Aan het einde van de 19e eeuw werd een tak van de biologie gevormd die biochemie wordt genoemd. Het bestudeert de chemische samenstelling van een levende cel. De belangrijkste taak van de wetenschap is de kennis van de kenmerken van het metabolisme en de energie die de vitale activiteit van plantaardige en dierlijke cellen reguleren.
Het concept van de chemische samenstelling van de cel
Als resultaat van zorgvuldig onderzoek hebben wetenschappers de chemische organisatie van cellen bestudeerd en ontdekt dat levende wezens meer dan 85 chemische elementen in hun samenstelling hebben. Bovendien zijn sommige verplicht voor bijna alle organismen, terwijl andere specifiek zijn en worden aangetroffen in specifieke biologische soorten. En de derde groep chemische elementen is in vrij kleine hoeveelheden aanwezig in de cellen van micro-organismen, planten en dieren. Cellen bevatten meestal chemische elementen in de vorm van kationen en anionen, waaruit minerale zouten en water worden gevormd, en koolstofhoudende organische verbindingen worden gesynthetiseerd: koolhydraten, eiwitten, lipiden.
Organogene elementen
In de biochemie omvatten deze koolstof, waterstof,zuurstof en stikstof. Hun totaliteit in de cel is van 88 tot 97% van de andere chemische elementen erin. Vooral koolstof is belangrijk. Alle organische stoffen in de samenstelling van de cel zijn samengesteld uit moleculen die koolstofatomen in hun samenstelling bevatten. Ze zijn in staat om met elkaar te verbinden en kettingen te vormen (vertakt en onvertakt), evenals cycli. Dit vermogen van koolstofatomen ligt ten grondslag aan de verbazingwekkende verscheidenheid aan organische stoffen die het cytoplasma en cellulaire organellen vormen.
De interne inhoud van een cel bestaat bijvoorbeeld uit oplosbare oligosachariden, hydrofiele eiwitten, lipiden, verschillende soorten ribonucleïnezuur: transfer-RNA, ribosomaal RNA en boodschapper-RNA, evenals vrije monomeren - nucleotiden. De celkern heeft een vergelijkbare chemische samenstelling. Het bevat ook deoxyribonucleïnezuurmoleculen die deel uitmaken van de chromosomen. Alle bovengenoemde verbindingen bevatten stikstof-, koolstof-, zuurstof- en waterstofatomen. Dit is een bewijs van hun bijzonder belangrijke betekenis, aangezien de chemische organisatie van cellen afhangt van het geh alte aan organogene elementen waaruit de celstructuren bestaan: hyaloplasma en organellen.
Macro-elementen en hun betekenis
Chemische elementen, die ook veel voorkomen in de cellen van verschillende soorten organismen, worden in de biochemie macronutriënten genoemd. Hun geh alte in de cel is 1,2% - 1,9%. De macro-elementen van de cel omvatten: fosfor, kalium, chloor, zwavel, magnesium, calcium, ijzer en natrium. Ze vervullen allemaal belangrijke functies en maken deel uit van verschillendecel organellen. Het ijzerion is dus aanwezig in het bloedeiwit - hemoglobine, dat zuurstof transporteert (in dit geval wordt het oxyhemoglobine genoemd), kooldioxide (carbohemoglobine) of koolmonoxide (carboxyhemoglobine).
Natriumionen zorgen voor de belangrijkste vorm van intercellulair transport: de zogenaamde natrium-kaliumpomp. Ze maken ook deel uit van de interstitiële vloeistof en het bloedplasma. Magnesiumionen zijn aanwezig in chlorofylmoleculen (fotopigment van hogere planten) en nemen deel aan het proces van fotosynthese, omdat ze reactiecentra vormen die fotonen van lichtenergie vasthouden.
Calciumionen zorgen voor de geleiding van zenuwimpulsen langs de vezels en zijn ook het hoofdbestanddeel van osteocyten - botcellen. Calciumverbindingen zijn wijdverbreid in de wereld van ongewervelde dieren, waarvan de schelpen zijn samengesteld uit calciumcarbonaat.
Chloorionen zijn betrokken bij het opladen van celmembranen en zorgen voor het optreden van elektrische impulsen die ten grondslag liggen aan nerveuze opwinding.
Zwavelatomen maken deel uit van natieve eiwitten en bepalen hun tertiaire structuur door de polypeptideketen te "verknopen", wat resulteert in de vorming van een bolvormig eiwitmolecuul.
Kaliumionen zijn betrokken bij het transport van stoffen door celmembranen. Fosforatomen maken deel uit van zo'n belangrijke energie-intensieve stof als adenosinetrifosforzuur, en zijn ook een belangrijk bestanddeel van deoxyribonucleïne- en ribonucleïnezuurmoleculen, de belangrijkste stoffen van cellulaire erfelijkheid.
Functies van sporenelementen in de celstofwisseling
Ongeveer 50 chemische elementen die minder dan 0,1% uitmaken in cellen, worden sporenelementen genoemd. Deze omvatten zink, molybdeen, jodium, koper, kob alt, fluor. Met een onbeduidende inhoud vervullen ze zeer belangrijke functies, omdat ze deel uitmaken van veel biologisch actieve stoffen.
Zinkatomen worden bijvoorbeeld aangetroffen in de moleculen van insuline (een pancreashormoon dat de bloedglucosespiegels reguleert), jodium is een integraal onderdeel van de schildklierhormonen - thyroxine en triiodothyronine, die het metabolisme in de lichaam. Koper is samen met ijzerionen betrokken bij hematopoëse (de vorming van erytrocyten, bloedplaatjes en leukocyten in het rode beenmerg van gewervelde dieren). Koperionen maken deel uit van het hemocyaninepigment dat aanwezig is in het bloed van ongewervelde dieren, zoals weekdieren. Daarom is de kleur van hun hemolymfe blauw.
Nog minder geh alte in de cel van chemische elementen als lood, goud, broom, zilver. Ze worden ultramicro-elementen genoemd en maken deel uit van plantaardige en dierlijke cellen. Er werden bijvoorbeeld goudionen gedetecteerd in maïskorrels door chemische analyse. Broomatomen maken in grote hoeveelheden deel uit van de cellen van de thallus van bruine en rode algen, zoals sargassum, kelp, fucus.
Alle bovenstaande voorbeelden en feiten leggen uit hoe de chemische samenstelling, functies en structuur van de cel met elkaar verbonden zijn. De onderstaande tabel toont de inhoud van verschillende chemische elementen in de cellen van levende organismen.
Algemene kenmerken van organische stoffen
Chemische eigenschappen van cellen van verschillende groepen organismen zijn op een bepaalde manier afhankelijk van koolstofatomen, waarvan het aandeel meer dan 50% van de celmassa is. Bijna alle droge stof van de cel wordt vertegenwoordigd door koolhydraten, eiwitten, nucleïnezuren en lipiden, die een complexe structuur en een hoog molecuulgewicht hebben. Dergelijke moleculen worden macromoleculen (polymeren) genoemd en bestaan uit eenvoudigere elementen - monomeren. Eiwitstoffen spelen een uiterst belangrijke rol en vervullen vele functies, die hieronder zullen worden besproken.
De rol van eiwitten in de cel
Biochemische analyse van de verbindingen waaruit een levende cel bestaat, bevestigt het hoge geh alte aan organische stoffen zoals eiwitten erin. Er is een logische verklaring voor dit feit: eiwitten vervullen verschillende functies en zijn betrokken bij alle manifestaties van het cellulaire leven.
De beschermende functie van eiwitten is bijvoorbeeld de vorming van antilichamen - immunoglobulinen geproduceerd door lymfocyten. Beschermende eiwitten zoals trombine, fibrine en tromboblastine zorgen voor de bloedstolling en voorkomen verlies bij verwondingen en wonden. De samenstelling van de cel omvat complexe eiwitten van celmembranen die het vermogen hebben om vreemde verbindingen te herkennen - antigenen. Ze veranderen hun configuratie en informeren de cel over potentieel gevaar (signaleringsfunctie).
Sommige eiwitten hebben een regulerende functie en zijn hormonen, bijvoorbeeld oxytocine geproduceerd door de hypothalamus wordt gereserveerd door de hypofyse. van het naarbloed, oxytocine werkt in op de spierwanden van de baarmoeder, waardoor deze samentrekt. Het eiwit vasopressine heeft ook een regulerende functie, het controleren van de bloeddruk.
In spiercellen zitten actine en myosine die kunnen samentrekken, wat de motorische functie van spierweefsel bepa alt. Eiwitten hebben ook een trofische functie, zo wordt albumine door het embryo gebruikt als voedingsstof voor zijn ontwikkeling. Bloedeiwitten van verschillende organismen, zoals hemoglobine en hemocyanine, dragen zuurstofmoleculen - ze vervullen een transportfunctie. Als meer energie-intensieve stoffen zoals koolhydraten en lipiden volledig worden benut, gaat de cel over tot het afbreken van eiwitten. Een gram van deze stof geeft 17,2 kJ energie. Een van de belangrijkste functies van eiwitten is katalytisch (enzymeiwitten versnellen chemische reacties die plaatsvinden in de compartimenten van het cytoplasma). Op basis van het voorgaande waren we ervan overtuigd dat eiwitten veel zeer belangrijke functies vervullen en noodzakelijkerwijs deel uitmaken van de dierlijke cel.
Eiwitbiosynthese
Beschouw het proces van eiwitsynthese in een cel, dat in het cytoplasma plaatsvindt met behulp van organellen zoals ribosomen. Dankzij de activiteit van speciale enzymen, met de deelname van calciumionen, worden ribosomen gecombineerd tot polysomen. De belangrijkste functies van ribosomen in een cel zijn de synthese van eiwitmoleculen, die begint met het transcriptieproces. Als resultaat worden mRNA-moleculen gesynthetiseerd, waaraan polysomen zijn gehecht. Dan begint het tweede proces - vertaling. RNA's overdragencombineren met twintig verschillende soorten aminozuren en ze naar polysomen brengen, en aangezien de functies van ribosomen in een cel de synthese van polypeptiden zijn, vormen deze organellen complexen met tRNA en binden aminozuurmoleculen aan elkaar door peptidebindingen, waardoor een eiwit macromolecuul.
De rol van water in metabolische processen
Cytologische studies hebben het feit bevestigd dat de cel, waarvan we de structuur en samenstelling bestuderen, voor gemiddeld 70% uit water bestaat, en dat bij veel dieren die een aquatische manier van leven leiden (bijvoorbeeld coelenteraten), de inhoud bereikt 97-98 %. Met dit in gedachten omvat de chemische organisatie van cellen hydrofiele (in staat om op te lossen) en hydrofobe (waterafstotende) stoffen. Omdat het een universeel polair oplosmiddel is, speelt water een uitzonderlijke rol en heeft het niet alleen directe invloed op de functies, maar ook op de structuur van de cel. Onderstaande tabel toont het watergeh alte in de cellen van verschillende soorten levende organismen.
De functie van koolhydraten in de cel
Zoals we eerder ontdekten, zijn koolhydraten ook belangrijke organische stoffen - polymeren. Deze omvatten polysachariden, oligosachariden en monosachariden. Koolhydraten maken deel uit van complexere complexen - glycolipiden en glycoproteïnen, waaruit celmembranen en supramembraanstructuren, zoals glycocalyx, zijn opgebouwd.
Naast koolstof bevatten koolhydraten zuurstof- en waterstofatomen, en sommige polysachariden bevatten ook stikstof, zwavel en fosfor. In plantencellen zitten veel koolhydraten: aardappelknollenbevatten tot 90% zetmeel, zaden en vruchten bevatten tot 70% koolhydraten, en in dierlijke cellen worden ze aangetroffen in de vorm van verbindingen zoals glycogeen, chitine en trehalose.
Eenvoudige suikers (monosacchariden) hebben de algemene formule CnH2nOn en zijn onderverdeeld in tetrosen, triosen, pentosen en hexosen. De laatste twee komen het meest voor in de cellen van levende organismen, ribose en deoxyribose maken bijvoorbeeld deel uit van nucleïnezuren en glucose en fructose nemen deel aan assimilatie- en dissimilatiereacties. Oligosachariden worden vaak aangetroffen in plantencellen: sucrose wordt opgeslagen in de cellen van suikerbiet en suikerriet, m altose wordt aangetroffen in gekiemde korrels van rogge en gerst.
Disacchariden hebben een zoete smaak en lossen goed op in water. Polysachariden, zijnde biopolymeren, worden voornamelijk vertegenwoordigd door zetmeel, cellulose, glycogeen en laminarine. Chitine behoort tot de structurele vormen van polysachariden. De belangrijkste functie van koolhydraten in de cel is energie. Als gevolg van hydrolyse en reacties op het energiemetabolisme worden polysachariden afgebroken tot glucose en vervolgens geoxideerd tot koolstofdioxide en water. Het resultaat is dat één gram glucose 17,6 kJ energie vrijmaakt, en zetmeel- en glycogeenvoorraden zijn in feite een reservoir van cellulaire energie.
Glycogeen wordt voornamelijk opgeslagen in spierweefsel en levercellen, plantaardig zetmeel in knollen, bollen, wortels, zaden en in geleedpotigen zoals spinnen, insecten en schaaldieren, trehalose-oligosaccharide speelt een belangrijke rol in de energievoorziening.
Koolhydratenverschillen van lipiden en eiwitten in hun vermogen tot zuurstofvrije splitsing. Dit is uiterst belangrijk voor organismen die leven in omstandigheden van zuurstofgebrek of afwezigheid, zoals anaërobe bacteriën en wormen - parasieten van mens en dier.
Er is nog een andere functie van koolhydraten in de cel - opbouw (structureel). Het ligt in het feit dat deze stoffen de ondersteunende structuren van cellen zijn. Cellulose maakt bijvoorbeeld deel uit van de celwanden van planten, chitine vormt het buitenste skelet van veel ongewervelde dieren en wordt aangetroffen in schimmelcellen, olisacchariden vormen samen met lipide- en eiwitmoleculen een glycocalyx - een epimembraancomplex. Het zorgt voor hechting - de hechting van dierlijke cellen aan elkaar, wat leidt tot de vorming van weefsels.
Lipiden: structuur en functies
Deze organische stoffen, die hydrofoob zijn (onoplosbaar in water), kunnen worden geëxtraheerd, dat wil zeggen geëxtraheerd uit cellen, met behulp van niet-polaire oplosmiddelen zoals aceton of chloroform. De functies van lipiden in een cel hangen af van tot welke van de drie groepen ze behoren: vetten, wassen of steroïden. Vetten komen het meest voor in alle celtypes.
Dieren hopen ze op in het onderhuidse vetweefsel, het zenuwweefsel bevat vet in de vorm van myelinescheden van zenuwen. Het hoopt zich ook op in de nieren, lever, in insecten - in het vetlichaam. Vloeibare vetten - oliën - zijn te vinden in de zaden van veel planten: ceder, pinda, zonnebloem, olijf. Het geh alte aan lipiden in cellen varieert van 5 tot 90% (in vetweefsel).
Steroïden en wassenverschillen van vetten doordat ze geen vetzuurresten in hun moleculen bevatten. Steroïden zijn dus hormonen van de bijnierschors die de puberteit van het lichaam beïnvloeden en zijn componenten van testosteron. Ze worden ook aangetroffen in vitamines (zoals vitamine D).
De belangrijkste functies van lipiden in de cel zijn energie, opbouwen en beschermen. De eerste komt doordat 1 gram vet tijdens het splitsen 38,9 kJ energie geeft - veel meer dan andere organische stoffen - eiwitten en koolhydraten. Bovendien komt bij de oxidatie van 1 g vet bijna 1,1 g vrij. water. Daarom kunnen sommige dieren, die een voorraad vet in hun lichaam hebben, lange tijd zonder water zitten. Gophers kunnen bijvoorbeeld meer dan twee maanden overwinteren zonder water nodig te hebben, en een kameel drinkt geen water wanneer hij 10-12 dagen door de woestijn trekt.
De bouwfunctie van lipiden is dat ze een integraal onderdeel zijn van celmembranen en ook deel uitmaken van de zenuwen. De beschermende functie van lipiden is dat een laag vet onder de huid rond de nieren en andere inwendige organen hen beschermt tegen mechanisch letsel. Een specifieke thermische isolatiefunctie is inherent aan dieren die lange tijd in het water zijn: walvissen, zeehonden, pelsrobben. Een dikke onderhuidse vetlaag, bijvoorbeeld bij een blauwe vinvis is 0,5 m, het beschermt het dier tegen onderkoeling.
Het belang van zuurstof in het cellulaire metabolisme
Aërobe organismen, waaronder de overgrote meerderheid van dieren, planten en mensen, gebruiken zuurstof uit de lucht voor reacties op het energiemetabolisme,wat leidt tot de afbraak van organische stoffen en het vrijkomen van een bepaalde hoeveelheid energie die is opgehoopt in de vorm van moleculen van adenosinetrifosforzuur.
Zo komt bij de volledige oxidatie van één mol glucose, die plaatsvindt op de cristae van mitochondriën, 2800 kJ energie vrij, waarvan 1596 kJ (55%) wordt opgeslagen in de vorm van ATP-moleculen die macroergische obligaties. De belangrijkste functie van zuurstof in de cel is dus de implementatie van aerobe ademhaling, die is gebaseerd op een groep enzymatische reacties van de zogenaamde ademhalingsketen, die voorkomen in cellulaire organellen - mitochondriën. In prokaryotische organismen - fototrofe bacteriën en cyanobacteriën - vindt de oxidatie van voedingsstoffen plaats onder invloed van zuurstof dat in cellen diffundeert op de interne uitgroeisels van plasmamembranen.
We hebben de chemische organisatie van cellen bestudeerd, evenals de processen van eiwitbiosynthese en de functie van zuurstof in het cellulaire energiemetabolisme.
