В края на 19-ти век се формира клон на биологията, наречен биохимия. Изучава химичния състав на жива клетка. Основната задача на науката е познаването на характеристиките на метаболизма и енергията, които регулират жизнената дейност на растителните и животинските клетки.
Концепцията за химическия състав на клетката
В резултат на внимателно изследване, учените са изследвали химическата организация на клетките и са открили, че живите същества имат повече от 85 химични елемента в състава си. Освен това някои от тях са задължителни за почти всички организми, а други са специфични и се срещат в специфични биологични видове. И третата група химични елементи присъства в клетките на микроорганизми, растения и животни в доста малки количества. Клетките съдържат химични елементи най-често под формата на катиони и аниони, от които се образуват минерални соли и вода и се синтезират въглерод-съдържащи органични съединения: въглехидрати, протеини, липиди.
Органогенни елементи
В биохимията те включват въглерод, водород,кислород и азот. Съвкупността им в клетката е от 88 до 97% от останалите химични елементи в нея. Въглеродът е особено важен. Всички органични вещества в състава на клетката са съставени от молекули, съдържащи въглеродни атоми в състава си. Те са в състояние да се свързват помежду си, образувайки вериги (разклонени и неразклонени), както и цикли. Тази способност на въглеродните атоми е в основата на невероятното разнообразие от органични вещества, които изграждат цитоплазмата и клетъчните органели.
Например, вътрешното съдържание на клетката се състои от разтворими олигозахариди, хидрофилни протеини, липиди, различни видове рибонуклеинова киселина: трансферна РНК, рибозомна РНК и информационна РНК, както и свободни мономери - нуклеотиди. Клетъчното ядро има подобен химичен състав. Той също така съдържа молекули на дезоксирибонуклеинова киселина, които са част от хромозомите. Всички горепосочени съединения съдържат атоми на азот, въглерод, кислород, водород. Това е доказателство за тяхното особено важно значение, тъй като химическата организация на клетките зависи от съдържанието на органогенни елементи, които изграждат клетъчните структури: хиалоплазма и органели.
Макро елементи и техните значения
Химическите елементи, които също са много често срещани в клетките на различни видове организми, се наричат макронутриенти в биохимията. Съдържанието им в клетката е 1,2% - 1,9%. Макроелементите на клетката включват: фосфор, калий, хлор, сяра, магнезий, калций, желязо и натрий. Всички те изпълняват важни функции и са част от различниклетъчни органели. И така, железният йон присъства в кръвния протеин - хемоглобин, който транспортира кислород (в този случай се нарича оксихемоглобин), въглероден диоксид (карбохемоглобин) или въглероден оксид (карбоксихемоглобин).
Натриевите йони осигуряват най-важния вид междуклетъчен транспорт: така наречената натриево-калиева помпа. Те също са част от интерстициалната течност и кръвната плазма. Магнезиевите йони присъстват в молекулите на хлорофила (фотопигментът на висшите растения) и участват в процеса на фотосинтеза, тъй като образуват реакционни центрове, които улавят фотони от светлинна енергия.
Калциевите йони осигуряват провеждането на нервните импулси по влакната, а също така са основният компонент на остеоцитите - костните клетки. Калциевите съединения са широко разпространени в света на безгръбначните, чиито черупки са съставени от калциев карбонат.
Хлорните йони участват в презареждането на клетъчните мембрани и осигуряват появата на електрически импулси, които са в основата на нервното възбуждане.
Серните атоми са част от естествените протеини и определят тяхната третична структура чрез "омрежване" на полипептидната верига, което води до образуването на глобуларна протеинова молекула.
Калиевите йони участват в транспортирането на вещества през клетъчните мембрани. Фосфорните атоми са част от такова важно енергоемко вещество като аденозин трифосфорната киселина, а също така са важен компонент на молекулите на дезоксирибонуклеинова и рибонуклеинова киселина, които са основните вещества на клетъчното наследство.
Функции на микроелементите в клеткатаметаболизъм
Около 50 химични елемента, които съставляват по-малко от 0,1% в клетките, се наричат микроелементи. Те включват цинк, молибден, йод, мед, кобалт, флуор. С незначително съдържание те изпълняват много важни функции, тъй като са част от много биологично активни вещества.
Например, цинковите атоми се намират в молекулите на инсулина (хормон на панкреаса, който регулира нивата на кръвната захар), йодът е неразделна част от хормоните на щитовидната жлеза - тироксин и трийодтиронин, които контролират нивото на метаболизма в тяло. Медта, заедно с железните йони, участва в хематопоезата (образуването на еритроцити, тромбоцити и левкоцити в червения костен мозък на гръбначните животни). Медните йони са част от пигмента хемоцианин, присъстващ в кръвта на безгръбначни, като мекотели. Следователно цветът на тяхната хемолимфа е син.
Още по-малко съдържание в клетката на такива химични елементи като олово, злато, бром, сребро. Те се наричат ултрамикроелементи и са част от растителните и животинските клетки. Например, златни йони бяха открити в царевичните зърна чрез химичен анализ. Бромните атоми в големи количества са част от клетките на талуса на кафяви и червени водорасли, като саргас, водорасли, фукус.
Всички по-горе дадени примери и факти обясняват как химическият състав, функциите и структурата на клетката са взаимосвързани. Таблицата по-долу показва съдържанието на различни химични елементи в клетките на живите организми.
Общи характеристики на органичните вещества
Химичните свойства на клетките от различни групи организми по определен начин зависят от въглеродните атоми, чийто дял е повече от 50% от клетъчната маса. Почти цялото сухо вещество на клетката е представено от въглехидрати, протеини, нуклеинови киселини и липиди, които имат сложна структура и голямо молекулно тегло. Такива молекули се наричат макромолекули (полимери) и се състоят от по-прости елементи - мономери. Протеиновите вещества играят изключително важна роля и изпълняват много функции, които ще бъдат разгледани по-долу.
Ролята на протеините в клетката
Биохимичен анализ на съединенията, които изграждат жива клетка, потвърждава високото съдържание на такива органични вещества като протеини в нея. Има логично обяснение за този факт: протеините изпълняват различни функции и участват във всички прояви на клетъчния живот.
Например, защитната функция на протеините е образуването на антитела - имуноглобулини, произвеждани от лимфоцитите. Защитни протеини като тромбин, фибрин и тромббластин осигуряват съсирването на кръвта и предотвратяват загубата му при наранявания и рани. Съставът на клетката включва сложни протеини на клетъчните мембрани, които имат способността да разпознават чужди съединения - антигени. Те променят конфигурацията си и информират клетката за потенциална опасност (сигнална функция).
Някои протеини имат регулаторна функция и са хормони, например окситоцинът, произвеждан от хипоталамуса, се запазва от хипофизната жлеза. От него докръв, окситоцинът действа върху мускулните стени на матката, карайки я да се свие. Протеинът вазопресин също има регулаторна функция, контролирайки кръвното налягане.
В мускулните клетки има актин и миозин, които могат да се свиват, което определя двигателната функция на мускулната тъкан. Протеините също имат трофична функция, например албуминът се използва от ембриона като хранително вещество за неговото развитие. Кръвните протеини на различни организми, като хемоглобин и хемоцианин, носят кислородни молекули - изпълняват транспортна функция. Ако по-енергийно интензивни вещества като въглехидрати и липиди се използват напълно, клетката пристъпва към разграждането на протеините. Един грам от това вещество дава 17,2 kJ енергия. Една от най-важните функции на протеините е каталитичната (ензимните протеини ускоряват химичните реакции, протичащи в отделенията на цитоплазмата). Въз основа на гореизложеното се убедихме, че протеините изпълняват много много важни функции и непременно са част от животинската клетка.
Биосинтеза на протеини
Помислете за процеса на протеинов синтез в клетката, който протича в цитоплазмата с помощта на органели като рибозоми. Благодарение на активността на специални ензими, с участието на калциеви йони, рибозомите се комбинират в полизоми. Основните функции на рибозомите в клетката са синтезът на протеинови молекули, който започва с процеса на транскрипция. В резултат на това се синтезират тРНК молекули, към които са прикрепени полизоми. След това започва вторият процес – превод. Трансферни РНКкомбинират се с двадесет различни вида аминокиселини и ги довеждат до полизоми и тъй като функциите на рибозомите в клетката са синтез на полипептиди, тези органели образуват комплекси с tRNA и молекулите на аминокиселините се свързват една с друга чрез пептидни връзки, образувайки протеинова макромолекула.
Ролята на водата в метаболитните процеси
Цитологичните изследвания потвърдиха факта, че клетката, чиято структура и състав изучаваме, е средно 70% вода, а при много животни, водещи воден начин на живот (например, кишечно-половите), неговите съдържанието достига 97-98 %. Имайки предвид това, химическата организация на клетките включва хидрофилни (способни да се разтварят) и хидрофобни (водоотблъскващи) вещества. Като универсален полярен разтворител, водата играе изключителна роля и пряко влияе не само върху функциите, но и върху самата структура на клетката. Таблицата по-долу показва съдържанието на вода в клетките на различни видове живи организми.
Функцията на въглехидратите в клетката
Както разбрахме по-рано, въглехидратите също са важни органични вещества - полимери. Те включват полизахариди, олигозахариди и монозахариди. Въглехидратите са част от по-сложни комплекси - гликолипиди и гликопротеини, от които се изграждат клетъчни мембрани и надмембранни структури, като гликокаликса.
В допълнение към въглерода, въглехидратите съдържат кислородни и водородни атоми, а някои полизахариди също съдържат азот, сяра и фосфор. В растителните клетки има много въглехидрати: картофени клубенисъдържат до 90% нишесте, семената и плодовете съдържат до 70% въглехидрати, а в животинските клетки се намират под формата на съединения като гликоген, хитин и трехалоза.
Простите захари (монозахариди) имат общата формула CnH2nOn и се делят на тетрози, триози, пентози и хексози. Последните две са най-често срещаните в клетките на живите организми, например рибозата и дезоксирибозата са част от нуклеиновите киселини, а глюкозата и фруктозата участват в реакциите на асимилация и дисимилация. Олигозахаридите често се срещат в растителните клетки: захарозата се съхранява в клетките на захарното цвекло и захарната тръстика, малтозата се намира в покълналите зърна от ръж и ечемик.
Дизахаридите имат сладък вкус и се разтварят добре във вода. Полизахаридите, като биополимери, са представени главно от нишесте, целулоза, гликоген и ламинарин. Хитинът принадлежи към структурните форми на полизахаридите. Основната функция на въглехидратите в клетката е енергията. В резултат на реакциите на хидролиза и енергийния метаболизъм, полизахаридите се разграждат до глюкоза и след това се окислява до въглероден диоксид и вода. В резултат на това един грам глюкоза освобождава 17,6 kJ енергия, а запасите от нишесте и гликоген всъщност са резервоар на клетъчна енергия.
Гликогенът се съхранява главно в мускулната тъкан и чернодробните клетки, растителното нишесте в грудките, луковиците, корените, семената и в членестоноги като паяци, насекоми и ракообразни трехалозният олигозахарид играе основна роля в енергийното снабдяване.
Въглехидратисе различават от липидите и протеините по способността си да се разцепват без кислород. Това е изключително важно за организми, които живеят в условия на недостиг или отсъствие на кислород, като анаеробни бактерии и хелминти - паразити на хора и животни.
Има и друга функция на въглехидратите в клетката - изграждаща (структурна). Тя се крие във факта, че тези вещества са поддържащите структури на клетките. Например, целулозата е част от клетъчните стени на растенията, хитинът образува външния скелет на много безгръбначни и се намира в гъбичните клетки, олизахаридите, заедно с липидни и протеинови молекули, образуват гликокаликс - надмембранен комплекс. Осигурява адхезия - прилепването на животински клетки една към друга, което води до образуването на тъкани.
Липиди: структура и функции
Тези органични вещества, които са хидрофобни (неразтворими във вода), могат да бъдат извлечени, тоест извлечени от клетки, като се използват неполярни разтворители като ацетон или хлороформ. Функциите на липидите в клетката зависят от това към коя от трите групи принадлежат: мазнини, восъци или стероиди. Мазнините са най-разпространени във всички типове клетки.
Животните ги натрупват в подкожната мастна тъкан, нервната тъкан съдържа мазнини под формата на миелинови обвивки на нервите. Натрупва се и в бъбреците, черния дроб, при насекомите – в мастното тяло. Течните мазнини - масла - се намират в семената на много растения: кедър, фъстъци, слънчоглед, маслина. Съдържанието на липиди в клетките варира от 5 до 90% (в мастната тъкан).
Стероиди и восъцисе различават от мазнините по това, че нямат остатъци от мастни киселини в молекулите си. И така, стероидите са хормони на надбъбречната кора, които влияят на пубертета на тялото и са компоненти на тестостерона. Те също се намират във витамини (като витамин D).
Основните функции на липидите в клетката са енергийни, изграждащи и защитни. Първият се дължи на факта, че 1 грам мазнини по време на разделяне дава 38,9 kJ енергия – много повече от другите органични вещества – протеини и въглехидрати. Освен това при окисляването на 1 g мазнини се отделят почти 1,1 g. вода. Ето защо някои животни, имащи запас от мазнини в тялото си, могат да бъдат дълго време без вода. Например, гоферите могат да спят зимен сън повече от два месеца, без да се нуждаят от вода, а камилата не пие вода, когато пресича пустинята в продължение на 10–12 дни.
Изграждащата функция на липидите е, че те са неразделна част от клетъчните мембрани, а също и част от нервите. Защитната функция на липидите е, че слой мазнини под кожата около бъбреците и други вътрешни органи ги предпазва от механични наранявания. Специфична топлоизолационна функция е присъща на животните, които са във водата за дълго време: китове, тюлени, тюлени. Дебел слой подкожен мастен слой, например, при син кит е 0,5 m, той предпазва животното от хипотермия.
Значението на кислорода в клетъчния метаболизъм
Аеробните организми, които включват огромното мнозинство от животни, растения и хора, използват атмосферен кислород за реакции на енергийния метаболизъм,което води до разграждането на органичните вещества и освобождаването на определено количество енергия, натрупана под формата на молекули аденозин трифосфорна киселина.
Така при пълно окисление на един мол глюкоза, което се случва върху кристите на митохондриите, се освобождават 2800 kJ енергия, от които 1596 kJ (55%) се съхраняват под формата на АТФ молекули, съдържащи макроергични облигации. По този начин основната функция на кислорода в клетката е осъществяването на аеробно дишане, което се основава на група от ензимни реакции от така наречената дихателна верига, протичащи в клетъчните органели - митохондриите. В прокариотните организми - фототрофни бактерии и цианобактерии - окисляването на хранителните вещества се осъществява под действието на кислород, дифундиращ в клетките върху вътрешните израстъци на плазмените мембрани.
Изследвахме химичната организация на клетките, както и процесите на протеинова биосинтеза и функцията на кислорода в клетъчния енергиен метаболизъм.
