Organizarea chimică a celulelor: substanțe organice, macro- și microelemente

La sfârșitul secolului al 19-lea a format o ramură a biologiei numită biochimie. Ea studiază compoziția chimică a celulelor vii. Sarcina principală a științei - cunoașterea particularităților metabolismului și energiei, reglarea funcțiilor vitale ale celulelor de plante și animale.

Conceptul de compoziția chimică a celulelor

Ca urmare a unor ample de cercetare de către oamenii de știință organizarea chimică a celulelor a fost studiat și a constatat că lucrurile vii sunt compuse din mai mult de 85 de elemente chimice. Iar unele dintre ele sunt necesare pentru aproape toate organismele, în timp ce altele sunt specifice și apar în anumite specii. Un al treilea grup de elemente chimice prezente în celulele microorganisme, plante și animale în cantități suficient de mici. Elementele chimice ale celulei sunt adesea sub formă de cationi și anioni din care se formează săruri minerale și apă și sunt sintetizați compuși organici de carbon: carbohidrați, proteine, lipide.

elemente organogenă

In biochimie, acestea includ carbon, hidrogen, oxigen și azot. set lor este într-o celulă de 88 la 97% din celelalte elemente chimice prezente în ea. Deosebit de important este carbon. Toate substanțele organice din compoziția celulelor constau din molecule care conțin carbon în atomii săi de compoziție. Ele pot fi interconectate pentru a forma un lanț (ramificat și neramificat), precum și cicluri. Această abilitate de atomi de carbon stă la baza diversității izbitoare a substanțelor organice incluse în citoplasmă celulară și organite.

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 un nucleu celular. Acesta conține, de asemenea, o moleculă de acid dezoxiribonucleic, o parte din cromozomi. Toți compușii de mai sus sunt în atomii săi compoziția de azot, carbon cu 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.

Macronutrienți și semnificația lor

Elemente chimice, care sunt, de asemenea, foarte frecvente în celule de diferite tipuri de organisme, biochimie sunt numite macronutrienti. Conținutul lor în celulă este de 1,2% - 1,9%. Prin macroelemente celule includ: fosfor, potasiu, clor, sulf, magneziu, calciu, fier si sodiu. Toate acestea au funcții importante și fac parte din diferitele celule organite. 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).

Ionii de sodiu furnizează formă importantă de transport de intercelular: așa-numita pompa de sodiu-potasiu. De asemenea, ele fac parte din interstițial plasma de fluid și sânge. ioni de magneziu prezenți în moleculele de clorofilă (photopigment plante superioare) și sunt implicate în procesul de fotosinteză, precum și centrele de reacție formă care fotonii capcana de energie luminoasă.

Ionii de calciu asigura dirijarea impulsurilor nervoase de-a lungul fibrelor si sunt componenta principala a osteocite - celule osoase. Compușii de calciu sunt larg răspândite în animale nevertebrate din lume ale căror cochilii sunt compuse din carbonat de calciu.

ioni de clor sunt implicate în reîncărcarea membrana celulară și asigură apariția impulsuri electrice de stimulare neuronale care stau la baza.

Atomii de sulf sunt parte a proteinei native și cauza structurii lor lanțului polipeptidic terțiară „coasere“, formând astfel molecula de proteină globulară.

Ionii de potasiu sunt implicate în 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.

Funcția Trace în metabolismul celular

Aproximativ 50 de elemente chimice care reprezintă mai puțin de 0,1% în celule, numite microcelule. Acestea includ zinc, molibden, iod, cupru, cobalt, fluor. Cu întreținere redusă ele îndeplinesc o funcție foarte importantă, ca parte a multor 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 albastră lor hemolimfa.

Mai puțin conținut în celulă astfel de elemente chimice, cum ar fi plumbul, aurul, brom, argint. Acestea sunt numite ultromikroelementami și o parte a celulelor vegetale și animale. De exemplu, în analiza chimică au fost detectate ioni de aur de porumb gărgărința. atomi ai bromului într-un număr mare de celule incluse în thalli de alge brune și roșii, cum ar fi Sargassum, laminaria, fucus.

Toate anterior aceste exemple și fapte explică modul în care compoziția chimică interdependente, funcția și structura celulelor. Tabelul de mai jos prezintă conținutul diferitelor elemente chimice din celulele organismelor vii.

Caracteristicile generale ale compușilor organici

Proprietățile chimice ale celulelor din diferite grupe de organisme într-un anumit mod dependente de atomii de carbon, care reprezintă peste 50% din masa celulară. Practic, toată materia uscată de celule este reprezentat carbohidrați, proteine, acizi nucleici și lipide, care au o structură complexă și cu greutate moleculară ridicată. Astfel de molecule sunt numite macromolecule (polimeri) și sunt compuse din elemente simple - monomeri. substanțe proteice joacă un rol extrem de important și de a efectua o varietate de funcții, care sunt discutate mai jos.

Rolul proteinelor in celula

Analiza biochimică a compușilor care intră într-o celulă vie, confirmă un conținut ridicat de substanțe organice, cum ar fi proteinele. Acest fapt are o explicație logică: proteine efectua o varietate de funcții și sunt implicate în toate aspectele vieții celulare.

De exemplu, funcția de protecție a proteinelor este formarea de anticorpi - anticorpii produși de limfocite. Astfel de proteine de protecție, cum ar fi trombina, fibrina si tromboblastin asigura coagularea sângelui și pentru a preveni pierderea in trauma si a prejudiciului. Compoziția complexă a celulei include proteinele membranei celulare având capacitatea de a recunoaște compuși străini - antigeni. Ei schimba configurația lor și celula raport cu potențialele riscuri (funcția de alarmă).

Unele proteine au o funcție de reglementare și sunt hormoni, cum ar fi oxitocina, produs de hipotalamus, glanda pituitară rezervate. Pornind de la ea în sânge, ocitocina pe peretele muscular al uterului, cauzând reducerea acesteia. proteină vasopresina servește, de asemenea o funcție de reglementare prin controlul tensiunii arteriale.

Celulele musculare sunt actina si miozina, sunt capabile să scadă, ceea ce determină funcția motorie a țesutului muscular. Pentru proteine, funcția tipică și trofică, de exemplu, albumină embrion utilizată ca nutrient pentru dezvoltare. Proteinele din sânge ale diferitelor organisme, cum ar fi hemoglobina si hemocianina, sunt transferate molecule de oxigen - funcționează funcția de transport. În cazul în care mai multe substanțe consumatoare de energie, cum ar fi glucide si lipide, utilizate în totalitate, celula incepe sa se descompuna proteinele. Un gram din acest material 17 dă 2 kJ de energie. Una dintre cele mai importante funcții ale proteinelor este catalitic (proteine, enzime accelera reacții chimice în compartimentele citoplasmatice). Pe baza celor de mai sus, am văzut că proteinele au o serie de funcții foarte importante și o parte necesară a celulei animale.

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, începe al doilea proces - difuzare. 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 metabolismul

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%. Având în vedere această organizare chimică a celulelor include hidrofile (capabil să dizolve) și material hidrofob (respinge apa). Ca un solvent polar universal, apă joacă un rol esențial și are un impact direct nu numai asupra funcției, dar, de asemenea, în însăși structura celulelor. Tabelul de mai jos prezintă conținutul de apă în diferite tipuri de celule ale organismelor vii.

Funcția de carbohidrați în celulă

Așa cum am explicat mai devreme, la importante produse chimice organice - polimeri - sunt, de asemenea, hidrați de carbon. Acestea includ polizaharide, oligozaharide și monozaharide. Carbohidrații fac parte din mai multe sisteme complexe - glicolipide și glicoproteine, care sunt construite din membrane celulare și a structurii nadmembrannye, de exemplu glycocalyx.

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.

zaharuri simple (monozaharide) au formula generală CnH2nOn și împărțit în tetroses, triose, 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.

Dizaharide au un gust dulce și sunt ușor solubile în apă. Polizaharidele, fiind biopolimerilor constau în principal din amidon, celuloză, glicogen și laminarin. Formele structurale includ polizaharide chitină. Funcția primară a carbohidratilor in celula - energie. Ca rezultat al reacțiilor de hidroliză și a metabolismului energetic clivate polizaharide la glucoză, și este apoi oxidat la bioxid de carbon și apă. Ca rezultat, un gram eliberărilor de glucoză 17,6 kJ de energie și rezervele de amidon și glicogen, sunt, în esență 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 sunt diferite de lipide și proteine, capacitatea de degradare anoxie. Acest lucru este extrem de important pentru organismele vii în condiții de deficiență sau absența oxigenului, cum ar fi bacteriile anaerobe si helmintilor - paraziti de oameni si animale.

Există o altă funcție a carbohidraților în celulă - construcția (structurale). Acesta se află în faptul că aceste substanțe sunt sprijinirea structurilor de celule. 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. Acesta oferă adeziune - între un celule clumping animale, ceea ce duce la formarea de tesut.

Lipidele: 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. Funcția de lipide în celula depinde de care dintre cele trei grupuri din care fac parte: la grăsimi, ceruri sau steroizi. Grasimile sunt cele mai comune în toate tipurile de celule.

Animalele le acumulează în țesutul adipos subcutanat, țesut neural conține grăsime sub forma de teaca de mielină a nervilor. De asemenea, se acumuleaza in rinichi, ficat, insecte - în corpul gras. Grăsimi lichide - uleiuri - se găsesc în semințele multor plante: pin, arahide, floarea soarelui, măsline. Conținutul de lipide în celulele variază între 5 și 90% (în țesutul adipos).

Steroizii și ceruri diferă de la grăsimi în care acestea nu au în moleculele de reziduuri de acizi grași. Deci, steroizi - hormoni este cortexul adrenal, care afecteaza pubertate corpul si care sunt componente de testosteron. Ele sunt, de asemenea, o parte din vitamine (de exemplu, vitamina D).

Funcția principală a lipidelor din celula - este energia, construcția și protecția. Primul se datorează faptului că 1 gram de grăsime în clivaj dă 38.9 kJ de energie - mult mai mult decât alte substanțe organice - proteine și carbohidrați. Mai mult, în oxidarea 1 d grăsime se află aproape 1,1 c. apă. Acesta este motivul pentru care unele animale au un stoc de grăsime în corpul dumneavoastră poate fi o lungă perioadă de timp fără apă. De exemplu, popîndăi pot fi latente pentru mai mult de două luni, fără a fi nevoie de apă, și nu bea apă cămilă la tranzițiile prin deșert timp de 10-12 zile.

Construcție a funcției lipidelor constă în faptul că acestea sunt o parte integrantă a membranelor celulare, precum și o parte a nervului. Funcția de protecție a lipidelor constă în faptul că stratul de grăsime sub piele în jurul rinichilor și a altor organe interne le protejează de leziunile mecanice. Funcția specifică de izolare termică este inerentă animalelor pentru o lungă perioadă de timp fiind în apă: balene, sigilii, sigilii de blană. Strat gros adipos subcutanat, de exemplu, balena albastra este de 0,5 m, protejează animalul de hipotermie.

Valoarea 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 primară a oxigenului in celula - implementarea respiratie aeroba, care se bazează pe un grup de reacții enzimatice așa-numitul lanț respirator apar in organite - mitocondrii. In organisme procariote - bacterii fototrofice și cianobacterii - oxidarea nutrienților are loc sub influența oxigenului difuzând în celulele din protuberanțele interne ale membranelor plasmatice.

Avem organizare chimică a celulelor a fost studiat, precum și procesele de sinteza proteinelor si functia de oxigen in metabolismul energetic celular.