در پایان قرن نوزدهم، شاخه ای از زیست شناسی به نام بیوشیمی شکل گرفت. ترکیب شیمیایی یک سلول زنده را مطالعه می کند. وظیفه اصلی علم آگاهی از ویژگی های متابولیسم و انرژی است که فعالیت حیاتی سلول های گیاهی و جانوری را تنظیم می کند.
مفهوم ترکیب شیمیایی سلول
در نتیجه تحقیقات دقیق، دانشمندان سازماندهی شیمیایی سلولها را مطالعه کردند و دریافتند موجودات زنده بیش از ۸۵ عنصر شیمیایی در ترکیب خود دارند. علاوه بر این، برخی از آنها تقریباً برای همه موجودات واجب هستند، در حالی که برخی دیگر خاص هستند و در گونه های زیستی خاص یافت می شوند. و گروه سوم از عناصر شیمیایی در سلول های میکروارگانیسم ها، گیاهان و حیوانات به مقدار نسبتا کمی وجود دارد. سلول ها حاوی عناصر شیمیایی اغلب به شکل کاتیون ها و آنیون ها هستند که از آنها نمک های معدنی و آب تشکیل می شود و ترکیبات آلی حاوی کربن سنتز می شوند: کربوهیدرات ها، پروتئین ها، لیپیدها.
عناصر ارگانوژن
در بیوشیمی اینها شامل کربن، هیدروژن،اکسیژن و نیتروژن. مجموع آنها در سلول از 88 تا 97 درصد سایر عناصر شیمیایی موجود در آن است. کربن از اهمیت ویژه ای برخوردار است. تمام مواد آلی موجود در ترکیب سلول از مولکول هایی تشکیل شده اند که در ترکیب خود اتم های کربن دارند. آنها می توانند با یکدیگر ارتباط برقرار کنند و زنجیره ها (شاخه ای و بدون انشعاب) و همچنین چرخه ها را تشکیل دهند. این توانایی اتم‌های کربن زیربنای تنوع شگفت‌انگیز مواد آلی است که سیتوپلاسم و اندامک‌های سلولی را می‌سازند.
به عنوان مثال، محتوای داخلی یک سلول شامل الیگوساکاریدهای محلول، پروتئین های آبدوست، لیپیدها، انواع مختلف اسید ریبونوکلئیک: RNA انتقالی، RNA ریبوزومی و RNA پیام رسان، و همچنین مونومرهای آزاد - نوکلئوتیدها است. هسته سلول دارای ترکیب شیمیایی مشابهی است. همچنین حاوی مولکول های اسید دئوکسی ریبونوکلئیک است که بخشی از کروموزوم ها هستند. تمام ترکیبات فوق حاوی اتم های نیتروژن، کربن، اکسیژن، هیدروژن هستند. این دلیلی بر اهمیت ویژه آنهاست، زیرا سازماندهی شیمیایی سلولها به محتوای عناصر ارگانوژنی که ساختارهای سلولی را تشکیل می دهند بستگی دارد: هیالوپلاسم و اندامکها.
عناصر کلان و معانی آنها
عناصر شیمیایی که در سلول‌های انواع موجودات نیز بسیار رایج هستند، در بیوشیمی درشت مغذی‌ها نامیده می‌شوند. محتوای آنها در سلول 1.2٪ - 1.9٪ است. عناصر درشت سلول عبارتند از: فسفر، پتاسیم، کلر، گوگرد، منیزیم، کلسیم، آهن و سدیم. همه آنها عملکردهای مهمی را انجام می دهند و بخشی از انواع مختلف هستنداندامک های سلولی بنابراین، یون آهن در پروتئین خون وجود دارد - هموگلوبین، که اکسیژن (در این مورد اکسی هموگلوبین نامیده می شود)، دی اکسید کربن (کربوهموگلوبین) یا مونوکسید کربن (کربوکسی هموگلوبین) را حمل می کند.
یونهای سدیم مهمترین نوع انتقال بین سلولی را فراهم می کنند: به اصطلاح پمپ سدیم-پتاسیم. آنها همچنین بخشی از مایع بینابینی و پلاسمای خون هستند. یونهای منیزیم در مولکول‌های کلروفیل (فتوپیگمان گیاهان عالی) وجود دارند و در فرآیند فتوسنتز شرکت می‌کنند، زیرا مراکز واکنشی را تشکیل می‌دهند که فوتون‌های انرژی نور را به دام می‌اندازند.
یون های کلسیم هدایت تکانه های عصبی را در امتداد رشته ها فراهم می کنند و همچنین جزء اصلی استئوسیت ها - سلول های استخوانی هستند. ترکیبات کلسیم به طور گسترده در دنیای بی مهرگان که پوسته آنها از کربنات کلسیم تشکیل شده است، توزیع شده است.
یونهای کلر در شارژ مجدد غشای سلولی نقش دارند و باعث ایجاد تکانه های الکتریکی می شوند که زمینه تحریک عصبی را فراهم می کنند.
اتم های گوگرد بخشی از پروتئین های بومی هستند و ساختار سوم آنها را با "پیوند متقابل" زنجیره پلی پپتیدی تعیین می کنند که در نتیجه یک مولکول پروتئین کروی شکل می گیرد.
یونهای پتاسیم در انتقال مواد از غشای سلولی نقش دارند. اتم های فسفر بخشی از یک ماده انرژی بر مهم مانند اسید آدنوزین تری فسفریک هستند و همچنین جزء مهمی از مولکول های دی اکسی ریبونوکلئیک و ریبونوکلئیک اسید هستند که مواد اصلی وراثت سلولی هستند.
عملکرد عناصر کمیاب در سلولیمتابولیسم
حدود ۵۰ عنصر شیمیایی که کمتر از ۰.۱ درصد در سلول ها را تشکیل می دهند، عناصر کمیاب نامیده می شوند. اینها عبارتند از روی، مولیبدن، ید، مس، کبالت، فلوئور. با محتوای ناچیز، عملکردهای بسیار مهمی را انجام می دهند، زیرا بخشی از بسیاری از مواد فعال بیولوژیکی هستند.
به عنوان مثال، اتم های روی در مولکول های انسولین (هورمون پانکراس که سطح گلوکز خون را تنظیم می کند) یافت می شود، ید بخشی جدایی ناپذیر از هورمون های تیروئید - تیروکسین و تری یدوتیرونین است که سطح متابولیسم را در بدن کنترل می کنند. بدن مس همراه با یون های آهن در خون سازی (تشکیل گلبول های قرمز، پلاکت ها و لکوسیت ها در مغز استخوان قرمز مهره داران) نقش دارد. یون های مس بخشی از رنگدانه هموسیانین موجود در خون بی مهرگان مانند نرم تنان هستند. بنابراین رنگ همولنف آنها آبی است.
حتی مقدار کمتری از عناصر شیمیایی مانند سرب، طلا، برم، نقره در سلول وجود دارد. آنها اولترامیکرو عناصر نامیده می شوند و بخشی از سلول های گیاهی و جانوری هستند. به عنوان مثال، یون های طلا در دانه های ذرت با تجزیه و تحلیل شیمیایی تشخیص داده شد. اتم های برم در مقادیر زیاد بخشی از سلول های تالوس جلبک های قهوه ای و قرمز مانند سارگاسوم، کلپ، فوکوس هستند.
همه مثال ها و حقایق بالا چگونگی ارتباط ترکیب شیمیایی، عملکرد و ساختار سلول را توضیح می دهند. جدول زیر محتوای عناصر شیمیایی مختلف در سلول‌های موجودات زنده را نشان می‌دهد.
ویژگی های عمومی مواد آلی
خواص شیمیایی سلول های گروه های مختلف موجودات به روشی خاص به اتم های کربن بستگی دارد که نسبت آن بیش از ۵۰ درصد جرم سلول است. تقریباً تمام ماده خشک سلول توسط کربوهیدرات ها، پروتئین ها، اسیدهای نوکلئیک و لیپیدها نشان داده می شود که ساختار پیچیده و وزن مولکولی زیادی دارند. چنین مولکول هایی ماکرومولکول (پلیمر) نامیده می شوند و از عناصر ساده تر - مونومرها تشکیل شده اند. مواد پروتئینی نقش بسیار مهمی ایفا می کنند و عملکردهای زیادی را انجام می دهند که در ادامه به آنها پرداخته خواهد شد.
نقش پروتئین ها در سلول
تجزیه و تحلیل بیوشیمیایی ترکیباتی که یک سلول زنده را تشکیل می دهند، محتوای بالای چنین مواد آلی مانند پروتئین را در آن تأیید می کند. یک توضیح منطقی برای این واقعیت وجود دارد: پروتئین ها عملکردهای مختلفی را انجام می دهند و در تمام مظاهر حیات سلولی نقش دارند.
به عنوان مثال، عملکرد محافظتی پروتئین ها تشکیل آنتی بادی ها - ایمونوگلوبولین های تولید شده توسط لنفوسیت ها است. پروتئین های محافظ مانند ترومبین، فیبرین و ترومبوبلاستین لخته شدن خون را فراهم می کنند و از از بین رفتن آن در هنگام جراحات و زخم ها جلوگیری می کنند. ترکیب سلول شامل پروتئین های پیچیده غشای سلولی است که توانایی تشخیص ترکیبات خارجی - آنتی ژن ها را دارند. آنها پیکربندی خود را تغییر می دهند و سلول را از خطر بالقوه آگاه می کنند (عملکرد سیگنالینگ).
برخی پروتئین ها عملکرد تنظیمی دارند و هورمون هستند، به عنوان مثال، اکسی توسین تولید شده توسط هیپوتالاموس توسط غده هیپوفیز ذخیره می شود. از آن بهخون، اکسی توسین روی دیواره های عضلانی رحم اثر می گذارد و باعث انقباض آن می شود. پروتئین وازوپرسین همچنین عملکرد تنظیمی دارد و فشار خون را کنترل می کند.
در سلول های ماهیچه ای اکتین و میوزین وجود دارد که می تواند منقبض شود که عملکرد حرکتی بافت عضلانی را تعیین می کند. پروتئین ها همچنین عملکرد تغذیه ای دارند، به عنوان مثال، آلبومین توسط جنین به عنوان یک ماده مغذی برای رشد آن استفاده می شود. پروتئین های خون موجودات مختلف، مانند هموگلوبین و هموسیانین، مولکول های اکسیژن را حمل می کنند - آنها یک عملکرد حمل و نقل را انجام می دهند. اگر مواد پرانرژی بیشتری مانند کربوهیدرات ها و لیپیدها به طور کامل مورد استفاده قرار گیرند، سلول به تجزیه پروتئین ها ادامه می دهد. یک گرم از این ماده 17.2 کیلوژول انرژی می دهد. یکی از مهمترین عملکردهای پروتئین ها کاتالیزوری است (پروتئین های آنزیمی واکنش های شیمیایی را که در بخش های سیتوپلاسم رخ می دهد تسریع می کنند). بر اساس موارد فوق، ما متقاعد شدیم که پروتئین ها عملکردهای بسیار مهمی را انجام می دهند و لزوماً بخشی از سلول حیوانی هستند.
بیوسنتز پروتئین
فرآیند سنتز پروتئین در یک سلول را در نظر بگیرید که در سیتوپلاسم با کمک اندامک هایی مانند ریبوزوم ها اتفاق می افتد. به لطف فعالیت آنزیم های خاص، با مشارکت یون های کلسیم، ریبوزوم ها به پلی زوم ها ترکیب می شوند. وظایف اصلی ریبوزوم ها در یک سلول، سنتز مولکول های پروتئین است که با فرآیند رونویسی آغاز می شود. در نتیجه، مولکول‌های mRNA سنتز می‌شوند که پلی‌زوم‌ها به آنها متصل می‌شوند. سپس فرآیند دوم آغاز می شود - ترجمه. انتقال RNA هابا بیست نوع اسید آمینه مختلف ترکیب می شود و آنها را به پلی زوم می رساند و از آنجایی که عملکرد ریبوزوم ها در یک سلول سنتز پلی پپتیدها است، این اندامک ها با tRNA کمپلکس تشکیل می دهند و مولکول های اسید آمینه با پیوندهای پپتیدی به یکدیگر متصل می شوند و یک ماکرومولکول پروتئین.
نقش آب در فرآیندهای متابولیک
مطالعات سیتولوژیکی این واقعیت را تأیید کرده است که سلولی که ساختار و ترکیب آن را مطالعه می کنیم به طور متوسط ۷۰٪ آب است و در بسیاری از حیواناتی که شیوه زندگی در آبزیان را دنبال می کنند (مثلاً کولنترات) محتوا به 97-98٪ می رسد. با در نظر گرفتن این موضوع، سازمان شیمیایی سلول ها شامل مواد آبدوست (قابل حل شدن) و آبگریز (دفع آب) است. آب به عنوان یک حلال قطبی جهانی، نقش استثنایی ایفا می کند و مستقیماً نه تنها بر عملکرد، بلکه بر ساختار سلول نیز تأثیر می گذارد. جدول زیر محتوای آب در سلول‌های انواع مختلف موجودات زنده را نشان می‌دهد.
عملکرد کربوهیدرات ها در سلول
همانطور که قبلا متوجه شدیم، کربوهیدرات ها نیز مواد آلی مهمی هستند - پلیمرها. اینها شامل پلی ساکاریدها، اولیگوساکاریدها و مونوساکاریدها هستند. کربوهیدرات‌ها بخشی از کمپلکس‌های پیچیده‌تر هستند - گلیکولیپیدها و گلیکوپروتئین‌ها، که از آنها غشای سلولی و ساختارهای فوق غشایی مانند گلیکوکالیکس ساخته می‌شوند.
کربوهیدرات ها علاوه بر کربن، حاوی اتم های اکسیژن و هیدروژن هستند و برخی پلی ساکاریدها نیز حاوی نیتروژن، گوگرد و فسفر هستند. کربوهیدرات های زیادی در سلول های گیاهی وجود دارد: غده های سیب زمینیحاوی 90 درصد نشاسته، دانه ها و میوه ها تا 70 درصد کربوهیدرات ها و در سلول های حیوانی به شکل ترکیباتی مانند گلیکوژن، کیتین و ترهالوز یافت می شوند.
قندهای ساده (مونوساکاریدها) دارای فرمول کلی CnH2nOn هستند و به تتروز، تریوز، پنتوز و هگزوز تقسیم می شوند. دو مورد آخر در سلول های موجودات زنده رایج ترین هستند، به عنوان مثال، ریبوز و دئوکسی ریبوز بخشی از اسیدهای نوکلئیک هستند و گلوکز و فروکتوز در واکنش های جذب و تجزیه شرکت می کنند. الیگوساکاریدها اغلب در سلول های گیاهی یافت می شوند: ساکارز در سلول های چغندرقند و نیشکر ذخیره می شود، مالتوز در دانه های جوانه زده چاودار و جو یافت می شود.
دی ساکاریدها طعم شیرینی دارند و به خوبی در آب حل می شوند. پلی ساکاریدها که بیوپلیمر هستند عمدتاً توسط نشاسته، سلولز، گلیکوژن و لامینارین نشان داده می شوند. کیتین متعلق به اشکال ساختاری پلی ساکاریدها است. وظیفه اصلی کربوهیدرات ها در سلول انرژی است. در نتیجه واکنش های هیدرولیز و متابولیسم انرژی، پلی ساکاریدها به گلوکز تجزیه می شوند و سپس به دی اکسید کربن و آب اکسید می شوند. در نتیجه، یک گرم گلوکز 17.6 کیلوژول انرژی آزاد می کند و ذخایر نشاسته و گلیکوژن در واقع مخزن انرژی سلولی هستند.
گلیکوژن عمدتاً در بافت ماهیچه ای و سلول های کبدی، نشاسته گیاهی در غده ها، پیازها، ریشه ها، دانه ها و در بندپایان مانند عنکبوت ها، حشرات و سخت پوستان، الیگوساکارید ترهالوز نقش عمده ای در تامین انرژی دارد.
کربوهیدراتبا لیپیدها و پروتئین ها در توانایی آنها در برش بدون اکسیژن متفاوت است. این برای ارگانیسم هایی که در شرایط کمبود یا غیاب اکسیژن زندگی می کنند، مانند باکتری های بی هوازی و کرم ها - انگل های انسان و حیوانات بسیار مهم است.
عملکرد دیگری از کربوهیدرات ها در سلول وجود دارد - ساختمان (ساختاری). این در این واقعیت نهفته است که این مواد ساختارهای پشتیبان سلول ها هستند. به عنوان مثال، سلولز بخشی از دیواره سلولی گیاهان است، کیتین اسکلت بیرونی بسیاری از بی مهرگان را تشکیل می دهد و در سلول های قارچی یافت می شود، اولی ساکاریدها همراه با مولکول های لیپید و پروتئین، یک گلیکوکالیکس - یک مجتمع اپی غشایی را تشکیل می دهند. این چسبندگی را فراهم می کند - چسبندگی سلول های حیوانی به یکدیگر، که منجر به تشکیل بافت می شود.
لیپیدها: ساختار و عملکرد
این مواد آلی که آبگریز هستند (غیر محلول در آب) را می توان با استفاده از حلال های غیر قطبی مانند استون یا کلروفرم از سلول ها استخراج کرد. عملکرد لیپیدها در یک سلول بستگی به این دارد که آنها به کدام یک از سه گروه تعلق دارند: چربی ها، موم ها یا استروئیدها. چربی ها در همه انواع سلولی فراوان ترین هستند.
حیوانات آنها را در بافت چربی زیر جلدی انباشته می کنند، بافت عصبی حاوی چربی به شکل غلاف میلین اعصاب است. همچنین در کلیه ها، کبد، در حشرات - در بدن چربی تجمع می یابد. چربی های مایع - روغن ها - در دانه های بسیاری از گیاهان یافت می شود: سدر، بادام زمینی، آفتابگردان، زیتون. محتوای لیپیدها در سلول ها از 5 تا 90 درصد (در بافت چربی) متغیر است.
استروئیدها و موم هاتفاوت آنها با چربی ها این است که در مولکول های خود باقی مانده اسیدهای چرب وجود ندارد. بنابراین، استروئیدها هورمون‌های قشر آدرنال هستند که بر بلوغ بدن تأثیر می‌گذارند و از اجزای تستوسترون هستند. آنها همچنین در ویتامین ها (مانند ویتامین D) یافت می شوند.
عملکرد اصلی لیپیدها در سلول انرژی، ساختمان و محافظت است. اولین مورد به این دلیل است که 1 گرم چربی در حین تقسیم 38.9 کیلوژول انرژی - بسیار بیشتر از سایر مواد آلی - پروتئین و کربوهیدرات می دهد. علاوه بر این، در طی اکسیداسیون 1 گرم چربی، تقریباً 1.1 گرم آزاد می شود. اب. به همین دلیل است که برخی از حیوانات با داشتن ذخایر چربی در بدن خود می توانند برای مدت طولانی بدون آب باشند. به عنوان مثال، گوفرها می توانند بیش از دو ماه بدون نیاز به آب به خواب زمستانی بپردازند و شتر هنگام عبور از صحرا به مدت 10 تا 12 روز آب نمی خورد.
عملکرد ساختمانی لیپیدها این است که بخشی جدایی ناپذیر از غشای سلولی و همچنین بخشی از اعصاب هستند. عملکرد محافظتی لیپیدها این است که لایه ای از چربی زیر پوست اطراف کلیه ها و سایر اندام های داخلی آنها را از آسیب های مکانیکی محافظت می کند. یک عملکرد خاص عایق حرارتی در حیواناتی که برای مدت طولانی در آب هستند ذاتی است: نهنگ ها، مهر و موم، مهر و موم خز. یک لایه چربی زیر جلدی ضخیم، به عنوان مثال، در یک نهنگ آبی 0.5 متر است، از حیوان در برابر هیپوترمی محافظت می کند.
اهمیت اکسیژن در متابولیسم سلولی
موجودات هوازی، که شامل اکثریت قریب به اتفاق حیوانات، گیاهان و انسان ها می شود، از اکسیژن اتمسفر برای واکنش های متابولیسم انرژی استفاده می کنند.منجر به تجزیه مواد آلی و آزاد شدن مقدار معینی از انرژی انباشته شده به شکل مولکول های اسید آدنوزین تری فسفریک می شود.
بنابراین، با اکسیداسیون کامل یک مول گلوکز که روی کریستای میتوکندری اتفاق می افتد، 2800 کیلوژول انرژی آزاد می شود که از این مقدار 1596 کیلوژول (55%) به شکل مولکول های ATP حاوی ماکرو ارژیک ذخیره می شود. اوراق قرضه. بنابراین، عملکرد اصلی اکسیژن در سلول، اجرای تنفس هوازی است که بر اساس گروهی از واکنش های آنزیمی به اصطلاح زنجیره تنفسی است که در اندامک های سلولی - میتوکندری اتفاق می افتد. در موجودات پروکاریوتی - باکتری‌های فوتوتروف و سیانوباکتری‌ها - اکسیداسیون مواد مغذی تحت تأثیر اکسیژن منتشر شده به سلولها روی برون‌آمده‌های داخلی غشای پلاسمایی رخ می‌دهد.
ما سازماندهی شیمیایی سلولها و همچنین فرآیندهای بیوسنتز پروتئین و عملکرد اکسیژن در متابولیسم انرژی سلولی را مطالعه کردیم.
