1800-luvun lopulla syntyi biologian haara nimeltä biokemia. Se tutkii elävän solun kemiallista koostumusta. Tieteen päätehtävä on tietää kasvi- ja eläinsolujen elintärkeää toimintaa säätelevät aineenvaihdunnan ja energian ominaisuudet.
Solun kemiallisen koostumuksen käsite
Huolellisen tutkimuksen tuloksena tiedemiehet ovat tutkineet solujen kemiallista järjestystä ja havainneet, että elävien olentojen koostumuksessa on yli 85 kemiallista alkuainetta. Lisäksi jotkut niistä ovat pakollisia melkein kaikille organismeille, kun taas toiset ovat spesifisiä ja niitä löytyy tietyistä biologisista lajeista. Ja kolmas kemiallisten alkuaineiden ryhmä on läsnä mikro-organismien, kasvien ja eläinten soluissa melko pieninä määrinä. Solut sisältävät kemiallisia alkuaineita useimmiten kationeina ja anioneina, joista muodostuu mineraalisuoloja ja vettä, ja syntetisoituu hiilipitoisia orgaanisia yhdisteitä: hiilihydraatteja, proteiineja, lipidejä.
Organogeeniset alkuaineet
Biokemiassa näitä ovat hiili, vety,happea ja typpeä. Niiden kokonaismäärä solussa on 88-97% muista sen sisältämistä kemiallisista alkuaineista. Hiili on erityisen tärkeää. Kaikki solun koostumuksen orgaaniset aineet koostuvat molekyyleistä, jotka sisältävät hiiliatomeja koostumuksessaan. Ne pystyvät muodostamaan ketjuja (haarautuneita ja haarautumattomia) sekä syklejä muodostaen yhteyden toisiinsa. Tämä hiiliatomien kyky on sytoplasman ja soluorganellien muodostavien orgaanisten aineiden hämmästyttävän valikoiman taustalla.
Esimerkiksi solun sisäinen sisältö koostuu liukoisista oligosakkarideista, hydrofiilisistä proteiineista, lipideistä, erilaisista ribonukleiinihapoista: siirto-RNA:sta, ribosomaalisesta RNA:sta ja lähetti-RNA:sta sekä vapaista monomeereistä - nukleotideista. Solun ytimellä on samanlainen kemiallinen koostumus. Se sisältää myös deoksiribonukleiinihappomolekyylejä, jotka ovat osa kromosomeja. Kaikki edellä mainitut yhdisteet sisältävät typpi-, hiili-, happi- ja vetyatomeja. Tämä on todiste niiden erityisen tärkeästä merkityksestä, koska solujen kemiallinen järjestyminen riippuu solurakenteiden muodostavien organogeenisten alkuaineiden pitoisuudesta: hyaloplasma ja organellit.
Makroelementit ja niiden merkitykset
Kemiallisia alkuaineita, jotka ovat myös hyvin yleisiä erityyppisten organismien soluissa, kutsutaan biokemiassa makroravinteiksi. Niiden pitoisuus solussa on 1,2 % - 1,9 %. Solun makroelementtejä ovat: fosfori, kalium, kloori, rikki, magnesium, kalsium, rauta ja natrium. Ne kaikki suorittavat tärkeitä tehtäviä ja ovat osa erilaisiasoluorganellit. Joten rauta-ioni on läsnä veren proteiinissa - hemoglobiinissa, joka kuljettaa happea (tässä tapauksessa sitä kutsutaan oksihemoglobiiniksi), hiilidioksidia (karbohemoglobiini) tai hiilimonoksidia (karboksihemoglobiini).
Natriumionit tarjoavat tärkeimmän solujen välisen kuljetuksen: ns. natrium-kaliumpumpun. Ne ovat myös osa interstitiaalista nestettä ja veriplasmaa. Magnesiumionit ovat läsnä klorofyllimolekyyleissä (korkeiden kasvien fotopigmentti) ja osallistuvat fotosynteesiprosessiin, koska ne muodostavat reaktiokeskuksia, jotka vangitsevat valoenergian fotoneja.
Kalsiumionit johtavat hermoimpulsseja pitkin kuituja ja ovat myös osteosyyttien eli luusolujen pääkomponentti. Kalsiumyhdisteet ovat laajalle levinneitä selkärangattomien maailmassa, joiden kuoret koostuvat kalsiumkarbonaatista.
Kloori-ionit osallistuvat solukalvojen uudelleenlataukseen ja synnyttävät sähköimpulsseja, jotka ovat hermostuneen virityksen taustalla.
Rkkiatomit ovat osa natiiviproteiineja ja määrittävät niiden tertiaarisen rakenteen "silloittamalla" polypeptidiketjun, mikä johtaa pallomaisen proteiinimolekyylin muodostumiseen.
Kaliumionit osallistuvat aineiden kuljettamiseen solukalvojen läpi. Fosforiatomit ovat osa sellaista tärkeää energiaintensiivistä ainetta, kuten adenosiinitrifosforihappoa, ja ne ovat myös tärkeä komponentti deoksiribonukleiini- ja ribonukleiinihappomolekyylissä, jotka ovat solujen perinnöllisyyden pääaineita.
Hivenaineiden toiminnot solussaaineenvaihdunta
Noin 50 kemiallista alkuainetta, joiden osuus soluista on alle 0,1 %, kutsutaan hivenaineiksi. Näitä ovat sinkki, molybdeeni, jodi, kupari, koboltti, fluori. Vähäisillä pitoisuuksilla ne suorittavat erittäin tärkeitä tehtäviä, koska ne ovat osa monia biologisesti aktiivisia aineita.
Esimerkiksi sinkkiatomeja löytyy insuliinin molekyyleistä (haimahormoni, joka säätelee veren glukoosipitoisuutta), jodi on olennainen osa kilpirauhashormoneja - tyroksiinia ja trijodityroniinia, jotka säätelevät aineenvaihduntaa kehon. Kupari, yhdessä rauta-ionien kanssa, osallistuu hematopoieesiin (erytrosyyttien, verihiutaleiden ja leukosyyttien muodostuminen selkärankaisten punaisessa luuytimessä). Kupari-ionit ovat osa hemosyaniinipigmenttiä, jota on selkärangattomien, kuten nilviäisten, veressä. Siksi heidän hemolymfinsä väri on sininen.
Jos vähemmän solussa on sellaisia kemiallisia alkuaineita kuin lyijy, kulta, bromi, hopea. Niitä kutsutaan ultramikroelementeiksi ja ne ovat osa kasvi- ja eläinsoluja. Esimerkiksi kulta-ioneja havaittiin maissinjyvistä kemiallisella analyysillä. Bromiatomit ovat suuria määriä osa ruskea- ja punalevän talluksen soluja, kuten sargassum, rakkolevä, fucus.
Kaikki yllä olevat esimerkit ja tosiasiat selittävät, kuinka solun kemiallinen koostumus, toiminnot ja rakenne liittyvät toisiinsa. Alla oleva taulukko näyttää erilaisten kemiallisten alkuaineiden pitoisuudet elävien organismien soluissa.
Orgaanisten aineiden yleiset ominaisuudet
Erilaisten organismiryhmien solujen kemialliset ominaisuudet riippuvat tietyllä tavalla hiiliatomeista, joiden osuus on yli 50 % solumassasta. Lähes kaikkea solun kuiva-ainetta edustavat hiilihydraatit, proteiinit, nukleiinihapot ja lipidit, joilla on monimutkainen rakenne ja suuri molekyylipaino. Tällaisia molekyylejä kutsutaan makromolekyyleiksi (polymeereiksi) ja ne koostuvat yksinkertaisemmista elementeistä - monomeereistä. Proteiiniaineilla on erittäin tärkeä rooli ja ne suorittavat monia tehtäviä, joista keskustellaan alla.
Proteiinien rooli solussa
Elävän solun muodostavien yhdisteiden biokemiallinen analyysi vahvistaa tällaisten orgaanisten aineiden, kuten proteiinien, suuren pitoisuuden solussa. Tälle tosiasialle on looginen selitys: proteiinit suorittavat erilaisia toimintoja ja ovat mukana kaikissa soluelämän ilmenemismuodoissa.
Esimerkiksi proteiinien suojaava tehtävä on vasta-aineiden - lymfosyyttien tuottamien immunoglobuliinien - muodostuminen. Suojaavat proteiinit, kuten trombiini, fibriini ja tromboblastiini, aikaansaavat veren hyytymistä ja estävät sen menetystä vammojen ja haavojen aikana. Solun koostumus sisältää solukalvojen monimutkaisia proteiineja, joilla on kyky tunnistaa vieraita yhdisteitä - antigeenejä. Ne muuttavat kokoonpanoaan ja ilmoittavat solulle mahdollisesta vaarasta (signalointitoiminto).
Joillakin proteiineilla on säätelytoiminto ja ne ovat hormoneja, esimerkiksi hypotalamuksen tuottamaa oksitosiinia varaa aivolisäke. Siitä siihenveri, oksitosiini vaikuttaa kohdun lihasseiniin ja aiheuttaa sen supistumisen. Vasopressiiniproteiinilla on myös säätelytoiminto, joka säätelee verenpainetta.
Lihassoluissa on aktiinia ja myosiinia, jotka voivat supistua, mikä määrää lihaskudoksen motorisen toiminnan. Proteiineilla on myös troofinen tehtävä, esimerkiksi alkio käyttää albumiinia ravintoaineena sen kehitykseen. Eri organismien veriproteiinit, kuten hemoglobiini ja hemosyaniini, kuljettavat happimolekyylejä - ne suorittavat kuljetustoiminnon. Jos energiaintensiivisempiä aineita, kuten hiilihydraatteja ja lipidejä, hyödynnetään täysimääräisesti, solu jatkaa proteiinien hajottamista. Yksi gramma tätä ainetta antaa 17,2 kJ energiaa. Yksi proteiinien tärkeimmistä tehtävistä on katalyyttinen (entsyymiproteiinit nopeuttavat sytoplasman osissa tapahtuvia kemiallisia reaktioita). Edellä olevan perusteella olimme vakuuttuneita siitä, että proteiinit suorittavat monia erittäin tärkeitä tehtäviä ja ovat välttämättä osa eläinsolua.
Proteiinin biosynteesi
Ajatellaan proteiinisynteesiprosessia solussa, joka tapahtuu sytoplasmassa organellien, kuten ribosomien, avulla. Erityisten entsyymien toiminnan ansiosta kalsiumionien osallistuessa ribosomit yhdistetään polysomeiksi. Ribosomien päätehtävät solussa ovat proteiinimolekyylien synteesi, joka alkaa transkriptioprosessista. Tämän seurauksena syntetisoidaan mRNA-molekyylejä, joihin polysomeja kiinnittyy. Sitten alkaa toinen prosessi - käännös. Siirrä RNA:itayhdistyvät kahdenkymmenen erityyppisen aminohapon kanssa ja tuovat ne polysomeihin, ja koska ribosomien tehtävänä solussa on polypeptidien synteesi, nämä organellit muodostavat komplekseja tRNA:n kanssa ja aminohappomolekyylit sitoutuvat toisiinsa peptidisidoksilla muodostaen proteiinin makromolekyyli.
Veden rooli aineenvaihduntaprosesseissa
Sytologiset tutkimukset ovat vahvistaneet sen tosiasian, että solu, jonka rakennetta ja koostumusta tutkimme, on keskimäärin 70 % vettä, ja monilla vesieläimellä (esim. coelenteraatilla) pitoisuus saavuttaa 97-98 %. Tätä silmällä pitäen solujen kemiallinen organisaatio sisältää hydrofiilisiä (liukenevia) ja hydrofobisia (vettä hylkiviä) aineita. Koska vesi on universaali polaarinen liuotin, sillä on poikkeuksellinen rooli ja se vaikuttaa suoraan solun toimintojen lisäksi myös koko solun rakenteeseen. Alla oleva taulukko näyttää vesipitoisuuden erityyppisten elävien organismien soluissa.
Hiilihydraattien toiminta solussa
Kuten huomasimme aiemmin, hiilihydraatit ovat myös tärkeitä orgaanisia aineita - polymeerejä. Näitä ovat polysakkaridit, oligosakkaridit ja monosakkaridit. Hiilihydraatit ovat osa monimutkaisempia komplekseja - glykolipidejä ja glykoproteiineja, joista rakennetaan solukalvoja ja kalvon yläpuolisia rakenteita, kuten glykokalyyksi.
Hiilihydraatit sisältävät hiilen lisäksi happi- ja vetyatomeja, ja jotkut polysakkaridit sisältävät myös typpeä, rikkiä ja fosforia. Kasvisoluissa on paljon hiilihydraatteja: perunan mukulatsisältävät jopa 90 % tärkkelystä, siemenet ja hedelmät sisältävät jopa 70 % hiilihydraatteja, ja eläinsoluissa niitä löytyy yhdisteiden, kuten glykogeenin, kitiinin ja trehaloosin, muodossa.
Yksinkertaisilla sokereilla (monosakkarideilla) on yleinen kaava CnH2nOn, ja ne jaetaan tetrooseihin, triooseihin, pentooseihin ja heksooseihin. Kaksi viimeistä ovat yleisimpiä elävien organismien soluissa, esimerkiksi riboosi ja deoksiriboosi ovat osa nukleiinihappoja, ja glukoosi ja fruktoosi osallistuvat assimilaatio- ja dissimilaatioreaktioihin. Oligosakkarideja löytyy usein kasvisoluista: sakkaroosia varastoituu sokerijuurikkaan ja sokeriruo'on soluihin, m altoosia löytyy rukiin ja ohran itäneistä jyvistä.
Disakkarideilla on makea maku ja ne liukenevat hyvin veteen. Polysakkarideja, jotka ovat biopolymeereja, edustavat pääasiassa tärkkelys, selluloosa, glykogeeni ja laminariini. Kitiini kuuluu polysakkaridien rakenteellisiin muotoihin. Hiilihydraattien päätehtävä solussa on energia. Hydrolyysin ja energian aineenvaihduntareaktioiden seurauksena polysakkaridit hajoavat glukoosiksi, joka hapettuu sitten hiilidioksidiksi ja vedeksi. Tämän seurauksena yksi gramma glukoosia vapauttaa 17,6 kJ energiaa, ja tärkkelys- ja glykogeenivarastot ovat itse asiassa soluenergian varasto.
Glykogeeni varastoituu pääasiassa lihaskudokseen ja maksasoluihin, kasvitärkkelys mukuloihin, sipuleihin, juuriin, siemeniin ja niveljalkaisissa, kuten hämähäkkeissä, hyönteisissä ja äyriäisissä, trehaloosioligosakkaridilla on tärkeä rooli energiansaannissa.
Hiilihydraatiteroavat lipideistä ja proteiineista kyvyssään pilkkoa hapettomasti. Tämä on äärimmäisen tärkeää organismeille, jotka elävät hapen puutteen tai hapen puutteen olosuhteissa, kuten anaerobisille bakteereille ja helmintille - ihmisten ja eläinten loisille.
Hiilihydraatilla on toinenkin tehtävä solussa - rakentaminen (rakenteellinen). Se johtuu siitä, että nämä aineet ovat solujen tukirakenteita. Esimerkiksi selluloosa on osa kasvien soluseiniä, kitiini muodostaa monien selkärangattomien ulkorungon ja sitä löytyy sienisoluista, olisakkaridit yhdessä lipidi- ja proteiinimolekyylien kanssa muodostavat glykokalyyksin - epimembraanikompleksin. Se tarjoaa adheesion - eläinsolujen kiinnittymisen toisiinsa, mikä johtaa kudosten muodostumiseen.
Lipidit: rakenne ja toiminnot
Nämä orgaaniset aineet, jotka ovat hydrofobisia (veteen liukenemattomia), voidaan uuttaa eli uuttaa soluista käyttämällä ei-polaarisia liuottimia, kuten asetonia tai kloroformia. Lipidien toiminnot solussa riippuvat siitä, mihin kolmesta ryhmästä ne kuuluvat: rasvat, vahat vai steroidit. Rasvoja on eniten kaikissa solutyypeissä.
Eläimet keräävät niitä ihonalaiseen rasvakudokseen, hermokudos sisältää rasvaa hermojen myeliinituppien muodossa. Se kerääntyy myös munuaisiin, maksaan, hyönteisiin - rasvakehoon. Nestemäisiä rasvoja - öljyjä - löytyy monien kasvien siemenistä: setri, maapähkinä, auringonkukka, oliivi. Solujen lipidien pitoisuus vaihtelee välillä 5-90 % (rasvakudoksessa).
Steroidit ja vahateroavat rasvoista siinä, että niiden molekyyleissä ei ole rasvahappojäämiä. Joten steroidit ovat lisämunuaiskuoren hormoneja, jotka vaikuttavat kehon murrosikään ja ovat testosteronin komponentteja. Niitä löytyy myös vitamiineista (kuten D-vitamiinista).
Lipidien päätehtävät solussa ovat energia, rakentaminen ja suojaaminen. Ensimmäinen johtuu siitä, että 1 gramma rasvaa halkeamisen aikana antaa 38,9 kJ energiaa - paljon enemmän kuin muut orgaaniset aineet - proteiinit ja hiilihydraatit. Lisäksi 1 g:n rasvaa hapettuessa vapautuu lähes 1,1 g. vettä. Tästä syystä jotkut eläimet, joiden kehossa on riittävästi rasvaa, voivat olla ilman vettä pitkään. Esimerkiksi goferit voivat nukkua talvehtimassa yli kaksi kuukautta ilman, että he tarvitsevat vettä, ja kameli ei juo vettä ylittäessään aavikon 10–12 päivään.
Lipidien rakennustehtävä on, että ne ovat olennainen osa solukalvoja ja myös hermoja. Lipidien suojatehtävä on, että ihon alla oleva rasvakerros munuaisten ja muiden sisäelinten ympärillä suojaa niitä mekaanisilta vaurioilta. Erityinen lämmöneristystoiminto on luontainen eläimille, jotka ovat vedessä pitkään: valaat, hylkeet, turkishylkeet. Paksu ihonalainen rasvakerros esimerkiksi sinivalassa on 0,5 m, se suojaa eläintä hypotermi alta.
Hapen merkitys solujen aineenvaihdunnassa
Aerobiset organismit, joihin kuuluu suurin osa eläimistä, kasveista ja ihmisistä, käyttävät ilmakehän happea energia-aineenvaihduntareaktioihin,mikä johtaa orgaanisten aineiden hajoamiseen ja tietyn adenosiinitrifosforihapon molekyylien muodossa kertyneen energian vapautumiseen.
Siksi, yhden glukoosimoolin täydellisen hapettumisen yhteydessä, mikä tapahtuu mitokondrioiden kidepinnalla, vapautuu 2800 kJ energiaa, josta 1596 kJ (55 %) varastoituu makroergisiä aineita sisältävien ATP-molekyylien muodossa. joukkovelkakirjat. Siten hapen päätehtävä solussa on aerobisen hengityksen toteuttaminen, joka perustuu niin sanotun hengitysketjun entsymaattisten reaktioiden ryhmään, joka esiintyy solun organelleissa - mitokondrioissa. Prokaryoottisissa organismeissa - fototrofisissa bakteereissa ja syanobakteereissa - ravinteiden hapettuminen tapahtuu hapen vaikutuksesta, joka diffundoituu soluihin plasmakalvojen sisäisissä kasvaimissa.
Tutkimme solujen kemiallista järjestystä sekä proteiinien biosynteesin prosesseja ja hapen toimintaa solujen energia-aineenvaihdunnassa.
