egy sejt belső tartalma oldható oligoszacharidokból, hidrofil fehérjékből, lipidekből, különböző típusú ribonukleinsavakból áll: transzfer RNS, riboszómális RNS és hírvivő RNS, valamint szabad monomerek – nukleotidok. A sejtmag hasonló kémiai összetételű. Dezoxiribonukleinsav molekulákat is tartalmaz, amelyek a kromoszómák részét képezik. A fenti vegyületek mindegyike nitrogén-, szén-, oxigén- és hidrogénatomot tartalmaz. Ez bizonyítja különösen fontos jelentőségüket, mivel a sejtek kémiai szerveződése a sejtszerkezeteket alkotó organogén elemek: hialoplazma és organellumok tartalmától függ.
Makróelemek és jelentésük
A különféle élőlények sejtjeiben is igen gyakori kémiai elemeket a biokémia makrotápanyagoknak nevezi. Tartalmuk a cellában 1,2% - 1,9%. A sejt makroelemei a következők: foszfor, kálium, klór, kén, magnézium, kalcium, vas és nátrium. Mindegyik fontos funkciókat lát el, és különböző részeisejtszervecskék. Tehát a vasion jelen van a vérfehérjében - a hemoglobinban, amely oxigént (ebben az esetben oxihemoglobinnak hívnak), szén-dioxidot (karbohemoglobin) vagy szén-monoxidot (karboxihemoglobin) szállít.
A nátriumionok biztosítják a sejtközi transzport legfontosabb típusát: az úgynevezett nátrium-kálium pumpát. Részei az intersticiális folyadéknak és a vérplazmának is. A magnéziumionok jelen vannak a klorofill molekulákban (magasabb növények fotopigmentuma), és részt vesznek a fotoszintézis folyamatában, mivel reakcióközpontokat képeznek, amelyek a fényenergia fotonjait befogják.
A kalciumionok biztosítják az idegimpulzusok vezetését a rostok mentén, és egyben az oszteociták – csontsejtek – fő alkotóelemei is. A kalciumvegyületek széles körben elterjedtek a gerinctelen állatok világában, amelyek héja kalcium-karbonátból áll.
A klórionok részt vesznek a sejtmembránok újratöltésében, és olyan elektromos impulzusokat hoznak létre, amelyek az idegi gerjesztés hátterében állnak.
A kénatomok a natív fehérjék részét képezik, és harmadlagos szerkezetüket a polipeptidlánc „keresztkötésével” határozzák meg, ami egy globuláris fehérjemolekula kialakulását eredményezi.
A káliumionok részt vesznek az anyagok sejtmembránokon történő szállításában. A foszforatomok egy olyan fontos energiaigényes anyag részét képezik, mint az adenozin-trifoszforsav, és fontos alkotóelemei a dezoxiribonukleinsav- és ribonukleinsavmolekuláknak is, amelyek a sejtes öröklődés fő anyagai.
A nyomelemek funkciói a sejtbenanyagcsere
Körülbelül 50 kémiai elemet, amelyek kevesebb mint 0,1%-át teszik ki a sejtekben, nyomelemeknek nevezzük. Ide tartozik a cink, molibdén, jód, réz, kob alt, fluor. Jelentéktelen tartalommal nagyon fontos funkciókat látnak el, hiszen számos biológiailag aktív anyag részét képezik.
Például cink atomok találhatók az inzulin (a vércukorszintet szabályozó hasnyálmirigyhormon) molekuláiban, a jód pedig a pajzsmirigyhormonok – a tiroxin és a trijódtironin – szerves része, amelyek szabályozzák az anyagcsere szintjét a szervezetben. test. A réz a vasionokkal együtt részt vesz a hematopoiesisben (eritrociták, vérlemezkék és leukociták képződése a gerincesek vörös csontvelőjében). A rézionok a gerinctelenek, például puhatestűek vérében jelen lévő hemocianin pigment részét képezik. Ezért hemolimfájuk színe kék.
Még kevesebb olyan kémiai elemek tartalom a sejtben, mint az ólom, arany, bróm, ezüst. Ezeket ultramikroelemeknek nevezik, és a növényi és állati sejtek részét képezik. Például kémiai elemzéssel aranyionokat mutattak ki kukoricaszemekben. A brómatomok nagy mennyiségben részei a barna- és vörösalgák, például a sargassum, a tengeri moszat, a fucus talluszának sejtjeinek.
A fenti példák és tények megmagyarázzák, hogyan kapcsolódnak egymáshoz a sejt kémiai összetétele, funkciói és szerkezete. Az alábbi táblázat az élő szervezetek sejtjeiben lévő különféle kémiai elemek tartalmát mutatja.
A szerves anyagok általános jellemzői
A különböző szervezetcsoportok sejtjeinek kémiai tulajdonságai bizonyos módon a szénatomoktól függenek, amelyek aránya a sejttömeg több mint 50%-a. A sejt szinte teljes szárazanyagát szénhidrátok, fehérjék, nukleinsavak és lipidek képviselik, amelyek összetett szerkezettel és nagy molekulatömeggel rendelkeznek. Az ilyen molekulákat makromolekuláknak (polimereknek) nevezik, és egyszerűbb elemekből - monomerekből állnak. A fehérjeanyagok rendkívül fontos szerepet játszanak és számos funkciót töltenek be, amelyekről az alábbiakban lesz szó.
A fehérjék szerepe a sejtben
Az élő sejtet alkotó vegyületek biokémiai elemzése megerősíti a benne lévő szerves anyagok, például fehérjék magas tartalmát. Ennek a ténynek logikus magyarázata van: a fehérjék különféle funkciókat látnak el, és részt vesznek a sejtélet minden megnyilvánulásában.
Például a fehérjék védő funkciója az antitestek képződése – a limfociták által termelt immunglobulinok. A védőfehérjék, mint például a trombin, a fibrin és a tromboblasztin biztosítják a véralvadást, és megakadályozzák annak elvesztését sérülések és sebek során. A sejt összetétele tartalmazza a sejtmembránok összetett fehérjéit, amelyek képesek felismerni az idegen vegyületeket - antigéneket. Megváltoztatják konfigurációjukat, és tájékoztatják a cellát a potenciális veszélyről (jelző funkció).
Egyes fehérjéknek szabályozó funkciójuk van, és hormonok, például a hipotalamusz által termelt oxitocint az agyalapi mirigy tartja fenn. Abból, hogyvér, az oxitocin a méh izmos falaira hat, ami összehúzódást okoz. A vazopresszin fehérje szabályozó funkcióval is rendelkezik, szabályozza a vérnyomást.
Az izomsejtekben aktin és miozin található, amelyek összehúzódhatnak, ami meghatározza az izomszövet motoros működését. A fehérjéknek trofikus funkciójuk is van, például az albumint az embrió tápanyagként használja fel a fejlődéséhez. A különféle organizmusok vérfehérjéi, mint például a hemoglobin és a hemocianin, oxigénmolekulákat hordoznak - szállítási funkciót látnak el. Ha az energiaigényesebb anyagokat, például a szénhidrátokat és lipideket teljesen felhasználják, a sejt lebontja a fehérjéket. Ennek az anyagnak egy grammja 17,2 kJ energiát ad. A fehérjék egyik legfontosabb funkciója a katalitikus (az enzimfehérjék felgyorsítják a citoplazma kompartmenteiben lezajló kémiai reakciókat). A fentiek alapján meg voltunk győződve arról, hogy a fehérjék számos nagyon fontos funkciót látnak el, és szükségszerűen az állati sejt részét képezik.
Fehérje bioszintézis
Tekintsük a fehérjeszintézis folyamatát egy sejtben, amely a citoplazmában olyan organellumok, például riboszómák segítségével megy végbe. A speciális enzimek aktivitásának köszönhetően a kalciumionok részvételével a riboszómák poliszómákká egyesülnek. A sejtben a riboszómák fő funkciója a fehérjemolekulák szintézise, amely a transzkripció folyamatával kezdődik. Ennek eredményeként mRNS-molekulák szintetizálódnak, amelyekhez poliszómák kapcsolódnak. Ezután kezdődik a második folyamat - a fordítás. RNS-ek átvitelehúsz különböző típusú aminosavval kombinálódnak és poliszómákká alakítják őket, és mivel a sejtben a riboszómák funkciója a polipeptidek szintézise, ezek az organellumok komplexeket képeznek a tRNS-sel, az aminosavmolekulák pedig peptidkötésekkel kötődnek egymáshoz, egy fehérje makromolekula.
A víz szerepe az anyagcsere folyamatokban
Citológiai vizsgálatok megerősítették azt a tényt, hogy a sejt, amelynek szerkezetét és összetételét vizsgáljuk, átlagosan 70%-a víz, és sok vízi életmódot folytató állatnál (például koelenterátum) tartalom eléri a 97-98%-ot. Ezt szem előtt tartva a sejtek kémiai szerveződése hidrofil (oldódásra képes) és hidrofób (víztaszító) anyagokat foglal magában. Mivel univerzális poláris oldószer, a víz kivételes szerepet játszik, és nem csak a sejt funkcióit, hanem a sejt szerkezetét is közvetlenül befolyásolja. Az alábbi táblázat különböző típusú élő szervezetek sejtjeinek víztartalmát mutatja.
A szénhidrátok funkciója a sejtben
Amint azt korábban megtudtuk, a szénhidrátok is fontos szerves anyagok – polimerek. Ide tartoznak a poliszacharidok, oligoszacharidok és monoszacharidok. A szénhidrátok összetettebb komplexek – glikolipidek és glikoproteinek – részei, amelyekből sejtmembránok és membrán feletti struktúrák, például glikokalix épülnek fel.
A szénhidrátok a szénen kívül oxigén- és hidrogénatomokat, valamint egyes poliszacharidok nitrogént, ként és foszfort is tartalmaznak. A növényi sejtekben nagyon sok szénhidrát található: a burgonyagumólegfeljebb 90% keményítőt, a magvak és gyümölcsök 70% szénhidrátot tartalmaznak, és az állati sejtekben olyan vegyületek formájában találhatók meg, mint a glikogén, kitin és trehalóz.
Az egyszerű cukrok (monoszacharidok) általános képlete CnH2nOn, és tetrózokra, triózokra, pentózokra és hexózokra oszthatók. Az utóbbi kettő a leggyakoribb az élő szervezetek sejtjeiben, például a ribóz és a dezoxiribóz a nukleinsavak része, a glükóz és a fruktóz pedig az asszimilációs és disszimilációs reakciókban vesz részt. Az oligoszacharidok gyakran megtalálhatók a növényi sejtekben: a szacharózt a cukorrépa és a cukornád sejtjei raktározzák, a maláta pedig a rozs és az árpa csírázott szemeiben.
A diszacharidok édes ízűek, és jól oldódnak vízben. A poliszacharidokat, mivel biopolimerek, főként keményítő, cellulóz, glikogén és laminarin képviseli. A kitin a poliszacharidok szerkezeti formái közé tartozik. A sejtben a szénhidrátok fő funkciója az energia. A hidrolízis és az energia-anyagcsere-reakciók eredményeként a poliszacharidok glükózzá bomlanak, majd az szén-dioxiddá és vízzé oxidálódik. Ennek eredményeként egy gramm glükóz 17,6 kJ energiát szabadít fel, a keményítő- és glikogénraktárak pedig valójában a sejtenergia tározói.
A glikogén főként az izomszövetekben és a májsejtekben, a növényi keményítő a gumókban, hagymákban, gyökerekben, magvakban raktározódik, valamint ízeltlábúakban, például pókban, rovarokban és rákfélékben, a trehalóz-oligoszacharid fontos szerepet játszik az energiaellátásban.
SzénhidrátOxigénmentes hasítási képességükben különböznek a lipidektől és a fehérjéktől. Ez rendkívül fontos olyan szervezetek számára, amelyek oxigénhiányos vagy oxigénhiányos körülmények között élnek, mint például az anaerob baktériumok és férgek – az emberek és állatok parazitái.
A szénhidrátoknak van egy másik funkciója is a sejtben – építő (szerkezeti). Ez abban rejlik, hogy ezek az anyagok a sejtek tartószerkezetei. Például a cellulóz a növények sejtfalának része, a kitin számos gerinctelen állat külső vázát képezi, és megtalálható a gombasejtekben, az oliszacharidok lipid- és fehérjemolekulákkal együtt glikokalixot - epimembrán komplexumot - alkotnak. Adhéziót biztosít – az állati sejtek egymáshoz tapadását, ami szövetek kialakulásához vezet.
Lipidek: szerkezet és funkciók
Ezek a szerves anyagok, amelyek hidrofóbok (vízben oldhatatlanok), nem poláris oldószerekkel, például acetonnal vagy kloroformmal extrahálhatók, azaz extrahálhatók a sejtekből. A lipidek funkciója egy sejtben attól függ, hogy a három csoport közül melyikhez tartoznak: zsírok, viaszok vagy szteroidok. A zsírok minden sejttípusban a legnagyobb mennyiségben vannak jelen.
Az állatok a bőr alatti zsírszövetben halmozzák fel őket, az idegszövetben található zsír az idegek mielinhüvelye formájában. Felhalmozódik a vesében, májban, rovarokban is - a zsírtestben. A folyékony zsírok - olajok - számos növény magjában találhatók: cédrus, földimogyoró, napraforgó, olíva. A sejtek lipidtartalma 5-90% (a zsírszövetben).
Szteroidok és viaszokabban különböznek a zsíroktól, hogy molekulájukban nem tartalmaznak zsírsavmaradékot. Tehát a szteroidok a mellékvesekéreg hormonjai, amelyek befolyásolják a szervezet pubertását, és a tesztoszteron összetevői. A vitaminokban (például a D-vitaminban) is megtalálhatók.
A lipidek fő funkciója a sejtben az energia, az építő és a védő. Az első annak a ténynek köszönhető, hogy 1 gramm zsír a hasítás során 38,9 kJ energiát ad - sokkal többet, mint más szerves anyagok - fehérjék és szénhidrátok. Ezenkívül 1 g zsír oxidációja során csaknem 1,1 g szabadul fel. víz. Ez az oka annak, hogy egyes állatok, amelyek zsírral rendelkeznek a szervezetükben, hosszú ideig víz nélkül maradhatnak. Például a gopherek több mint két hónapig tudnak hibernálni anélkül, hogy vízre lenne szükségük, a teve pedig 10–12 napig nem iszik vizet, amikor átkel a sivatagon.
A lipidek építő funkciója az, hogy a sejtmembránok szerves részét képezik, és egyben az idegek is. A lipidek védő funkciója, hogy a vesék és más belső szervek körül a bőr alatti zsírréteg megvédi őket a mechanikai sérülésektől. A hosszú ideig vízben tartózkodó állatok sajátos hőszigetelő funkciója: bálnák, fókák, szőrfókák. A vastag bőr alatti zsírréteg például egy kék bálnánál 0,5 m, ez megvédi az állatot a hipotermiától.
Az oxigén jelentősége a sejtanyagcserében
Az aerob organizmusok, amelyek közé tartozik az állatok, növények és emberek túlnyomó többsége, a légköri oxigént használják fel az energiaanyagcsere-reakciókhoz,ami a szerves anyagok lebomlásához és bizonyos mennyiségű, adenozin-trifoszforsav molekulák formájában felhalmozódott energia felszabadulásához vezet.
Így egy mól glükóz teljes oxidációjával, ami a mitokondriumok krisztjain megy végbe, 2800 kJ energia szabadul fel, amelyből 1596 kJ (55%) makroerget tartalmazó ATP-molekulák formájában raktározódik el. kötvények. Így az oxigén fő funkciója a sejtben az aerob légzés végrehajtása, amely az úgynevezett légzési lánc enzimatikus reakcióinak egy csoportján alapul, amelyek sejtszervecskékben - mitokondriumokban fordulnak elő. A prokarióta szervezetekben - fototróf baktériumokban és cianobaktériumokban - a tápanyagok oxidációja a plazmamembránok belső kinövésein lévő sejtekbe diffundáló oxigén hatására megy végbe.
Tanulmányoztuk a sejtek kémiai szerveződését, valamint a fehérje bioszintézis folyamatait és az oxigén funkcióját a sejtenergia-anyagcserében.
