Krajem 19. veka formirana je grana biologije pod nazivom biohemija. Proučava hemijski sastav žive ćelije. Glavni zadatak nauke je poznavanje karakteristika metabolizma i energije koja reguliše vitalnu aktivnost biljnih i životinjskih ćelija.
Koncept hemijskog sastava ćelije
Kao rezultat pažljivog istraživanja, naučnici su proučavali hemijsku organizaciju ćelija i otkrili da živa bića imaju više od 85 hemijskih elemenata u svom sastavu. Štaviše, neki od njih su obavezni za gotovo sve organizme, dok su drugi specifični i nalaze se u određenim biološkim vrstama. A treća grupa hemijskih elemenata prisutna je u ćelijama mikroorganizama, biljaka i životinja u prilično malim količinama. Ćelije sadrže hemijske elemente najčešće u obliku kationa i anjona, iz kojih nastaju mineralne soli i voda, a sintetiziraju se organska jedinjenja koja sadrže ugljenik: ugljikohidrati, proteini, lipidi.
Organogeni elementi
U biohemiji to uključuje ugljik, vodonik,kiseonik i azot. Njihova ukupnost u ćeliji je od 88 do 97% ostalih hemijskih elemenata u njoj. Ugljik je posebno važan. Sve organske supstance u sastavu ćelije sastoje se od molekula koji u svom sastavu sadrže atome ugljenika. Oni su u stanju da se međusobno povežu, formirajući lance (razgranate i nerazgranate), kao i cikluse. Ova sposobnost atoma ugljika leži u osnovi nevjerovatne raznolikosti organskih supstanci koje čine citoplazmu i ćelijske organele.
Na primjer, unutrašnji sadržaj ćelije se sastoji od rastvorljivih oligosaharida, hidrofilnih proteina, lipida, raznih vrsta ribonukleinske kiseline: transfer RNK, ribosomalne RNK i RNK za glasnike, kao i slobodnih monomera - nukleotida. Ćelijsko jezgro ima sličan hemijski sastav. Sadrži i molekule deoksiribonukleinske kiseline koje su dio hromozoma. Sva navedena jedinjenja sadrže atome dušika, ugljika, kisika, vodika. Ovo je dokaz njihovog posebno važnog značaja, jer hemijska organizacija ćelija zavisi od sadržaja organogenih elemenata koji čine ćelijske strukture: hijaloplazmu i organele.
Makro elementi i njihova značenja
Hemijski elementi, koji su takođe veoma česti u ćelijama različitih vrsta organizama, u biohemiji se nazivaju makronutrijentima. Njihov sadržaj u ćeliji je 1,2% - 1,9%. Makroelementi ćelije uključuju: fosfor, kalijum, hlor, sumpor, magnezijum, kalcijum, gvožđe i natrijum. Svi oni obavljaju važne funkcije i dio su raznihćelijske organele. Dakle, ion željeza je prisutan u proteinu krvi - hemoglobinu, koji prenosi kiseonik (u ovom slučaju se zove oksihemoglobin), ugljen dioksid (karbohemoglobin) ili ugljen monoksid (karboksihemoglobin).
Joni natrijuma obezbeđuju najvažniji tip međućelijskog transporta: takozvanu natrijum-kalijumovu pumpu. Oni su takođe deo intersticijske tečnosti i krvne plazme. Joni magnezija prisutni su u molekulama hlorofila (fotopigment viših biljaka) i učestvuju u procesu fotosinteze, jer formiraju reakcione centre koji hvataju fotone svjetlosne energije.
Joni kalcijuma obezbeđuju provođenje nervnih impulsa duž vlakana, a ujedno su i glavna komponenta osteocita - koštanih ćelija. Jedinjenja kalcijuma su široko rasprostranjena u svetu beskičmenjaka, čije se školjke sastoje od kalcijum karbonata.
Joni hlora su uključeni u punjenje ćelijskih membrana i obezbeđuju pojavu električnih impulsa koji su u osnovi nervnog uzbuđenja.
Atomi sumpora su dio prirodnih proteina i određuju njihovu tercijarnu strukturu "poprečnim povezivanjem" polipeptidnog lanca, što rezultira formiranjem globularnog proteinskog molekula.
Joni kalijuma su uključeni u transport supstanci kroz ćelijske membrane. Atomi fosfora su dio tako važne energetski intenzivne supstance kao što je adenozin trifosforna kiselina, a također su važna komponenta molekula deoksiribonukleinske i ribonukleinske kiseline, koje su glavne supstance ćelijskog naslijeđa.
Funkcije elemenata u tragovima u ćelijimetabolizam
Oko 50 hemijskih elemenata koji čine manje od 0,1% u ćelijama nazivaju se elementi u tragovima. To uključuje cink, molibden, jod, bakar, kob alt, fluor. Sa neznatnim sadržajem obavljaju veoma važne funkcije, jer su dio mnogih biološki aktivnih supstanci.
Na primjer, atomi cinka se nalaze u molekulima inzulina (hormona pankreasa koji reguliše nivo glukoze u krvi), jod je sastavni dio hormona štitnjače - tiroksina i trijodtironina, koji kontrolišu nivo metabolizma u tijelo. Bakar, zajedno sa ionima gvožđa, učestvuje u hematopoezi (formiranju eritrocita, trombocita i leukocita u crvenoj koštanoj srži kičmenjaka). Joni bakra dio su pigmenta hemocijanina prisutnog u krvi beskičmenjaka, kao što su mekušci. Dakle, boja njihove hemolimfe je plava.
Još manje sadržaja u ćeliji hemijskih elemenata kao što su olovo, zlato, brom, srebro. Zovu se ultramikroelementi i dio su biljnih i životinjskih stanica. Na primjer, ioni zlata su detektovani u zrnu kukuruza hemijskom analizom. Atomi broma u velikim količinama su dio ćelija steljke smeđih i crvenih algi, kao što su sargassum, kelp, fucus.
Svi gornji primjeri i činjenice objašnjavaju kako su hemijski sastav, funkcije i struktura ćelije međusobno povezani. Tabela ispod pokazuje sadržaj različitih hemijskih elemenata u ćelijama živih organizama.
Opće karakteristike organskih supstanci
Hemijska svojstva ćelija različitih grupa organizama na izvestan način zavise od atoma ugljenika, čiji je udeo veći od 50% mase ćelije. Gotovo sva suha tvar ćelije predstavljena je ugljikohidratima, proteinima, nukleinskim kiselinama i lipidima, koji imaju složenu strukturu i veliku molekularnu težinu. Takvi molekuli nazivaju se makromolekuli (polimeri) i sastoje se od jednostavnijih elemenata - monomera. Proteinske supstance igraju izuzetno važnu ulogu i obavljaju mnoge funkcije, o čemu će biti reči u nastavku.
Uloga proteina u ćeliji
Biohemijska analiza jedinjenja koja čine živu ćeliju potvrđuje visok sadržaj takvih organskih supstanci kao što su proteini u njoj. Za ovu činjenicu postoji logično objašnjenje: proteini obavljaju različite funkcije i uključeni su u sve manifestacije ćelijskog života.
Na primjer, zaštitna funkcija proteina je stvaranje antitijela - imunoglobulina koje proizvode limfociti. Zaštitni proteini kao što su trombin, fibrin i tromboblastin obezbeđuju zgrušavanje krvi i sprečavaju njen gubitak tokom povreda i rana. Sastav ćelije uključuje kompleksne proteine ćelijskih membrana koji imaju sposobnost prepoznavanja stranih jedinjenja – antigena. Oni mijenjaju svoju konfiguraciju i obavještavaju ćeliju o potencijalnoj opasnosti (signalna funkcija).
Neki proteini imaju regulatornu funkciju i hormoni su, na primjer, oksitocin koji proizvodi hipotalamus rezervisan je u hipofizi. Od toga dokrvi, oksitocin djeluje na mišićne zidove materice, uzrokujući njenu kontrakciju. Protein vazopresin također ima regulatornu funkciju, kontrolira krvni tlak.
U mišićnim ćelijama postoje aktin i miozin koji se mogu kontrahirati, što određuje motoričku funkciju mišićnog tkiva. Proteini također imaju trofičku funkciju, na primjer, albumin koristi embrij kao hranjivu tvar za svoj razvoj. Proteini krvi raznih organizama, kao što su hemoglobin i hemocijanin, nose molekule kiseonika - obavljaju transportnu funkciju. Ako se energetski intenzivnije tvari poput ugljikohidrata i lipida u potpunosti iskoriste, stanica nastavlja s razgradnjom proteina. Jedan gram ove supstance daje 17,2 kJ energije. Jedna od najvažnijih funkcija proteina je katalitička (enzimski proteini ubrzavaju kemijske reakcije koje se odvijaju u odjeljcima citoplazme). Na osnovu navedenog, uvjerili smo se da proteini obavljaju mnoge vrlo važne funkcije i da su nužno dio životinjske ćelije.
Biosinteza proteina
Razmotrite proces sinteze proteina u ćeliji, koji se odvija u citoplazmi uz pomoć organela kao što su ribozomi. Zahvaljujući aktivnosti posebnih enzima, uz sudjelovanje iona kalcija, ribosomi se spajaju u polisome. Glavne funkcije ribozoma u ćeliji su sinteza proteinskih molekula, koja počinje procesom transkripcije. Kao rezultat, sintetiziraju se molekule mRNA za koje su vezani polizomi. Zatim počinje drugi proces - prevođenje. Transfer RNAkombinuju se sa dvadeset različitih vrsta aminokiselina i dovode ih do polisoma, a pošto su funkcije ribozoma u ćeliji sinteza polipeptida, ove organele formiraju komplekse sa tRNA, a molekuli aminokiselina se međusobno vezuju peptidnim vezama, formirajući proteinska makromolekula.
Uloga vode u metaboličkim procesima
Citološke studije su potvrdile činjenicu da se ćelija, čiju strukturu i sastav proučavamo, sastoji od u prosjeku 70% vode, a kod mnogih životinja koje vode vodeni način života (npr. sadržaj dostiže 97-98 %. Imajući ovo na umu, hemijska organizacija ćelija uključuje hidrofilne (sposobne da se rastvaraju) i hidrofobne (vodoodbojne) supstance. Kao univerzalni polarni rastvarač, voda igra izuzetnu ulogu i direktno utiče ne samo na funkcije, već i na samu strukturu ćelije. Tabela ispod pokazuje sadržaj vode u ćelijama različitih vrsta živih organizama.
Funkcija ugljenih hidrata u ćeliji
Kao što smo ranije saznali, ugljikohidrati su također važne organske tvari - polimeri. To uključuje polisaharide, oligosaharide i monosaharide. Ugljikohidrati su dio složenijih kompleksa - glikolipida i glikoproteina, od kojih se grade ćelijske membrane i supramembranske strukture, poput glikokaliksa.
Ugljikohidrati osim ugljika sadrže atome kisika i vodonika, a neki polisaharidi također sadrže dušik, sumpor i fosfor. U biljnim ćelijama ima puno ugljenih hidrata: gomolji krompirasadrže do 90% škroba, sjemenke i plodovi sadrže do 70% ugljikohidrata, a u životinjskim stanicama se nalaze u obliku jedinjenja kao što su glikogen, hitin i trehaloza.
Jednostavni šećeri (monosaharidi) imaju opštu formulu CnH2nOn i dele se na tetroze, trioze, pentoze i heksoze. Posljednje dvije su najčešće u stanicama živih organizama, na primjer, riboza i deoksiriboza su dio nukleinskih kiselina, a glukoza i fruktoza sudjeluju u reakcijama asimilacije i disimilacije. Oligosaharidi se često nalaze u biljnim ćelijama: saharoza je pohranjena u ćelijama šećerne repe i šećerne trske, m altoza se nalazi u proklijalim zrnima raži i ječma.
Disaharidi imaju sladak ukus i dobro se rastvaraju u vodi. Polisaharidi, kao biopolimeri, uglavnom su predstavljeni škrobom, celulozom, glikogenom i laminarinom. Hitin pripada strukturnim oblicima polisaharida. Glavna funkcija ugljikohidrata u ćeliji je energija. Kao rezultat hidrolize i reakcija energetskog metabolizma, polisaharidi se razgrađuju do glukoze, a zatim se oksidiraju u ugljični dioksid i vodu. Kao rezultat toga, jedan gram glukoze oslobađa 17,6 kJ energije, a zalihe škroba i glikogena su, u stvari, rezervoar ćelijske energije.
Glikogen se uglavnom skladišti u mišićnom tkivu i ćelijama jetre, biljnom škrobu u gomoljima, lukovicama, korijenima, sjemenkama, a u člankonošcima kao što su pauci, insekti i rakovi, trehalozni oligosaharid igra glavnu ulogu u opskrbi energijom.
Ugljikohidratirazlikuju se od lipida i proteina po svojoj sposobnosti cijepanja bez kisika. Ovo je izuzetno važno za organizme koji žive u uslovima nedostatka ili odsustva kiseonika, kao što su anaerobne bakterije i helminti - paraziti ljudi i životinja.
Postoji još jedna funkcija ugljikohidrata u ćeliji - građevna (strukturna). Leži u činjenici da su ove supstance potporne strukture ćelija. Na primjer, celuloza je dio staničnih zidova biljaka, hitin čini vanjski skelet mnogih beskičmenjaka i nalazi se u gljivičnim stanicama, olisaharidi, zajedno s lipidnim i proteinskim molekulama, čine glikokaliks - epimembranski kompleks. Osigurava adheziju - prianjanje životinjskih stanica jedne na drugu, što dovodi do stvaranja tkiva.
Lipidi: struktura i funkcije
Ove organske supstance, koje su hidrofobne (nerastvorljive u vodi), mogu se ekstrahovati, odnosno ekstrahovati iz ćelija, korišćenjem nepolarnih rastvarača kao što su aceton ili hloroform. Funkcije lipida u ćeliji zavise od toga kojoj od tri grupe pripadaju: masti, voskovi ili steroidi. Masti su najzastupljenije u svim tipovima ćelija.
Životinje ih akumuliraju u potkožnom masnom tkivu, nervno tkivo sadrži masnoću u obliku mijelinskih ovojnica nerava. Akumulira se i u bubrezima, jetri, kod insekata - u masnom tijelu. Tečne masti - ulja - nalaze se u sjemenkama mnogih biljaka: kedra, kikirikija, suncokreta, masline. Sadržaj lipida u ćelijama kreće se od 5 do 90% (u masnom tkivu).
Steroidi i voskovirazlikuju se od masti po tome što ne sadrže ostatke masnih kiselina u svojim molekulima. Dakle, steroidi su hormoni kore nadbubrežne žlijezde koji utiču na pubertet tijela i sastavni su dio testosterona. Takođe se nalaze u vitaminima (kao što je vitamin D).
Glavne funkcije lipida u ćeliji su energetska, građevna i zaštitna. Prvi je zbog činjenice da 1 gram masti tokom cijepanja daje 38,9 kJ energije – mnogo više od ostalih organskih tvari – proteina i ugljikohidrata. Osim toga, prilikom oksidacije 1 g masti oslobađa se skoro 1,1 g. vode. Zbog toga neke životinje, koje imaju zalihe masti u svom tijelu, mogu dugo biti bez vode. Na primjer, gofovi mogu hibernirati duže od dva mjeseca bez potrebe za vodom, a kamila ne pije vodu kada prelazi pustinju 10-12 dana.
Gradna funkcija lipida je da su sastavni dio ćelijskih membrana, a također su i dio nerava. Zaštitna funkcija lipida je da ih sloj masti ispod kože oko bubrega i drugih unutrašnjih organa štiti od mehaničkih ozljeda. Specifična funkcija toplinske izolacije svojstvena je životinjama koje su dugo u vodi: kitovima, fokama, krznama. Debeli sloj potkožne masti, na primjer, kod plavog kita je 0,5 m, štiti životinju od hipotermije.
Važnost kiseonika u ćelijskom metabolizmu
Aerobni organizmi, koji uključuju ogromnu većinu životinja, biljaka i ljudi, koriste atmosferski kiseonik za reakcije energetskog metabolizma,što dovodi do razgradnje organskih supstanci i oslobađanja određene količine energije akumulirane u obliku molekula adenozin trifosforne kiseline.
Tako se potpunom oksidacijom jednog mola glukoze, koja se javlja na kristama mitohondrija, oslobađa 2800 kJ energije, od čega se 1596 kJ (55%) pohranjuje u obliku molekula ATP koji sadrže makroergijske obveznice. Dakle, glavna funkcija kiseonika u ćeliji je sprovođenje aerobnog disanja, koje se zasniva na grupi enzimskih reakcija takozvanog respiratornog lanca, koje se odvijaju u ćelijskim organelama - mitohondrijama. U prokariotskim organizmima - fototrofnim bakterijama i cijanobakterijama - oksidacija hranljivih materija se dešava pod dejstvom kiseonika koji difunduje u ćelije na unutrašnjim izraslinama plazma membrane.
Proučavali smo hemijsku organizaciju ćelija, kao i procese biosinteze proteina i funkciju kiseonika u ćelijskom energetskom metabolizmu.
