Në fund të shekullit të 19-të, u formua një degë e biologjisë e quajtur biokimi. Ai studion përbërjen kimike të një qelize të gjallë. Detyra kryesore e shkencës është njohja e karakteristikave të metabolizmit dhe energjisë që rregullojnë aktivitetin jetësor të qelizave bimore dhe shtazore.
Koncepti i përbërjes kimike të qelizës
Si rezultat i një kërkimi të kujdesshëm, shkencëtarët kanë studiuar organizimin kimik të qelizave dhe zbuluan se qeniet e gjalla kanë më shumë se 85 elementë kimikë në përbërjen e tyre. Për më tepër, disa prej tyre janë të detyrueshme për pothuajse të gjithë organizmat, ndërsa të tjerët janë specifikë dhe gjenden në specie specifike biologjike. Dhe grupi i tretë i elementeve kimike është i pranishëm në qelizat e mikroorganizmave, bimëve dhe kafshëve në sasi mjaft të vogla. Qelizat përmbajnë elemente kimike më së shpeshti në formën e kationeve dhe anioneve, nga të cilët formohen kripërat minerale dhe uji, si dhe sintetizohen përbërjet organike që përmbajnë karbon: karbohidratet, proteinat, lipidet.
Elementet organogjene
Në biokimi këto përfshijnë karbonin, hidrogjenin,oksigjen dhe azot. Tërësia e tyre në qelizë është nga 88 në 97% e elementëve të tjerë kimikë në të. Karboni është veçanërisht i rëndësishëm. Të gjitha substancat organike në përbërjen e qelizës përbëhen nga molekula që përmbajnë atome karboni në përbërjen e tyre. Ata janë në gjendje të lidhen me njëri-tjetrin, duke formuar zinxhirë (të degëzuar dhe të padegëzuar), si dhe cikle. Kjo aftësi e atomeve të karbonit qëndron në themel të shumëllojshmërisë së mahnitshme të substancave organike që përbëjnë citoplazmën dhe organelet qelizore.
Për shembull, përmbajtja e brendshme e një qelize përbëhet nga oligosakaride të tretshme, proteina hidrofile, lipide, lloje të ndryshme të acidit ribonukleik: ARN transferuese, ARN ribozomale dhe ARN lajmëtare, si dhe monomere të lira - nukleotide. Bërthama qelizore ka një përbërje kimike të ngjashme. Ai gjithashtu përmban molekula të acidit deoksiribonukleik që janë pjesë e kromozomeve. Të gjitha përbërjet e mësipërme përmbajnë atome të azotit, karbonit, oksigjenit, hidrogjenit. Kjo është dëshmi e rëndësisë së tyre veçanërisht të rëndësishme, pasi organizimi kimik i qelizave varet nga përmbajtja e elementeve organogjene që përbëjnë strukturat qelizore: hialoplazma dhe organelet.
Elementet makro dhe kuptimet e tyre
Elementët kimikë, të cilët janë gjithashtu shumë të zakonshëm në qelizat e llojeve të ndryshme të organizmave, quhen makronutrientë në biokimi. Përmbajtja e tyre në qelizë është 1,2% - 1,9%. Makroelementët e qelizës përfshijnë: fosfor, kalium, klor, squfur, magnez, kalcium, hekur dhe natrium. Të gjithë ata kryejnë funksione të rëndësishme dhe janë pjesë e ndryshmeorganelet qelizore. Pra, joni i hekurit është i pranishëm në proteinën e gjakut - hemoglobinën, e cila transporton oksigjen (në këtë rast quhet oksihemoglobinë), dioksid karboni (karbohemoglobinë) ose monoksid karboni (karboksihemoglobina).
Jonet e natriumit sigurojnë llojin më të rëndësishëm të transportit ndërqelizor: të ashtuquajturën pompë natriumi-kalium. Ato janë gjithashtu pjesë e lëngut intersticial dhe plazmës së gjakut. Jonet e magnezit janë të pranishëm në molekulat e klorofilit (fotopigmenti i bimëve më të larta) dhe marrin pjesë në procesin e fotosintezës, pasi ato formojnë qendra reagimi që kapin fotonet e energjisë së dritës.
Jonet e kalciumit sigurojnë përcjelljen e impulseve nervore përgjatë fibrave, dhe janë gjithashtu përbërësi kryesor i osteociteve - qelizave kockore. Përbërjet e kalciumit janë të përhapura gjerësisht në botën e jovertebrorëve, lëvozhgat e të cilëve përbëhen nga karbonat kalciumi.
Jonet e klorit përfshihen në rimbushjen e membranave qelizore dhe sigurojnë shfaqjen e impulseve elektrike që qëndrojnë në themel të ngacmimit nervor.
Atomet e squfurit janë pjesë e proteinave vendase dhe përcaktojnë strukturën e tyre terciare duke "lidhur" zinxhirin polipeptid, duke rezultuar në formimin e një molekule proteine globulare.
Jonet e kaliumit përfshihen në transportin e substancave nëpër membranat qelizore. Atomet e fosforit janë pjesë e një lënde kaq të rëndësishme intensive energjie si acidi trifosforik adenozinë, dhe janë gjithashtu një komponent i rëndësishëm i molekulave të acidit deoksiribonukleik dhe ribonukleik, të cilat janë substancat kryesore të trashëgimisë qelizore.
Funksionet e elementëve gjurmë në qelizoremetabolizmi
Rreth 50 elementë kimikë që përbëjnë më pak se 0,1% në qeliza quhen elementë gjurmë. Këto përfshijnë zink, molibden, jod, bakër, kob alt, fluor. Me një përmbajtje të parëndësishme kryejnë funksione shumë të rëndësishme, pasi bëjnë pjesë në shumë substanca biologjikisht aktive.
Për shembull, atomet e zinkut gjenden në molekulat e insulinës (një hormon pankreatik që rregullon nivelet e glukozës në gjak), jodi është një pjesë integrale e hormoneve të tiroides - tiroksinës dhe triiodothyroninës, të cilat kontrollojnë nivelin e metabolizmit në trupi. Bakri, së bashku me jonet e hekurit, është i përfshirë në hematopoiezën (formimi i eritrociteve, trombociteve dhe leukociteve në palcën e kuqe të eshtrave të vertebrorëve). Jonet e bakrit janë pjesë e pigmentit të hemocianinës, i pranishëm në gjakun e jovertebrorëve, siç janë molusqet. Prandaj, ngjyra e hemolimfës së tyre është blu.
Edhe më pak përmbajtje në qelizë të elementeve kimike si plumbi, ari, bromi, argjendi. Ata quhen ultramikroelementë dhe janë pjesë e qelizave bimore dhe shtazore. Për shembull, jonet e arit u zbuluan në kokrrat e misrit me anë të analizave kimike. Atomet e bromit në sasi të mëdha janë pjesë e qelizave të talusit të algave kafe dhe të kuqe, si sargassum, leshterik, fucus.
Të gjithë shembujt dhe faktet e mësipërme shpjegojnë se si përbërja kimike, funksionet dhe struktura e qelizës janë të ndërlidhura. Tabela e mëposhtme tregon përmbajtjen e elementeve të ndryshme kimike në qelizat e organizmave të gjallë.
Karakteristikat e përgjithshme të substancave organike
Vetitë kimike të qelizave të grupeve të ndryshme të organizmave në një mënyrë të caktuar varen nga atomet e karbonit, përqindja e të cilave është më shumë se 50% e masës qelizore. Pothuajse e gjithë lënda e thatë e qelizës përfaqësohet nga karbohidratet, proteinat, acidet nukleike dhe lipidet, të cilat kanë një strukturë komplekse dhe peshë të madhe molekulare. Molekula të tilla quhen makromolekula (polimere) dhe përbëhen nga elementë më të thjeshtë - monomere. Substancat proteinike luajnë një rol jashtëzakonisht të rëndësishëm dhe kryejnë shumë funksione, të cilat do të diskutohen më poshtë.
Roli i proteinave në qelizë
Analiza biokimike e përbërjeve që përbëjnë një qelizë të gjallë konfirmon përmbajtjen e lartë të substancave të tilla organike si proteinat në të. Ekziston një shpjegim logjik për këtë fakt: proteinat kryejnë funksione të ndryshme dhe janë të përfshira në të gjitha manifestimet e jetës qelizore.
Për shembull, funksioni mbrojtës i proteinave është formimi i antitrupave - imunoglobulinave të prodhuara nga limfocitet. Proteinat mbrojtëse si trombina, fibrina dhe tromboblastina sigurojnë koagulimin e gjakut dhe parandalojnë humbjen e tij gjatë lëndimeve dhe plagëve. Përbërja e qelizës përfshin proteina komplekse të membranave qelizore që kanë aftësinë të njohin komponimet e huaja - antigjenet. Ata ndryshojnë konfigurimin e tyre dhe informojnë qelizën për rrezikun e mundshëm (funksioni i sinjalizimit).
Disa proteina kanë një funksion rregullues dhe janë hormone, për shembull, oksitocina e prodhuar nga hipotalamusi rezervohet nga gjëndrra e hipofizës. Nga ajo nëgjaku, oksitocina vepron në muret muskulare të mitrës, duke e bërë atë të tkurret. Proteina vazopresina ka gjithashtu një funksion rregullues, duke kontrolluar presionin e gjakut.
Në qelizat e muskujve ka aktinë dhe miozinë që mund të kontraktohen, gjë që përcakton funksionin motorik të indit muskulor. Proteinat gjithashtu kanë një funksion trofik, për shembull, albumina përdoret nga embrioni si lëndë ushqyese për zhvillimin e tij. Proteinat e gjakut të organizmave të ndryshëm, si hemoglobina dhe hemocyanina, bartin molekulat e oksigjenit - ato kryejnë një funksion transporti. Nëse substancat me më shumë energji intensive si karbohidratet dhe lipidet përdoren plotësisht, qeliza vazhdon të zbërthejë proteinat. Një gram i kësaj substance jep 17,2 kJ energji. Një nga funksionet më të rëndësishme të proteinave është katalitik (proteinat enzimë përshpejtojnë reaksionet kimike që ndodhin në ndarjet e citoplazmës). Bazuar në sa më sipër, ne ishim të bindur se proteinat kryejnë shumë funksione shumë të rëndësishme dhe janë domosdoshmërisht pjesë e qelizës shtazore.
Biosinteza e proteinave
Konsideroni procesin e sintezës së proteinave në një qelizë, i cili ndodh në citoplazmë me ndihmën e organeleve të tilla si ribozomet. Falë aktivitetit të enzimave të veçanta, me pjesëmarrjen e joneve të kalciumit, ribozomet kombinohen në polisome. Funksionet kryesore të ribozomeve në një qelizë janë sinteza e molekulave të proteinave, e cila fillon me procesin e transkriptimit. Si rezultat, sintetizohen molekulat e mARN-së, në të cilat bashkohen polizomet. Pastaj fillon procesi i dytë - përkthimi. Transferimi i ARN-vekombinohen me njëzet lloje të ndryshme të aminoacideve dhe i sjellin ato në polisome, dhe meqenëse funksionet e ribozomeve në një qelizë janë sinteza e polipeptideve, këto organele formojnë komplekse me tARN dhe molekulat e aminoacideve lidhen me njëra-tjetrën me anë të lidhjeve peptide, duke formuar një makromolekulë proteinike.
Roli i ujit në proceset metabolike
Studimet citologjike kanë konfirmuar faktin se qeliza, struktura dhe përbërja e së cilës po studiojmë, është mesatarisht 70% ujë, dhe në shumë kafshë që udhëheqin një mënyrë jetese ujore (për shembull, koelenteratet), përmbajtja arrin 97-98 %. Duke pasur parasysh këtë, organizimi kimik i qelizave përfshin substanca hidrofile (të afta për t'u tretur) dhe hidrofobe (të neveritshme ndaj ujit). Duke qenë një tretës universal polar, uji luan një rol të jashtëzakonshëm dhe ndikon drejtpërdrejt jo vetëm në funksionet, por edhe në vetë strukturën e qelizës. Tabela më poshtë tregon përmbajtjen e ujit në qelizat e llojeve të ndryshme të organizmave të gjallë.
Funksioni i karbohidrateve në qelizë
Siç kemi zbuluar më herët, karbohidratet janë gjithashtu substanca të rëndësishme organike - polimere. Këto përfshijnë polisaharide, oligosakaride dhe monosakaride. Karbohidratet janë pjesë e komplekseve më komplekse - glikolipidet dhe glikoproteinat, nga të cilat ndërtohen membranat qelizore dhe strukturat mbimembranore, si glikokaliksi.
Përveç karbonit, karbohidratet përmbajnë atome oksigjen dhe hidrogjen, dhe disa polisaharide përmbajnë gjithashtu azot, squfur dhe fosfor. Ka shumë karbohidrate në qelizat bimore: zhardhokët e patatespërmbajnë deri në 90% niseshte, farat dhe frutat përmbajnë deri në 70% karbohidrate, dhe në qelizat shtazore ato gjenden në formën e komponimeve si glikogjeni, kitina dhe trehaloza.
Sheqernat e thjeshta (monosakaridet) kanë formulën e përgjithshme CnH2nOn dhe ndahen në tetroza, trioza, pentoza dhe heksoze. Dy të fundit janë më të zakonshmet në qelizat e organizmave të gjallë, për shembull, riboza dhe deoksiriboza janë pjesë e acideve nukleike, dhe glukoza dhe fruktoza marrin pjesë në reaksionet e asimilimit dhe disimilimit. Oligosakaridet gjenden shpesh në qelizat bimore: saharoza ruhet në qelizat e panxharit të sheqerit dhe kallam sheqerit, m altoza gjendet në kokrrat e mbirë të thekës dhe elbit.
Disakaridet kanë një shije të ëmbël dhe treten mirë në ujë. Polisakaridet, duke qenë biopolimere, përfaqësohen kryesisht nga niseshteja, celuloza, glikogjeni dhe laminina. Kitina i përket formave strukturore të polisaharideve. Funksioni kryesor i karbohidrateve në qelizë është energjia. Si rezultat i hidrolizës dhe reaksioneve të metabolizmit të energjisë, polisaharidet zbërthehen në glukozë dhe më pas oksidohen në dioksid karboni dhe ujë. Si rezultat, një gram glukozë çliron 17,6 kJ energji dhe rezervat e niseshtës dhe glikogjenit, në fakt, janë një rezervuar i energjisë qelizore.
Glikogjeni ruhet kryesisht në indet e muskujve dhe qelizat e mëlçisë, niseshteja bimore në zhardhokët, llamba, rrënjët, farat dhe te artropodët si merimangat, insektet dhe krustacet, oligosakaridi trehalozë luan një rol të madh në furnizimin me energji.
Karbohidratetndryshojnë nga lipidet dhe proteinat në aftësinë e tyre për ndarje pa oksigjen. Kjo është jashtëzakonisht e rëndësishme për organizmat që jetojnë në kushte të mungesës ose mungesës së oksigjenit, siç janë bakteret anaerobe dhe helmintet - parazitët e njerëzve dhe kafshëve.
Ka një funksion tjetër të karbohidrateve në qelizë - ndërtimi (strukturor). Ajo qëndron në faktin se këto substanca janë struktura mbështetëse e qelizave. Për shembull, celuloza është pjesë e mureve qelizore të bimëve, kitina formon skeletin e jashtëm të shumë jovertebrorëve dhe gjendet në qelizat e kërpudhave, olisakaridet, së bashku me molekulat e lipideve dhe proteinave, formojnë një glikokaliks - një kompleks epimembranor. Ai siguron ngjitjen - ngjitjen e qelizave shtazore me njëra-tjetrën, duke çuar në formimin e indeve.
Lipidet: struktura dhe funksionet
Këto substanca organike, të cilat janë hidrofobike (të patretshme në ujë), mund të ekstraktohen, domethënë të nxirren nga qelizat, duke përdorur tretës jopolarë si acetoni ose kloroform. Funksionet e lipideve në një qelizë varen nga cili prej tre grupeve i përkasin: yndyrave, dylleve ose steroideve. Yndyrnat janë më të bollshme në të gjitha llojet e qelizave.
Kafshët i grumbullojnë ato në indin dhjamor nënlëkuror, indi nervor përmban yndyrë në formën e mbështjellësve të mielinës së nervave. Ai gjithashtu grumbullohet në veshka, mëlçi, në insekte - në trupin e yndyrës. Yndyrnat e lëngëta - vajrat - gjenden në farat e shumë bimëve: kedri, kikiriku, luledielli, ulliri. Përmbajtja e lipideve në qeliza varion nga 5 deri në 90% (në indin dhjamor).
Steroidet dhe dylletndryshojnë nga yndyrnat në atë që nuk përmbajnë mbetje të acideve yndyrore në molekulat e tyre. Pra, steroidet janë hormone të kores së veshkave që ndikojnë në pubertetin e trupit dhe janë përbërës të testosteronit. Ato gjenden gjithashtu në vitamina (të tilla si vitamina D).
Funksionet kryesore të lipideve në qelizë janë energjia, ndërtimi dhe mbrojtja. E para është për faktin se 1 gram yndyrë gjatë ndarjes jep 38,9 kJ energji - shumë më tepër se substancat e tjera organike - proteinat dhe karbohidratet. Përveç kësaj, gjatë oksidimit të 1 g yndyrë, lirohet pothuajse 1.1 g. ujë. Kjo është arsyeja pse disa kafshë, duke pasur një furnizim me yndyrë në trupin e tyre, mund të jenë pa ujë për një kohë të gjatë. Për shembull, goferët mund të bien në letargji për më shumë se dy muaj pa pasur nevojë për ujë, dhe një deve nuk pi ujë kur kalon shkretëtirën për 10-12 ditë.
Funksioni ndërtues i lipideve është se ato janë pjesë përbërëse e membranave qelizore dhe janë gjithashtu pjesë e nervave. Funksioni mbrojtës i lipideve është se një shtresë yndyre nën lëkurë rreth veshkave dhe organeve të tjera të brendshme i mbron ato nga dëmtimet mekanike. Një funksion specifik i izolimit termik është i natyrshëm në kafshët që janë në ujë për një kohë të gjatë: balenat, vulat, vulat e leshit. Një shtresë e trashë yndyre nënlëkurore, për shembull, në një balenë blu është 0,5 m, ajo mbron kafshën nga hipotermia.
Rëndësia e oksigjenit në metabolizmin qelizor
Organizmat aerobikë, të cilët përfshijnë shumicën dërrmuese të kafshëve, bimëve dhe njerëzve, përdorin oksigjenin atmosferik për reaksionet e metabolizmit të energjisë,që çon në zbërthimin e substancave organike dhe lirimin e një sasie të caktuar energjie të grumbulluar në formën e molekulave të acidit adenozintrifosforik.
Kështu, me oksidimin e plotë të një moli glukozë, që ndodh në kristat e mitokondrive, çlirohen 2800 kJ energji, nga të cilat 1596 kJ (55%) ruhen në formën e molekulave ATP që përmbajnë makroergjike. obligacionet. Kështu, funksioni kryesor i oksigjenit në qelizë është zbatimi i frymëmarrjes aerobike, e cila bazohet në një grup reaksionesh enzimatike të të ashtuquajturit zinxhir respirator, që ndodhin në organelet qelizore - mitokondri. Në organizmat prokariote - bakteret fototrofike dhe cianobakteret - oksidimi i lëndëve ushqyese ndodh nën veprimin e oksigjenit që shpërndahet në qeliza në daljet e brendshme të membranave plazmatike.
Ne studiuam organizimin kimik të qelizave, si dhe proceset e biosintezës së proteinave dhe funksionin e oksigjenit në metabolizmin e energjisë qelizore.
