19. yüzyılın sonunda, biyokimya adı verilen bir biyoloji dalı oluştu. Canlı bir hücrenin kimyasal bileşimini inceler. Bilimin temel görevi, bitki ve hayvan hücrelerinin hayati aktivitesini düzenleyen metabolizma ve enerjinin özelliklerinin bilgisidir.
Hücrenin kimyasal bileşimi kavramı
Dikkatli araştırmaların bir sonucu olarak bilim adamları, hücrelerin kimyasal organizasyonunu incelediler ve canlıların bileşimlerinde 85'ten fazla kimyasal element olduğunu keşfettiler. Ayrıca, bazıları hemen hemen tüm organizmalar için zorunludur, diğerleri ise spesifiktir ve belirli biyolojik türlerde bulunur. Ve üçüncü kimyasal element grubu, mikroorganizmaların, bitkilerin ve hayvanların hücrelerinde oldukça küçük miktarlarda bulunur. Hücreler çoğunlukla mineral tuzların ve suyun oluştuğu ve karbon içeren organik bileşiklerin sentezlendiği katyonlar ve anyonlar şeklinde kimyasal elementler içerir: karbonhidratlar, proteinler, lipitler.
Organojenik elementler
Biyokimyada bunlar arasında karbon, hidrojen,oksijen ve nitrojen. Hücredeki toplamları, içindeki diğer kimyasal elementlerin% 88 ila 97'sidir. Karbon özellikle önemlidir. Hücrenin bileşimindeki tüm organik maddeler, bileşimlerinde karbon atomları içeren moleküllerden oluşur. Zincirler (dallı ve dalsız) ve döngüler oluşturarak birbirleriyle bağlantı kurabilirler. Karbon atomlarının bu yeteneği, sitoplazmayı ve hücresel organelleri oluşturan inanılmaz çeşitlilikteki organik maddelerin altında yatar.
Örneğin, bir hücrenin iç içeriği çözünür oligosakaritler, hidrofilik proteinler, lipidler, çeşitli ribonükleik asit türlerinden oluşur: transfer RNA, ribozomal RNA ve haberci RNA'nın yanı sıra serbest monomerler - nükleotidler. Hücre çekirdeği benzer bir kimyasal bileşime sahiptir. Ayrıca kromozomların bir parçası olan deoksiribonükleik asit molekülleri içerir. Yukarıdaki bileşiklerin tümü azot, karbon, oksijen, hidrojen atomları içerir. Bu, hücrelerin kimyasal organizasyonu, hücresel yapıları oluşturan organojenik elementlerin içeriğine bağlı olduğundan, özellikle önemli önemlerinin kanıtıdır: hiyaloplazma ve organeller.
Makro öğeleri ve anlamları
Çeşitli organizma türlerinin hücrelerinde de oldukça yaygın olan kimyasal elementlere biyokimyada makro besin elementleri denir. Hücredeki içerikleri %1,2 - %1,9'dur. Hücrenin makro elementleri şunları içerir: fosfor, potasyum, klor, kükürt, magnezyum, kalsiyum, demir ve sodyum. Hepsi önemli işlevleri yerine getirir ve çeşitlihücre organelleri. Bu nedenle, demir iyonu kan proteininde bulunur - oksijeni taşıyan hemoglobin (bu durumda buna oksihemoglobin denir), karbon dioksit (karbohemoglobin) veya karbon monoksit (karboksihemoglobin).
Sodyum iyonları, hücreler arası taşımanın en önemli türünü sağlar: Sodyum-potasyum pompası olarak adlandırılan. Ayrıca interstisyel sıvının ve kan plazmasının bir parçasıdırlar. Magnezyum iyonları klorofil moleküllerinde (yüksek bitkilerin fotopigmenti) bulunur ve ışık enerjisinin fotonlarını yakalayan reaksiyon merkezleri oluşturduklarından fotosentez sürecine katılırlar.
Kalsiyum iyonları, lifler boyunca sinir uyarılarının iletilmesini sağlar ve aynı zamanda osteositlerin (kemik hücrelerinin) ana bileşenidir. Kalsiyum bileşikleri, kabukları kalsiyum karbonattan oluşan omurgasızlar dünyasında yaygın olarak bulunur.
Klor iyonları, hücre zarlarının yeniden şarj edilmesinde rol oynar ve sinir uyarımının altında yatan elektriksel uyarıların oluşmasını sağlar.
Kükürt atomları doğal proteinlerin bir parçasıdır ve polipeptit zincirini "çapraz bağlayarak" üçüncül yapılarını belirler, bu da küresel bir protein molekülünün oluşumuyla sonuçlanır.
Potasyum iyonları, maddelerin hücre zarlarından taşınmasında rol oynar. Fosfor atomları, adenozin trifosforik asit gibi enerji yoğun önemli bir maddenin parçasıdır ve ayrıca hücresel kalıtımın ana maddeleri olan deoksiribonükleik ve ribonükleik asit moleküllerinin önemli bir bileşenidir.
Hücredeki eser elementlerin işlevlerimetabolizma
Hücrelerde %0,1'den daha azını oluşturan yaklaşık 50 kimyasal elemente eser elementler denir. Bunlar çinko, molibden, iyot, bakır, kob alt, flor içerir. Önemsiz bir içerikle, birçok biyolojik olarak aktif maddenin parçası oldukları için çok önemli işlevleri yerine getirirler.
Örneğin, çinko atomları insülin moleküllerinde bulunur (kan şekerini düzenleyen pankreas hormonu), iyot tiroid hormonlarının ayrılmaz bir parçasıdır - vücuttaki metabolizma seviyesini kontrol eden tiroksin ve triiyodotironin. gövde. Bakır, demir iyonlarıyla birlikte hematopoezde (omurgalıların kırmızı kemik iliğinde eritrositler, trombositler ve lökositlerin oluşumu) yer alır. Bakır iyonları, yumuşakçalar gibi omurgasızların kanında bulunan hemosiyanin pigmentinin bir parçasıdır. Bu nedenle hemolenflerinin rengi mavidir.
Kurşun, altın, brom, gümüş gibi kimyasal elementlerin hücresinde daha da az içerik. Bunlara ultramikro elementler denir ve bitki ve hayvan hücrelerinin bir parçasıdır. Örneğin, kimyasal analiz ile mısır tanelerinde altın iyonları tespit edildi. Büyük miktarlarda brom atomları, sargassum, kelp, fucus gibi kahverengi ve kırmızı alglerin thallusunun hücrelerinin bir parçasıdır.
Yukarıdaki tüm örnekler ve gerçekler, hücrenin kimyasal bileşiminin, işlevlerinin ve yapısının birbiriyle nasıl bağlantılı olduğunu açıklamaktadır. Aşağıdaki tablo, canlı organizmaların hücrelerindeki çeşitli kimyasal elementlerin içeriğini göstermektedir.
Organik maddelerin genel özellikleri
Çeşitli organizma gruplarının hücrelerinin kimyasal özellikleri, belirli bir şekilde, oranı hücre kütlesinin %50'sinden fazla olan karbon atomlarına bağlıdır. Hücrenin hemen hemen tüm kuru maddesi, karmaşık bir yapıya ve büyük moleküler ağırlığa sahip karbonhidratlar, proteinler, nükleik asitler ve lipitler ile temsil edilir. Bu tür moleküllere makromoleküller (polimerler) denir ve daha basit elementlerden - monomerlerden oluşur. Protein maddeleri son derece önemli bir rol oynar ve aşağıda tartışılacak olan birçok işlevi yerine getirir.
Hücredeki proteinlerin rolü
Canlı bir hücreyi oluşturan bileşiklerin biyokimyasal analizi, içindeki protein gibi organik maddelerin yüksek içeriğini doğrular. Bu gerçeğin mantıklı bir açıklaması var: proteinler çeşitli işlevleri yerine getirir ve hücresel yaşamın tüm tezahürlerinde yer alır.
Örneğin, proteinlerin koruyucu işlevi, antikorların oluşumudur - lenfositler tarafından üretilen immünoglobulinler. Trombin, fibrin ve tromboblastin gibi koruyucu proteinler kanın pıhtılaşmasını sağlayarak yaralanma ve yaralanmalarda kaybını önler. Hücrenin bileşimi, yabancı bileşikleri - antijenleri tanıma yeteneğine sahip hücre zarlarının karmaşık proteinlerini içerir. Konfigürasyonlarını değiştirirler ve hücreyi potansiyel tehlike konusunda bilgilendirirler (sinyal fonksiyonu).
Bazı proteinlerin düzenleyici bir işlevi vardır ve hormonlardır, örneğin hipotalamus tarafından üretilen oksitosin, hipofiz bezi tarafından saklanır. ondanOksitosin, rahmin kas duvarlarına etki ederek kasılmasına neden olur. Protein vazopressin ayrıca kan basıncını kontrol eden düzenleyici bir işleve sahiptir.
Kas hücrelerinde, kas dokusunun motor fonksiyonunu belirleyen, kasılabilen aktin ve miyozin vardır. Proteinlerin ayrıca trofik bir işlevi vardır, örneğin albümin embriyo tarafından gelişimi için bir besin olarak kullanılır. Hemoglobin ve hemosiyanin gibi çeşitli organizmaların kan proteinleri oksijen molekülleri taşır - bir taşıma işlevi görürler. Karbonhidratlar ve lipitler gibi daha enerji yoğun maddeler tam olarak kullanılırsa, hücre proteinleri parçalamaya devam eder. Bu maddenin bir gramı 17,2 kJ enerji verir. Proteinlerin en önemli işlevlerinden biri katalitiktir (enzim proteinleri sitoplazmanın bölmelerinde meydana gelen kimyasal reaksiyonları hızlandırır). Yukarıdakilere dayanarak, proteinlerin çok önemli birçok işlevi yerine getirdiğine ve hayvan hücresinin mutlaka bir parçası olduğuna ikna olduk.
Protein biyosentezi
Bir hücrede ribozom gibi organeller yardımıyla sitoplazmada meydana gelen protein sentezi sürecini düşünün. Özel enzimlerin aktivitesi sayesinde, kalsiyum iyonlarının katılımıyla ribozomlar polisomlarda birleştirilir. Bir hücredeki ribozomların ana işlevleri, transkripsiyon süreciyle başlayan protein moleküllerinin sentezidir. Sonuç olarak, polisomların bağlı olduğu mRNA molekülleri sentezlenir. Sonra ikinci süreç başlar - çeviri. RNA'ları aktarınyirmi farklı tip amino asitle birleşerek polizomlara getirirler ve ribozomların hücredeki işlevleri polipeptid sentezi olduğundan bu organeller tRNA ile kompleksler oluşturur ve amino asit molekülleri peptit bağları ile birbirine bağlanarak bir hücre oluşturur. protein makromolekülü.
Metabolik süreçlerde suyun rolü
Sitolojik çalışmalar, yapısını ve bileşimini incelediğimiz hücrenin ortalama %70'i su olduğunu ve suda yaşayan birçok hayvanda (örneğin, koelenteratlar) olduğunu doğrulamıştır. içerik %97-98'e ulaşır. Bunu akılda tutarak, hücrelerin kimyasal organizasyonu hidrofilik (çözünebilen) ve hidrofobik (su itici) maddeleri içerir. Evrensel bir polar çözücü olan su, istisnai bir rol oynar ve yalnızca işlevleri değil, aynı zamanda hücrenin yapısını da doğrudan etkiler. Aşağıdaki tablo, çeşitli canlı organizma türlerinin hücrelerindeki su içeriğini göstermektedir.
Hücredeki karbonhidratların işlevi
Daha önce öğrendiğimiz gibi, karbonhidratlar da önemli organik maddelerdir - polimerlerdir. Bunlara polisakaritler, oligosakaritler ve monosakkaritler dahildir. Karbonhidratlar, hücre zarlarının ve glikokaliks gibi zar üstü yapıların inşa edildiği glikolipidler ve glikoproteinler gibi daha karmaşık komplekslerin bir parçasıdır.
Karbonlara ek olarak, karbonhidratlar oksijen ve hidrojen atomları içerir ve bazı polisakkaritler ayrıca azot, kükürt ve fosfor içerir. Bitki hücrelerinde çok fazla karbonhidrat vardır: patates yumruları%90'a kadar nişasta içerir, tohumlar ve meyveler %70'e kadar karbonhidrat içerir ve hayvan hücrelerinde glikojen, kitin ve trehaloz gibi bileşikler şeklinde bulunurlar.
Basit şekerler (monosakaritler) CnH2nOn genel formülüne sahiptir ve tetrozlar, triozlar, pentozlar ve heksozlara ayrılır. Son ikisi, canlı organizmaların hücrelerinde en yaygın olanıdır, örneğin, riboz ve deoksiriboz, nükleik asitlerin bir parçasıdır ve glikoz ve fruktoz, asimilasyon ve disimilasyon reaksiyonlarında yer alır. Oligosakkaritler genellikle bitki hücrelerinde bulunur: sakaroz şeker pancarı ve şeker kamışı hücrelerinde depolanır, m altoz ise çimlenmiş çavdar ve arpa tanelerinde bulunur.
Disakaritler tatlı bir tada sahiptir ve suda iyi çözünür. Biyopolimer olan polisakaritler, esas olarak nişasta, selüloz, glikojen ve laminarin ile temsil edilir. Kitin, polisakkaritlerin yapısal formlarına aittir. Karbonhidratların hücredeki ana işlevi enerjidir. Hidroliz ve enerji metabolizması reaksiyonlarının bir sonucu olarak, polisakkaritler glikoza parçalanır ve daha sonra karbondioksit ve suya oksitlenir. Sonuç olarak, bir gram glikoz 17,6 kJ enerji açığa çıkarır ve nişasta ve glikojen depoları aslında hücresel enerji deposudur.
Glikojen esas olarak kas dokusu ve karaciğer hücrelerinde, yumru köklerde, soğancıklarda, köklerde, tohumlarda sebze nişastasında ve örümcekler, böcekler ve kabuklular gibi eklembacaklılarda depolanır, trehaloz oligosakkarit enerji arzında önemli bir rol oynar.
Karbonhidratlarlipidler ve proteinlerden oksijensiz bölünme yeteneklerinden farklıdır. Bu, anaerobik bakteriler ve helmintler - insan ve hayvan parazitleri gibi oksijen eksikliği veya yokluğu koşullarında yaşayan organizmalar için son derece önemlidir.
Hücre inşasında (yapısal) karbonhidratların başka bir işlevi daha vardır. Bu maddelerin hücrelerin destekleyici yapıları olduğu gerçeğinde yatmaktadır. Örneğin, selüloz bitkilerin hücre duvarlarının bir parçasıdır, kitin birçok omurgasızın dış iskeletini oluşturur ve mantar hücrelerinde bulunur, olisakkaritler, lipid ve protein molekülleri ile birlikte bir glikokaliks - bir epimembran kompleksi oluşturur. Yapışma sağlar - hayvan hücrelerinin birbirine yapışmasını sağlayarak doku oluşumuna yol açar.
Lipidler: yapı ve işlevler
Hidrofobik (suda çözünmeyen) olan bu organik maddeler, aseton veya kloroform gibi polar olmayan çözücüler kullanılarak ekstrakte edilebilir, yani hücrelerden ekstrakte edilebilir. Bir hücredeki lipidlerin işlevleri, hangi üç gruba ait olduklarına bağlıdır: yağlar, mumlar veya steroidler. Yağlar tüm hücre tiplerinde en bol bulunanlardır.
Hayvanlar onları deri altı yağ dokusunda biriktirir, sinir dokusu sinirlerin miyelin kılıfları şeklinde yağ içerir. Ayrıca böbreklerde, karaciğerde, böceklerde - yağ vücudunda birikir. Sıvı yağlar - yağlar - birçok bitkinin tohumlarında bulunur: sedir, yer fıstığı, ayçiçeği, zeytin. Hücrelerdeki lipid içeriği (yağ dokusunda) %5 ila %90 arasında değişir.
Steroidler ve mumlarMoleküllerinde yağ asidi kalıntıları içermemeleri bakımından yağlardan farklıdırlar. Bu nedenle, steroidler, vücudun ergenliğini etkileyen ve testosteronun bileşenleri olan adrenal korteksin hormonlarıdır. Ayrıca vitaminlerde (D vitamini gibi) bulunurlar.
Hücredeki lipidlerin temel işlevleri enerji, yapı ve koruyucudur. Birincisi, bölünme sırasında 1 gram yağın 38.9 kJ enerji - diğer organik maddelerden çok daha fazla - protein ve karbonhidrat vermesi gerçeğinden kaynaklanmaktadır. Ayrıca 1 gr yağın oksidasyonu sırasında yaklaşık 1,1 gr yağ açığa çıkar. Su. Bu nedenle vücutlarında yağ bulunan bazı hayvanlar uzun süre susuz kalabilir. Örneğin, gophers suya ihtiyaç duymadan iki aydan fazla kış uykusuna yatabilir ve bir deve 10–12 gün boyunca çölü geçerken su içmez.
Lipidlerin yapı işlevi, hücre zarlarının ayrılmaz bir parçası olmaları ve aynı zamanda sinirlerin bir parçası olmalarıdır. Lipidlerin koruyucu işlevi, böbrekleri ve diğer iç organları çevreleyen deri altında bulunan bir yağ tabakasının onları mekanik yaralanmalardan korumasıdır. Uzun süre suda kalan hayvanlarda belirli bir ısı yalıtım işlevi vardır: balinalar, foklar, kürklü foklar. Örneğin mavi bir balinadaki kalın bir deri altı yağ tabakası 0,5 m'dir, hayvanı hipotermiden korur.
Hücresel metabolizmada oksijenin önemi
Hayvanların, bitkilerin ve insanların büyük çoğunluğunu içeren aerobik organizmalar, enerji metabolizması reaksiyonları için atmosferik oksijeni kullanır,organik maddelerin parçalanmasına ve adenozin trifosforik asit molekülleri şeklinde biriken belirli bir miktarda enerjinin salınmasına yol açar.
Böylece mitokondri kristasında meydana gelen bir mol glikozun tam oksidasyonu ile 2800 kJ enerji açığa çıkar ve bunun 1596 kJ'si (%55) makroerjik içeren ATP molekülleri şeklinde depolanır. tahviller. Bu nedenle, oksijenin hücredeki ana işlevi, hücresel organellerde - mitokondride meydana gelen solunum zincirinin bir grup enzimatik reaksiyonuna dayanan aerobik solunumun uygulanmasıdır. Prokaryotik organizmalarda - fototrofik bakteriler ve siyanobakteriler - besinlerin oksidasyonu, oksijenin hücrelere plazma zarlarının iç büyümeleri üzerinden yayılmasının etkisi altında gerçekleşir.
Hücrelerin kimyasal organizasyonunu, protein biyosentez süreçlerini ve oksijenin hücresel enerji metabolizmasındaki işlevini inceledik.
