Химическа организация на клетките: органични вещества, макро- и микроелементи

В края на XIX в. Се формира клон на биология, наречен биохимия. Тя изучава химичния състав на жива клетка. Основната задача на науката е познанието за особеностите на метаболизма и енергията, регулиращи жизнената активност на растителните и животинските клетки.

Концепцията за химичния състав на клетките

В резултат на внимателни изследвания учените са изследвали химичната организация на клетките и са установили, че живите същества имат повече от 85 химични елемента в състава си. Някои от тях са задължителни за почти всички организми, докато други са специфични и се срещат в специфични биологични видове. Трета група химически елементи присъства в клетки от микроорганизми, растения и животни в сравнително малки количества. Химични елементи на клетката, често са под формата на катиони и аниони от които са образувани минерална сол и вода и органични въглеродни съединения са синтезирани: въглехидрати, протеини, липиди.

Органогенни елементи

В биохимията те включват въглерод, водород, кислород и азот. Тяхната съвкупност е в клетката от 88 до 97% от другите химически елементи в него. Особено важно е въглеродът. Всички органични вещества в клетката се състоят от молекули, съдържащи въглеродни атоми в техния състав. Те са способни да се свързват помежду си, да образуват вериги (разклонени и неразклонени), както и цикли. Тази способност на въглеродните атоми стои в основата на поразителното разнообразие от органични вещества, които съставят цитоплазмата и клетъчните органели.

Например, вътрешните съдържанието на клетката се състои от разтворима олигозахарид, хидрофилни протеини, липиди, различни видове РНК: РНК трансфер, рибозомна РНК и РНК пратеник, както и свободни мономери - нуклеотиди. Такъв химичен състав има и клетъчно ядро. Също така съдържа молекули на дезоксирибонуклеинова киселина, които са част от хромозомите. Всички от горните съединения имат в състава си атоми на азот, въглерод, кислород, водород. Това е доказателство за тяхната особено важна важност, тъй като химическата организация на клетките зависи от съдържанието на органогенни елементи, които съставляват клетъчните структури: хиалоплазма и органелите.

Макро елементи и техните значения

Химичните елементи, които също често се срещат в клетките на различни видове организми, се наричат ​​макроклетки в биохимията. Съдържанието им в клетката е 1.2% - 1.9%. Макроелементите на клетката включват: фосфор, калий, хлор, сяра, магнезий, калций, желязо и натрий. Всички те изпълняват важни функции и са част от различни клетъчни органели. По този начин, железен йон присъства в кръвната протеин - хемоглобин, който пренася кислород (в който случай той се нарича oxyhaemoglobin), въглероден диоксид (karbogemoglobin) или въглероден диоксид (карбоксихемоглобин).

Натриевите йони осигуряват най-важния вид междуклетъчен транспорт: така наречената натриево-калиева помпа. Те също са част от интерстициалната течност и кръвна плазма. Магнезиевите йони присъстват в молекулите на хлорофила (фотопигментиране на висшите растения) и участват в процеса на фотосинтезата, тъй като те образуват реакционни центрове, които улавят фотони от светлинна енергия.

Калциевите йони осигуряват поведението на нервните импулси по дължината на влакната и също така са основният компонент на остеоцитите - костните клетки. Калциевите съединения са широко разпространени в света на безгръбначните, в които черупките са съставени от калциев карбонат.

Хлорните йони участват в презареждането на клетъчните мембрани и осигуряват появата на електрически импулси, които стоят в основата на нервната възбуда.

Сяровите атоми са част от нативните протеини и причиняват тяхната третична структура, като "шият" полипептидната верига, което води до образуването на глобуларна протеинова молекула.

Калиевите йони участват в транспортирането на веществата през клетъчните мембрани. фосфорни атоми са част от тези важни енергоемки вещества като аденозин трифосфат, и е важен компонент на молекулите на дезоксирибонуклеинова и рибонуклеинови киселини, които са основната вещества клетка наследственост.

Функции на микроелементите в клетъчния метаболизъм

Около 50 химични елемента, които съставляват по-малко от 0,1% в клетките, се наричат ​​микроелементи. Те включват цинк, молибден, йод, мед, кобалт, флуор. Ако те са незначителни, те изпълняват много важни функции, тъй като те са част от много биологично активни вещества.

Например, цинкови атоми са в молекулата на инсулин (панкреатичен хормон регулиране нивото на кръвната глюкоза), йод е съставна част на хормони на щитовидната жлеза - тироксин и трийодтиронин контролиране нивото на метаболизма в тялото. Мед, заедно с железни йони, участващи в хематопоезата (образуването на червени кръвни клетки, тромбоцити и бели кръвни клетки в костния мозък на гръбначни). Медните йони са част от пигмента на хемоцианина, присъстващ в кръвта на безгръбначни, например мекотели. Ето защо, цветът на hemolymph те са сини.

Още по-малко е съдържанието в клетката на такива химически елементи като олово, злато, бром, сребро. Те се наричат ​​ултра-микроелементи и са част от растителни и животински клетки. Например, в царевичните зърна, златните йони се откриват чрез химичен анализ. Атоми на бром в голям брой са включени в състава на талус клетки от кафяви и червени водорасли, например sargassum, келп, fucus.

Всички горни примери и факти обясняват как химическият състав, функциите и структурата на клетката са взаимосвързани. Таблицата по-долу показва съдържанието на различни химични елементи в клетките на живите организми.

Общи характеристики на органичните вещества

Химичните свойства на клетките от различни групи организми зависят по определен начин от въглеродните атоми, чиято фракция е повече от 50% от клетъчната маса. Почти цялата суха субстанция на клетката е представена от въглехидрати, протеини, нуклеинови киселини и липиди, които имат сложна структура и голяма молекулна маса. Такива молекули се наричат ​​макромолекули (полимери) и се състоят от по-прости елементи - мономери. Протеиновите вещества играят изключително важна роля и изпълняват много функции, които ще бъдат разгледани по-долу.

Ролята на протеините в клетката

Биохимичният анализ на съединения, влизащи в жива клетка, потвърждава високото съдържание на органични вещества като протеините в него. Този факт има логическо обяснение: протеините изпълняват различни функции и участват във всички прояви на клетъчната активност.

Например защитната функция на протеините е образуването на антитела - имуноглобулини, продуцирани от лимфоцити. Такива защитни протеини, като тромбин, фибрин и тромболластин, осигуряват кръвосъсирването и предотвратяват загубата му при наранявания и наранявания. Клетката се състои от сложни протеини от клетъчни мембрани, които имат способността да разпознават чужди съединения - антигени. Те променят конфигурацията си и информират клетката за потенциална опасност (сигнална функция).

Някои протеини изпълняват регулаторна функция и са хормони, например, окситоцин, произведен от хипоталамуса, е запазен от хипофизната жлеза. Влизайки в кръвта, окситоцинът засяга мускулните стени на матката, което я кара да се свива. Протеиновият вазопресин също изпълнява регулаторна функция, контролирайки кръвното налягане.

В мускулните клетки са актин и миозин, способни да се свиват, което причинява двигателната функция на мускулната тъкан. За протеините също е характерна трофичната функция, например, албуминът се използва от ембриона като хранителен елемент за неговото развитие. Кръвните протеини от различни организми, например хемоглобин и хемоцианин, носят кислородни молекули - изпълняват транспортна функция. Ако се използват напълно повече енергийно интензивни вещества, като въглехидрати и липиди, клетката започва да разгражда протеините. Един грам от това вещество дава 17, 2 kJ енергия. Една от най-важните функции на протеините е каталитичната (протеиновите ензими ускоряват химичните реакции, които се появяват в отделението на цитоплазмата). Въз основа на гореизложеното бяхме убедени, че протеините изпълняват много важни функции и задължително са част от животинската клетка.

Биосинтеза на протеини

Обмислете процеса на синтез на протеини в клетка, която се среща в цитоплазмата с помощта на органели като рибозоми. Благодарение на активността на специалните ензими, с участието на калциеви йони, рибозомите се комбинират в полизоми. Основните функции на рибозомите в клетката са синтезата на протеиновите молекули, която започва с процеса на транскрипция. В резултат на това той синтезира молекули на mRNA, към които са прикрепени полизомите. След това започва вторият процес - превод. Транспорт РНК се свързват с двадесет различни видове аминокиселини и да ги доведе до полизомите, и тъй като функцията на рибозоми в клетката - синтез на полипептиди, тези органели образуват комплекси с тРНК и аминокиселинни молекули са свързани заедно чрез пептидни връзки за образуване на протеин макромолекула.

Ролята на водата в метаболитните процеси

Цитологични изследвания са потвърдили, че клетъчната структура и състав на което ние изучаваме, средно 70% вода, а в много животни, което води воден начин на живот (например, мешести) съдържанието му достига 97-98%. С оглед на това химическата организация на клетките включва хидрофилна (способна да се разтваря) и хидрофобни (водоотблъскващи) вещества. Като универсален полярен разтворител, водата играе изключителна роля и пряко засяга не само функциите, но и самата структура на клетката. Таблицата по-долу показва съдържанието на вода в клетките на различни видове живи организми.

Функция на въглехидратите в клетката

Както разбрахме по-рано, важни въглехидрати са важни органични вещества - полимери. Те включват полизахариди, олигозахариди и монозахариди. Въглехидратите са част от по-сложни комплекси - гликолипиди и гликопротеини, от които се изграждат клетъчни мембрани и супермембранни структури, например гликокаликс.

В допълнение към въглерода, въглехидратите включват кислородни и водородни атоми, а някои полизахариди също съдържат азот, сяра и фосфор. Клетките на много растителни въглехидрати: Картофените клубени съдържат до 90% нишесте в семена и плодово съдържание на въглехидрати до 70%, и животински клетки се намират под формата на такива съединения като гликоген, хитин и трехалоза.

Обикновените захари (монозахариди) имат обща формула CnH2nOn и се разделят на тетрози, триози, пентози и хексози. Последните два са най-често в клетките на живи организми, например, рибоза и деоксирибоза са част от нуклеинови киселини и глюкоза и фруктоза са включени в реакциите на асимилация и дисимилация. Олигозахаридите често са намерени в растителни клетки: захароза се съхранява в клетките на захарно цвекло и захарна тръстика, малтоза, съдържаща се в caryopses покълнали ръж и ечемик.

Дисакаридите имат сладък вкус и лесно се разтварят във вода. Полизахаридите, които са биополимери, са представени главно от нишесте, целулоза, гликоген и ламинарин. Хитинът принадлежи към структурните форми на полизахаридите. Основната функция на въглехидратите в клетката е енергията. В резултат на хидролиза и реакции на енергиен метаболизъм, полизахаридите се разделят на глюкоза и след това се окисляват до въглероден диоксид и вода. В резултат един грам глюкоза отделя 17,6 kJ енергия, а запасите от нишесте и гликоген всъщност са резервоар на клетъчна енергия.

Гликогенът се нанася предимно в мускулните и чернодробните клетки, растителни нишесте - в грудки, луковици, корени, семена и членестоноги, като паяци, насекоми и ракообразни, главната роля в енергоснабдяването играе олигозахарид трехалоза.

Въглехидратите се различават от липидите и протеините чрез способността за храносмилане без кислород. Това е изключително важно за организмите, живеещи в условия на недостиг или липса на кислород, например за анаеробни бактерии и хелминти - човешки и животински паразити.

Има и друга функция на въглехидратите в клетката (структурна). Състои се от факта, че тези вещества са поддържащите структури на клетките. Например, целулоза е част от клетъчните стени на растенията, хитин образува външен скелет и много безгръбначни среща в гъбични клетки, olisaharidy заедно с липиди и протеини молекули образуват гликокаликса - nadmembranny комплекс. Той осигурява адхезия - натрупване на животински клетки помежду им, което води до образуването на тъкани.

Липиди: структура и функция

Тези органични вещества, които са хидрофобни (неразтворими във вода), могат да бъдат възстановени, т.е. извлечени от клетките от неполярни разтворители като ацетон или хлороформ. Функциите на липидите в клетката зависят от коя от трите групи те принадлежат: мазнини, восъци или стероиди. Мазнините са най-разпространени във всички видове клетки.

Животните се натрупват в подкожната мастна тъкан, нервната тъкан съдържа мазнина във формата миелинови обвивки нерви. Също така се натрупва в бъбреците, черния дроб, насекомите - в мастното тяло. Течните мазнини - масла - се намират в семената на много растения: кедър, фъстъци, слънчоглед, маслини. Съдържанието на липиди в клетките варира от 5 до 90% (в мастната тъкан).

Стероидите и восъците се различават от мазнините, тъй като в молекулите нямат остатъци от мастни киселини. Така че, стероидите са хормоните на кортикалния слой на надбъбречните жлези, които засягат сексуалното съзряване на организма и са компоненти на тестостерона. Те също са част от витамини (например витамин D).

Основните функции на липидите в клетката са енергията, изграждането и защитата. Първото се дължи на факта, че 1 грам мазнина по време на разцепването дава 38,9 кД енергия - много повече от други органични вещества - белтъчини и въглехидрати. Освен това, когато се окислява 1 грам мазнина, се освобождават почти 1,1 грама. вода. Ето защо някои животни, които имат склад на мазнини в тялото си, могат да останат без вода за дълго време. Например, gophers може да се хибернира повече от два месеца, без да се нуждае от вода, и камила не пие вода по време на преходи през пустинята за 10-12 дни.

Функцията на изграждане на липидите е, че те са неразделна част от клетъчните мембрани и също така са част от нервите. Защитната функция на липидите е, че слой мазнини под кожата около бъбреците и други вътрешни органи ги предпазва от механични наранявания. Специфичната топлоизолация е присъща на животните, които са били във водата дълго време: китове, уплътнения, уплътнения. Дебел подкожен мастен слой, например в син кит е 0,5 м, предпазва животното от хипотермия.

Значението на кислорода в клетъчния метаболизъм

Аеробни организми, които включват по-голямата част от животните, растенията и човека, като се използва атмосферен кислород за обмен на енергия реакции, водещи до разпадане на органични вещества и разпределението на определено количество енергия, натрупана в формата на молекули на аденозин трифосфат.

Следователно, пълно окисление на един мол глюкоза, която се проявява в митохондриалния cristae, 2800 кДж на енергия се разпределя, от които 1596 кДж (55%) се съхранява под формата на ATP молекули, съдържащи macroergic връзка. По този начин основната функция на кислорода в клетката е упражняването аеробно дишане, който се основава на група ензимни реакции на така наречените респираторна верига, възникващи в клетъчните органели - митохондрии. При прокариотните организми - фототрофичните бактерии и цианобактериите - окисляването на хранителните вещества се осъществява под въздействието на кислород, като се разпространява в клетките в вътрешни израстъци на плазмените мембрани.

Проучихме химичната организация на клетките и също така разгледахме процесите на биосинтеза на протеините и функцията на кислорода в клетъчния енергиен метаболизъм.