Organizare chimică a celulelor: substanțe organice, macro și microelemente

La sfârșitul secolului al XIX-lea, sa format o ramură de biologie, numită biochimie. Studiază compoziția chimică a unei celule vii. Sarcina principală a științei este cunoașterea particularităților metabolismului și energiei care reglează activitatea vitală a celulelor vegetale și animale.

Conceptul de compoziție chimică a celulelor

Ca urmare a unei cercetări atente, oamenii de știință au studiat organizarea chimică a celulelor și au constatat că ființele vii au mai mult de 85 de elemente chimice în compoziția lor. Și unele dintre ele sunt obligatorii pentru aproape toate organismele, în timp ce altele sunt specifice și se produc în specii biologice specifice. Un al treilea grup de elemente chimice este prezent în celulele microorganisme, plante și animale în cantități destul de mici. Elementele chimice din compoziția celulelor sunt cel mai adesea sub formă de cationi și anioni, din care se formează săruri minerale și apă și se sintetizează compuși organici cu conținut de carbon: carbohidrați, proteine, lipide.

Elemente organogene

În biochimie, ele includ carbon, hidrogen, oxigen și azot. Totalitatea lor este în celulă de la 88 la 97% din celelalte elemente chimice din ea. O importanță deosebită este carbonul. Toate substanțele organice din celulă constau în molecule conținând atomi de carbon în compoziția lor. Ele sunt capabile să se conecteze una la cealaltă, formând lanțuri (ramificate și neramificate), precum și cicluri. Această capacitate a atomilor de carbon stă la baza varietății izbitoare a substanțelor organice care formează citoplasma și organele celulare.

De exemplu, conținutul intern al celulei constă dintr-un oligozaharid solubil, proteine ​​hidrofile, lipide, diferite tipuri de ARN: ARN de transfer, ARN ribozomal și ARN mesager, precum și monomeri liberi - nucleotide. O astfel de compoziție chimică are și nucleu celular. De asemenea, conține molecule de acid deoxiribonucleic, care fac parte din cromozomi. Toți compușii de mai sus au în compoziția lor atomii de azot, carbon, oxigen, hidrogen. Aceasta este o dovadă a importanței lor deosebită, deoarece o organizație chimică a celulei depinde de conținutul elementelor biogene care compun structuri celulare: hyaloplasm și organite.

Elementele macro și semnificațiile lor

Elementele chimice, care se găsesc foarte des și în celulele diferitelor specii de organisme, se numesc macrocelule în biochimie. Conținutul lor în celulă este de 1,2% - 1,9%. Macroelementele celulei includ: fosfor, potasiu, clor, sulf, magneziu, calciu, fier și sodiu. Toate acestea îndeplinesc funcții importante și fac parte din organele celulare diferite. Astfel, ionul feros este prezent în proteina de sange - hemoglobina, care transporta oxigenul (caz în care este denumit oxihemoglobina), dioxid de carbon (karbogemoglobin) sau dioxid de carbon (carboxyhaemoglobin).

Ioniții de sodiu asigură cel mai important tip de transport intercelular: așa-numita pompă sodică-potasiu. Acestea fac de asemenea parte din fluidul interstițial și plasma sanguină. Ionii de magneziu sunt prezenți în moleculele de clorofilă (fotopigmentarea plantelor superioare) și participă la procesul de fotosinteză, deoarece formează centre de reacție care captează fotoni ai energiei luminoase.

Ioniții de calciu asigură comportamentul impulsurilor nervoase de-a lungul fibrelor și sunt, de asemenea, componenta principală a osteocitelor - celule osoase. Compușii de calciu sunt larg răspândiți în lumea nevertebratelor, în care cojile sunt compuse din carbonat de calciu.

Ionii de clor participă la reîncărcarea membranelor celulare și asigură apariția impulsurilor electrice care stau la baza excitației nervoase.

Atomii sulfului fac parte din proteinele native și provoacă structura lor terțiară, "cusăturile" lanțului polipeptidic, ducând la formarea unei molecule globulare de proteine.

Ionii de potasiu participă la transportul substanțelor prin membranele celulare. atomi de fosfor sunt o parte a acestei importante substanțe mari consumatoare de energie, cum ar fi adenozina trifosfat, și este o componentă importantă a moleculelor de acizi dezoxiribonucleici și ribonucleic, care sunt principala ereditatea substanțe celulare.

Funcțiile microelementelor în metabolismul celular

Aproximativ 50 de elemente chimice, care compun mai puțin de 0,1% în celule, se numesc microelemente. Acestea includ zinc, molibden, iod, cupru, cobalt, fluor. Dacă acestea sunt nesemnificative, ele îndeplinesc funcții foarte importante, deoarece fac parte din multe substanțe biologic active.

De exemplu, atomii de zinc sunt în molecula de insulină (hormon de reglare nivel pancreatic de glucoză din sânge), iod este un constituent al hormonilor tiroidieni - tiroxina si triiodotironina controlul nivelului metabolismului în organism. Cupru, împreună cu ionii de fier implicate în hematopoieză (formarea de celule sanguine roșii, trombocite și celule albe sanguine în măduva osoasă a vertebratelor). ionii de cupru sunt incluse în pigment homocianină prezente în sânge de nevertebrate, astfel crustacee. Prin urmare, culoarea hemolymph au albastru.

Chiar mai puțin este conținutul în celulă a elementelor chimice cum ar fi plumb, aur, brom, argint. Ele sunt numite ultramicroelemente și fac parte din celulele vegetale și animale. De exemplu, în boabele de porumb, ionii de aur au fost detectați prin analiză chimică. atomi ai bromului într-un număr mare de celule incluse în thalli de alge brune și roșii, cum ar fi Sargassum, laminaria, fucus.

Toate exemplele și faptele de mai sus explică modul în care compoziția chimică, funcțiile și structura celulei sunt legate între ele. Tabelul de mai jos prezintă conținutul diferitelor elemente chimice din celulele organismelor vii.

Caracteristicile generale ale substanțelor organice

Proprietățile chimice ale celulelor diferitelor grupe de organisme depind într-un anumit fel de atomii de carbon, a căror fracțiune este mai mare de 50% din masa celulară. Practic, toată substanța uscată a celulei este reprezentată de carbohidrați, proteine, acizi nucleici și lipide, care au o structură complexă și o masă moleculară mare. Astfel de molecule sunt numite macromolecule (polimeri) și constau din elemente simple - monomeri. Substanțele de proteine ​​joacă un rol extrem de important și îndeplinesc multe funcții, care vor fi discutate mai jos.

Rolul proteinelor în celulă

Analiza biochimică a compușilor care intră într-o celulă vie confirmă conținutul ridicat de substanțe organice, cum ar fi proteinele din ea. Acest fapt are o explicație logică: proteinele îndeplinesc diferite funcții și participă la toate manifestările vieții celulare.

De exemplu, funcția protectoare a proteinelor este formarea de anticorpi - imunoglobuline, produse de limfocite. Aceste proteine ​​protectoare, cum ar fi trombina, fibrina și tromboblastina, asigură coagularea sângelui și previne pierderea acestuia în leziuni și leziuni. Celula constă din proteine ​​complexe ale membranelor celulare care au capacitatea de a recunoaște compuși străini - antigeni. Ei își schimbă configurația și informează celula despre un potențial pericol (funcția de semnal).

Unele proteine ​​îndeplinesc o funcție de reglementare și sunt hormoni, de exemplu, oxitocina, produsă de hipotalamus, este rezervată de glanda pituitară. Intrând în sânge, oxitocina afectează pereții musculari ai uterului, cauzând contracția. Proteina vasopresina exercită de asemenea o funcție de reglementare, controlând tensiunea arterială.

În celulele musculare sunt actina și miozina, capabile să se contracte, ceea ce cauzează funcția motorie a țesutului muscular. Pentru proteine, funcția trofică este, de asemenea, caracteristică, de exemplu, albumina este folosită de embrion ca nutrient pentru dezvoltarea acesteia. Proteinele de sânge ale diferitelor organisme, de exemplu hemoglobina și hemocianina, transportă moleculele de oxigen - îndeplinesc o funcție de transport. Dacă se utilizează pe deplin substanțe mai mari consumatoare de energie, cum ar fi carbohidrații și lipidele, celula începe să descompună proteinele. Un gram din această substanță oferă 17,2 kJ de energie. Una dintre cele mai importante funcții ale proteinelor este catalitică (proteinele-enzime accelerează reacțiile chimice care apar în compartimentul citoplasmei). Pe baza celor de mai sus, suntem convinși că proteinele îndeplinesc multe funcții foarte importante și fac parte în mod obligatoriu din celula animală.

Biosinteza proteinelor

Luați în considerare în procesul de sinteză a proteinelor într-o celulă, care are loc în citoplasmă prin organite, cum ar fi ribozomi. Grație activității enzimelor specifice, cu participarea ionilor de calciu ribozomi se combină pentru polizomilor. Principalele funcții ale ribozomilor în celula - sinteza moleculelor proteice, pornind procesul de transcriere. Ca rezultat al acesteia sunt sintetizate molecule de ARNm, la care sunt polizomilor atașate. Apoi, cel de-al doilea proces începe - traducerea. Transportul ARN se leagă la douăzeci de tipuri diferite de aminoacizi și să le aducă polizomii și deoarece funcția ribozomilor în celulă - o sinteză a polipeptidelor, aceste organite formează complecși cu ARNt și moleculele de aminoacizi sunt legate între ele prin legături peptidice, pentru a forma o macromoleculă de proteină.

Rolul apei în procesele metabolice

Studiile citologice au confirmat faptul că structura celulară și compoziția pe care le studiem, o medie de 70% apă, iar în multe animale, ceea ce duce un mod de viață de apă (de exemplu, coelenterates) conținutul său ajunge la 97-98%. În acest sens, organizarea chimică a celulelor include hidrofil (capabil de dizolvare) și substanțe hidrofobe (hidro-respingatoare). Fiind un solvent universal polar, apa joacă un rol excepțional și afectează direct nu numai funcțiile, ci și structura celulară. Tabelul de mai jos prezintă conținutul de apă din celulele diferitelor tipuri de organisme vii.

Funcția de carbohidrați într-o cușcă

După cum am aflat mai devreme, carbohidrații importanți sunt substanțe organice importante - polimeri. Acestea includ polizaharide, oligozaharide și monozaharide. Carbohidrații fac parte din complexe mai complexe - glicolipidele și glicoproteinele, din care sunt construite membrane celulare și structuri supramembrante, de exemplu glicocalcex.

Mai mult carbon în hidrați de carbon include atomi de hidrogen și de oxigenare, iar unele polizaharide contin mai mult azot, sulf și fosfor. Celulele multor glucide din plante: tuberculi de cartofi conțin până la 90% amidon din semințe și conținutul de carbohidrați de fructe până la 70%, iar celulele animale se găsesc sub formă de compuși ca glicogen, chitina și trehaloză.

Zaharurile simple (monozaharide) au formula generală CnH2nOn și sunt împărțite în tetrozuri, trioze, pentoze și hexoze. Ultimele două sunt cele mai frecvente in celulele organismelor vii, de exemplu, riboză și deoxiriboză sunt parte a acizilor nucleici, și glucoza și fructoza sunt implicate în reacțiile de asimilare și disimilație. Oligozaharidele sunt adesea găsite în celulele vegetale: sucroză este stocat în celulele de sfeclă de zahăr și trestie de zahăr, maltoza conținută în cariopse germinate secară și orz.

Disacaridele au un gust dulce și sunt ușor solubile în apă. Polizaharidele, fiind biopolimeri, sunt reprezentate în principal de amidon, celuloză, glicogen și laminarină. Chitina aparține formelor structurale de polizaharide. Funcția principală a carbohidraților din celulă este energia. Ca urmare a hidrolizei și a reacțiilor de metabolizare a energiei, polizaharidele se împart în glucoză și apoi se oxidează la dioxid de carbon și apă. Ca urmare, un gram de glucoză eliberează 17,6 kJ de energie, iar stocurile de amidon și glicogen reprezintă, de fapt, un rezervor de energie celulară.

Glicogenul este depozitat în principal în celulele musculare și hepatice, amidon vegetal - în tuberculi, bulbi, rădăcini, semințe și artropode, cum ar fi păianjeni, insecte și crustacee, rolul principal în alimentarea cu energie joacă un trehaloză oligozaharid.

Carbohidrații diferă de lipide și proteine ​​prin capacitatea de digestie fără oxigen. Acest lucru este extrem de important pentru organismele care trăiesc în condiții de deficiență sau lipsă de oxigen, de exemplu, pentru bacterii anaerobe și helminte - paraziți ai oamenilor și animalelor.

Există o altă funcție a carbohidraților în construcția cuștilor (structurale). Aceasta constă în faptul că aceste substanțe sunt structurile suport ale celulelor. De exemplu, celuloza este o parte a pereților celulelor de plante, chitină formează un schelet exterior si multe nevertebrate are loc in celulele fungice, olisaharidy impreuna cu lipide si molecule de proteine ​​formeaza glycocalyx - complex nadmembranny. Oferă aderența - aglomerarea celulelor animale între ele, ceea ce duce la formarea de țesuturi.

Lipide: structura și funcția

Aceste substanțe organice, care sunt hidrofobe (insolubile în apă) poate fi îndepărtată, adică extras din celule cu solvenți nepolari, cum ar fi acetona sau cloroformul. Funcțiile lipidelor din celulă depind de care din cele trei grupuri le aparțin: grăsimi, ceară sau steroizi. Grăsimile sunt cele mai răspândite în toate tipurile de celule.

Animalele le acumulează în țesutul adipos subcutanat, țesutul nervos conține grăsime sub formă mielină nervi. Se acumulează de asemenea în rinichi, ficat, insecte - în corpul gras. Grasimile grase - uleiuri - se gasesc in semintele multor plante: cedru, arahide, floarea-soarelui, masline. Conținutul de lipide din celule variază de la 5 la 90% (în țesutul adipos).

Steroizii și cerurile diferă de grăsimi prin faptul că nu au reziduuri de acizi grași în molecule. Deci, steroizii sunt hormonii stratului cortic al suprarenalelor, care afectează maturarea sexuală a corpului și sunt componente ale testosteronului. Ele sunt, de asemenea, parte din vitamine (de exemplu, vitamina D).

Principalele funcții ale lipidelor din celulă sunt energia, clădirea și protecția. Primul se datorează faptului că 1 gram de grăsime în timpul scindării produce 38,9 kJ de energie - mult mai mult decât alte substanțe organice - proteine ​​și carbohidrați. În plus, când se oxidează 1 g de grăsime, se eliberează aproape 1,1 g. apă. De aceea, unele animale care au un depozit de grăsime în corpul lor pot rămâne fără apă pentru o perioadă lungă de timp. De exemplu, goperii pot fi hibernați mai mult de două luni fără a avea nevoie de apă și o cămilă nu bea apă în timpul tranzițiilor prin deșert timp de 10-12 zile.

Funcția de construcție a lipidelor este că acestea fac parte integrantă din membranele celulare și fac, de asemenea, parte din nervi. Funcția de protecție a lipidelor este aceea că un strat de grăsime sub piele din jurul rinichilor și a altor organe interne le protejează de leziuni mecanice. Funcția specifică de izolare termică este inerentă animalelor care au fost în apă pentru o lungă perioadă de timp: balene, sigilii, sigilii. Un strat gros de grăsime subcutanată, de exemplu, într-o balenă albastră este de 0,5 m, protejează animalul de hipotermie.

Importanța oxigenului în metabolismul celular

organismelor aerobe, care includ majoritatea covârșitoare a animalelor, plantelor și la om, folosind oxigenul atmosferic pentru reactiile de schimb de energie care duc la scindarea substanțelor organice și alocarea unei anumite cantități de energie acumulată sub formă de molecule de adenozin trifosfat.

Astfel, oxidarea completă a unui mol de glucoza, care apare în cristae mitocondrial, 2800 kJ de energie este alocat, din care 1596 kJ (55%) este stocat sub forma de molecule ATP conținând conexiune macroergice. Astfel, funcția de bază a oxigenului din celulă este exercitarea respirația aerobă, care se bazează pe un grup de reacții enzimatice ale așa-numitei lanțul respirator, care apar în organele celulare - mitocondriile. In organisme procariote - bacterii fototrofice și cianobacterii - oxidarea nutrienților are loc sub influența oxigenului difuzând în celulele din protuberanțele interne ale membranelor plasmatice.

Am studiat organizarea chimică a celulelor și, de asemenea, am examinat procesele de biosinteză a proteinelor și funcția oxigenului în metabolismul energetic celular.