Chemická organizace buněk: organické látky, makro- a mikroelementy

Na konci 19. století vznikla odvětví biologie, nazývané biochémie. Studie chemického složení živé buňky. Hlavním úkolem vědy je poznání zvláštností metabolismu a energie, které regulují životně důležitou aktivitu rostlinných a živočišných buněk.

Koncepce chemického složení buněk

V důsledku pečlivého výzkumu vědci zkoumali chemickou organizaci buněk a zjistili, že živé bytosti mají ve svém složení více než 85 chemických prvků. Některé z nich jsou povinné pro téměř všechny organismy, zatímco jiné jsou specifické a vyskytují se u specifických biologických druhů. Třetí skupina chemických prvků je přítomna v buňkách mikroorganismů, rostlin a zvířat v poměrně malých množstvích. Chemické prvky ve složení buněk jsou nejčastěji ve formě kationtů a aniontů, z nichž se tvoří minerální soli a voda a syntetizují se organické sloučeniny obsahující uhlík: sacharidy, proteiny, lipidy.

Organogenní prvky

V biochemii zahrnují uhlík, vodík, kyslík a dusík. Jejich celkovost je v buňce od 88 do 97% dalších chemických prvků v něm. Zvláště důležité je uhlík. Všechny organické látky v buňce sestávají z molekul obsahujících atomy uhlíku v jejich složení. Jsou schopni se vzájemně spojit, vytvářet řetězy (rozvětvené a nerozvětvené), stejně jako cykly. Tato schopnost atomů uhlíku je podkladem pro nápadnou různorodost organických látek, které tvoří cytoplazmus a buněčné organely.

Například vnitřní obsah buňky se skládá z rozpustné oligosacharidu, hydrofilních proteinů, lipidů, různé typy RNA: RNA převod, ribozomální RNA a posel RNA, stejně jako volné monomery - nukleotidy. Takové chemické složení má a buněčné jádro. Obsahuje také molekuly deoxyribonukleové kyseliny, které jsou součástí chromozomů. Všechny výše uvedené sloučeniny mají ve svém složení atomy dusíku, uhlíku, kyslíku, vodíku. To je důkaz jejich zvláště důležitého významu, protože chemická organizace buněk závisí na obsahu organogenních prvků, které tvoří buněčné struktury: hyaloplasmus a organelly.

Makro prvky a jejich význam

Chemické prvky, které se také velmi často nacházejí v buňkách různých druhů organismů, se v biochemii nazývají makrocykly. Jejich obsah v buňce je 1,2% - 1,9%. Mezi makroelementy buňky patří: fosfor, draslík, chlor, síra, hořčík, vápník, železo a sodík. Všichni provádějí důležité funkce a jsou součástí různých buněčných organel. To znamená, že železnaté ionty je přítomna v krevní bílkoviny - hemoglobin, který přenáší kyslík (v takovém případě se nazývá oxyhemoglobinu), oxid uhličitý (karbogemoglobin) nebo oxidu uhličitého (karboxyhemoglobinu).

Sodné ionty poskytují nejdůležitější typ mezibuněčného transportu: tzv. Sodíkové draselné čerpadlo. Jsou také součástí intersticiální tekutiny a krevní plazmy. Hořčíkové ionty jsou přítomné v molekulách chlorofylu (fotopigmentace vyšších rostlin) a účastní se procesu fotosyntézy, neboť tvoří reakční centra, která zachycují fotony světelné energie.

Ionty vápníku poskytují chování nervových impulzů podél vláken a jsou také hlavní součástí osteocytů - kostních buněk. Sloučeniny vápníku jsou široce distribuovány ve světě bezobratlých, ve kterém jsou skořápky složeny z uhličitanu vápenatého.

Chlorové ionty se podílejí na dobíjení buněčných membrán a poskytují vzhled elektrických impulsů, které jsou základem nervové excitace.

Atomy síry jsou součástí nativních proteinů a způsobují jejich terciární strukturu, "šití" polypeptidový řetězec, což vede k tvorbě globulární molekuly proteinu.

Draselné ionty se účastní transportu látek přes buněčné membrány. atomy fosforu jsou součástí tohoto důležitého energeticky náročných látek, jako jsou adenosin trifosfátu, a je důležitou součástí molekul deoxyribonukleové a ribonukleové kyseliny, které jsou hlavní látky buňka dědičnost.

Funkce mikroelementů v buněčném metabolismu

Asi 50 chemických prvků, které tvoří v buňkách méně než 0,1%, se nazývají mikroelementy. Tito zahrnují zinek, molybden, jod, měď, kobalt, fluor. Pokud jsou nevýznamné, vykonávají velmi důležité funkce, protože jsou součástí mnoha biologicky aktivních látek.

Například atomy zinku jsou v inzulínové molekule (pankreatický hormon regulující krevní hladiny glukózy v krvi), jód je složkou hormonů štítné žlázy - thyroxin a trijodthyronin řízení úrovně metabolismus v těle. Měď, spolu s ionty železa zapojených krvetvorby (tvorbě červených krvinek, krevních destiček a bílých krvinek v kostní dřeni obratlovců). Měděné ionty jsou součástí pigmentu hemocyaninu přítomného v krvi bezobratlých, například měkkýšů. Proto mají barvu hemolymfy modrou barvu.

Ještě méně je obsah v buňce takových chemických prvků jako olovo, zlato, brom, stříbro. Jsou nazývány ultramicroelementy a jsou součástí rostlinných a živočišných buněk. Například u kukuřičných zrn byly zlaté ionty detekovány chemickou analýzou. Velké množství atomů bromu je obsaženo v kompozici tallusových buněk hnědé a červené řasy, například sargassum, kelp, fucus.

Všechny výše uvedené příklady a fakty vysvětlují, jak je chemické složení, funkce a struktura buňky vzájemně propojeny. Níže uvedená tabulka ukazuje obsah různých chemických prvků v buňkách živých organismů.

Obecné charakteristiky organických látek

Chemické vlastnosti buněk různých skupin organismů závisí určitým způsobem na atomech uhlíku, jejichž frakce je více než 50% buněčné hmoty. Prakticky veškerá suchá látka buňky představuje sacharidy, proteiny, nukleové kyseliny a lipidy, které mají složitou strukturu a velkou molekulovou hmotnost. Takové molekuly se nazývají makromolekuly (polymery) a skládají se z jednodušších prvků - monomerů. Proteinové látky hrají nesmírně důležitou roli a plní mnoho funkcí, které budou popsány níže.

Úloha proteinů v buňce

Biochemická analýza sloučenin, které vstupují do živé buňky, potvrzuje vysoký obsah organických látek, jako jsou proteiny v nich. Tato skutečnost má logické vysvětlení: bílkoviny plní různé funkce a podílejí se na všech projevech činnosti buněčného života.

Například ochranná funkce proteinů je tvorba protilátek - imunoglobulinů, produkovaných lymfocyty. Takové ochranné proteiny, jako trombin, fibrin a tromboblastin, poskytují srážení krve a zabraňují její ztrátě při poraněních a úrazech. Buňka se skládá z komplexních proteinů buněčných membrán, které mají schopnost rozpoznat cizí sloučeniny - antigeny. Změní konfiguraci a informují buňku o potenciálním nebezpečí (signální funkce).

Některé proteiny mají regulační funkci a hormony, například oxytocin produkovaný hypotalamem, jsou rezervovány hypofýzou. Při vstupu do krve má oxytocin vliv na svalové stěny dělohy, což způsobuje kontrakci. Protein vazopresin také provádí regulační funkci, kontrolující krevní tlak.

Ve svalových buňkách jsou aktin a myosin, schopné kontrakce, což způsobuje motorickou funkci svalové tkáně. U proteinů je také charakteristická trofická funkce, například albumin je embryo použit jako živina pro jeho vývoj. Krevní proteiny různých organismů, například hemoglobin a hemocyanin, nesou molekuly kyslíku - provádějí transportní funkci. Pokud jsou plně spotřebovávány více energeticky náročných látek, jako jsou sacharidy a lipidy, začne bunka rozbít bílkoviny. Jeden gram této látky dává energii 17,2 kJ. Jedna z nejdůležitějších funkcí bílkovin je katalytická (proteinové enzymy zrychlují chemické reakce, které se vyskytují v kompartmentu cytoplazmy). Na základě výše uvedených skutečností jsme byli přesvědčeni, že proteiny plní mnoho velmi důležitých funkcí a jsou nezbytně součástí živočišné buňky.

Biosyntéza bílkovin

Vezměme si proces syntézy proteinu v buňce, který se vyskytuje v cytoplazmě přes organel, jako jsou ribozomy. Díky aktivitě specifických enzymů, za účasti ribozóma vápenatých iontů se spojí polysomy. Hlavní funkce ribozomy v buňce - syntézu molekul bílkovin, spuštění procesu transkripce. Výsledkem je syntetizace molekul mRNA, ke kterým jsou připojeny polysomy. Pak začne druhý proces - překlad. Doprava RNA se váží na dvacet různých druhů aminokyselin, a přivést je do polysomy, a protože funkce ribozomů v buňce - syntéza polypeptidů, tyto organely vytvářet komplexy s tRNA a aminokyselinové molekuly jsou spojeny peptidovými vazbami za vzniku proteinové makromolekuly.

Úloha vody v metabolických procesech

Cytologické studie potvrdily skutečnost, že struktura a složení buněk, který studujeme, v průměru o 70% vody, a v mnoha zvířat, což vede vodní způsob života (např coelenterates) jeho obsah dosahuje 97-98%. S ohledem na tuto skutečnost má chemická organizace buněk hydrofilní (schopnost rozpouštění) a hydrofobní (vodu odpuzující) látky. Jako univerzální polární rozpouštědlo hraje voda mimořádnou roli a přímo ovlivňuje nejen funkce, ale i samotnou strukturu buňky. Níže uvedená tabulka ukazuje obsah vody v buňkách různých typů živých organismů.

Funkce sacharidů v kleci

Jak jsme zjistili dříve, významné sacharidy jsou důležité organické látky - polymery. Ty zahrnují polysacharidy, oligosacharidy a monosacharidy. Sacharidy jsou součástí složitějších komplexů - glykolipidů a glykoproteinů, z nichž jsou vybudovány buněčné membrány a supramembránové struktury, například glycokalyx.

Dále uhlíku v sacharidů zahrnuje atomy vodíku a okysličení, a některé polysacharidy obsahují více dusíku, síry a fosforu. Buňky mnoha rostlinných sacharidů: Bramborové hlízy obsahují až 90% škrobu v semenech a obsah ovoce sacharidů až 70%, a živočišné buňky se nacházejí ve formě takových sloučenin, jako je glykogen, chitin a trehalosu.

Jednoduché cukry (monosacharidy), mají obecný vzorec CnH2nOn a rozdělen do tetrózy, triose, pentózy a hexózy. Poslední dva jsou nejčastější v buňkách živých organismů, například, ribosy a deoxyribosy jsou součástí nukleových kyselin a glukózy a fruktózy se účastní v reakcích asimilace a disimilace. Oligosacharidy se často nacházejí v rostlinných buňkách: sacharóza je uložena v buňkách cukrové řepy a cukrové třtiny, maltóza obsažené v obilkách naklíčených žito a ječmen.

Disacharidy mají sladkou chuť a jsou snadno rozpustné ve vodě. Polysacharidy, které jsou biopolymery, jsou zastoupeny hlavně škrobem, celulózou, glykogenem a laminarinem. Chitin patří do strukturálních forem polysacharidů. Hlavní funkcí uhlohydrátů v buňce je energie. V důsledku hydrolýzy a reakcí energetického metabolismu se polysacharidy rozdělí na glukózu a oxidují se na oxid uhličitý a vodu. Výsledkem je, že jeden gram glukózy uvolňuje 17,6 kJ energie a zásoby škrobu a glykogenu jsou ve skutečnosti zásobníkem buněčné energie.

Glykogen je uložen hlavně ve svalových a jaterních buněk, rostlinného škrobu - v hlízy, cibule, kořeny, semena a členovců, jako jsou pavouci, hmyzu a korýšů, hlavní roli v zásobování energií hraje oligosacharid trehalózu.

Sacharidy se liší od lipidů a proteinů schopností trávení bez kyslíku. To je mimořádně důležité pro organismy žijící v podmínkách nedostatku nebo nedostatku kyslíku, například u anaerobních bakterií a helmintů - lidských a zvířecích parazitů.

Existuje ještě další funkce sacharidů v buňce - konstrukce (strukturální). To spočívá v tom, že tyto látky jsou nosné struktury buněk. Například, celulóza je součástí buněčných stěn rostlin, chitin tvoří vnější kostru a mnoho bezobratlých se vyskytuje v buňkách hub, olisaharidy spolu s lipidy a proteiny molekuly tvoří glykokalyx - nadmembranny komplex. To poskytuje adhezi - mezi hrudkující živočišných buňkách, což vede k tvorbě tkáně.

Lipidy: struktura a funkce

Tyto organické látky, které jsou hydrofobní (ve vodě nerozpustné), mohou být získány, tj. Extrahovány z buněk nepolárními rozpouštědly, jako je aceton nebo chloroform. Funkce lipidů v buňce závisí na které ze tří skupin patří: tuky, vosky nebo steroidy. Tuky jsou nejrozšířenější ve všech typech buněk.

Zvířata se hromadí v podkožní tukové tkáni, nervová tkáň obsahuje tuky ve formě myelinové pláště nervy. Také se hromadí v ledvinách, játrech, hmyzu - v tukovém těle. Tekuté tuky - oleje - se nacházejí v semenách mnoha rostlin: cedr, arašídy, slunečnice, olivy. Obsah lipidů v buňkách se pohybuje od 5 do 90% (v tukové tkáni).

Steroidy a vosky se liší od tuků tím, že v molekulách neobsahují zbytky mastných kyselin. Takže steroidy jsou hormony kortikální vrstvy nadledvinek, které ovlivňují sexuální zrání těla a jsou součástí testosteronu. Jsou také součástí vitaminů (například vitamínu D).

Hlavní funkce lipidů v buňce jsou energie, budování a ochrana. První je kvůli skutečnosti, že 1 gram tuku během štěpení poskytuje 38,9 kJ energie - mnohem více než jiné organické látky - bílkoviny a sacharidy. Navíc, když oxiduje 1 g tuku, uvolní se téměř 1,1 g. vody. To je důvod, proč některé živočichy, které mají v těle úložiště tuku, mohou dlouho zůstat bez vody. Například gopery mohou být spánkovány déle než dva měsíce bez nutnosti vody a velbloud nepije vodu během přechodů přes poušť po dobu 10-12 dní.

Funkční funkce lipidů je, že jsou nedílnou součástí buněčných membrán a také tvoří součást nervů. Ochranná funkce lipidů spočívá v tom, že vrstva tuku pod kůží kolem ledvin a dalších vnitřních orgánů chrání před mechanickými zraněními. Zvláštní funkce tepelné izolace je vlastnictvím zvířat, která jsou dlouho ve vodě: velryby, pečetí, pečeť. Hustá podkožní tuková vrstva, například v modré velrybě je 0,5 m, chrání zvíře před hypotermie.

Význam kyslíku v buněčném metabolismu

Aerobní, které obsahují naprostou většinu zvířat, rostlin a člověka, s použitím atmosférického kyslíku pro výměnu energie reakcí vedoucích ke štěpení organických látek a přidělení určité množství energie, akumulované ve formě molekul adenosintrifosfátu.

To znamená, že kompletní oxidace jednoho molu glukózy, který se vyskytuje v mitochondriální cristae, 2800 kJ energie je přidělen, z nichž 1596 kJ (55%), je uložena ve formě ATP molekul obsahujících makroergní spojení. To znamená, že hlavní funkcí kyslíku v buňce - provádění aerobní dýchání, který je založen na skupině enzymatických reakcí tzv respirační řetězec, vyskytující se v buněčných organellech - mitochondrie. V prokaryotických organizmech - fototrofních bakteriích a sinicích - oxidace živin se objevuje pod vlivem kyslíku a difunduje do buněk do vnitřních výrůstků plazmatických membrán.

Studovali jsme chemickou organizaci buněk a také zkoumali procesy biosyntézy bílkovin a funkci kyslíku v metabolismu buněčné energie.