19 ғасырдың аяғында биологияның биохимия деп аталатын бөлімі қалыптасты. Ол тірі жасушаның химиялық құрамын зерттейді. Ғылымның негізгі міндеті – өсімдік және жануарлар жасушаларының тіршілік әрекетін реттейтін зат және энергия алмасуының ерекшеліктерін білу.
Жасушаның химиялық құрамы туралы түсінік
Мұқият зерттеу нәтижесінде ғалымдар жасушалардың химиялық құрылымын зерттеп, тірі жандардың құрамында 85-тен астам химиялық элементтер бар екенін анықтады. Оның үстіне, олардың кейбіреулері барлық дерлік ағзалар үшін міндетті, ал басқалары ерекше және нақты биологиялық түрлерде кездеседі. Ал үшінші топтағы химиялық элементтер микроорганизмдердің, өсімдіктер мен жануарлардың жасушаларында өте аз мөлшерде болады. Жасушаларда көбінесе катиондар мен аниондар түріндегі химиялық элементтер болады, олардан минералды тұздар мен су түзіледі, ал көміртегі бар органикалық қосылыстар синтезделеді: көмірсулар, белоктар, липидтер.
Органогендік элементтер
Биохимияда олар көміртегі, сутегі,оттегі және азот. Олардың жасушадағы жиынтығы ондағы басқа химиялық элементтердің 88-97% құрайды. Көміртек әсіресе маңызды. Жасуша құрамындағы барлық органикалық заттар құрамында көміртек атомдары бар молекулалардан тұрады. Олар бір-бірімен байланыса алады, тізбектер (тармақталған және тармақталмаған), сонымен қатар циклдар құрайды. Көміртек атомдарының бұл қабілеті цитоплазма мен жасушалық органоидтарды құрайтын органикалық заттардың таңғажайып алуан түрлілігінің негізінде жатыр.
Мысалы, жасушаның ішкі құрамы еритін олигосахаридтерден, гидрофильді белоктардан, липидтерден, рибонуклеин қышқылының әртүрлі түрлерінен: трансферттік РНҚ, рибосомалық РНҚ және хабаршы РНҚ, сонымен қатар бос мономерлер – нуклеотидтерден тұрады. Жасуша ядросының химиялық құрамы ұқсас. Оның құрамында хромосомалардың бөлігі болып табылатын дезоксирибонуклеин қышқылының молекулалары да бар. Жоғарыда аталған қосылыстардың барлығында азот, көміртек, оттегі, сутегі атомдары бар. Бұл олардың ерекше маңыздылығының дәлелі, өйткені жасушалардың химиялық ұйымдастырылуы жасушалық құрылымдарды құрайтын органогендік элементтердің: гиалоплазма мен органелланың құрамына байланысты.
Макроэлементтер және олардың мағыналары
Әртүрлі ағзалардың жасушаларында да жиі кездесетін химиялық элементтер биохимияда макроэлементтер деп аталады. Олардың жасушадағы мөлшері 1,2% - 1,9%. Жасушаның макроэлементтеріне мыналар жатады: фосфор, калий, хлор, күкірт, магний, кальций, темір және натрий. Олардың барлығы маңызды функцияларды орындайды және әртүрлі бөліктердің бір бөлігі болып табыладыжасуша органеллалары. Сонымен, темір ионы қан ақуызында - гемоглобинде болады, ол оттегін (бұл жағдайда оны оксигемоглобин деп атайды), көмірқышқыл газын (карбогемоглобин) немесе көміртегі тотығын (карбоксигемоглобин) тасымалдайды.
Натрий иондары жасушааралық тасымалдаудың ең маңызды түрін қамтамасыз етеді: натрий-калий насосы деп аталатын. Олар сонымен қатар интерстициальды сұйықтық пен қан плазмасының бөлігі болып табылады. Магний иондары хлорофилл молекулаларында (жоғары сатыдағы өсімдіктердің фотопигменті) болады және фотосинтез процесіне қатысады, өйткені олар жарық энергиясының фотондарын ұстайтын реакция орталықтарын құрайды.
Кальций иондары талшықтар бойымен жүйке импульстарының өткізілуін қамтамасыз етеді, сонымен қатар остеоциттердің – сүйек жасушаларының негізгі құрамдас бөлігі болып табылады. Кальций қосылыстары омыртқасыз жануарлар әлемінде кеңінен таралған, олардың қабығы кальций карбонатынан тұрады.
Хлор иондары жасуша мембраналарының қайта зарядталуына қатысады және жүйке қозуының негізінде жатқан электрлік импульстардың пайда болуын қамтамасыз етеді.
Күкірт атомдары нативті ақуыздардың бөлігі болып табылады және полипептидтік тізбекті «айқастыру» арқылы олардың үшінші реттік құрылымын анықтайды, нәтижесінде глобулярлық ақуыз молекуласы түзіледі.
Калий иондары жасуша мембраналары арқылы заттарды тасымалдауға қатысады. Фосфор атомдары аденозин үшфосфор қышқылы сияқты энергияны көп қажет ететін маңызды заттың бөлігі болып табылады, сонымен қатар жасушалық тұқым қуалаушылықтың негізгі заттары болып табылатын дезоксирибонуклеин және рибонуклеин қышқылы молекулаларының маңызды құрамдас бөлігі болып табылады.
Жасушадағы микроэлементтердің қызметіметаболизм
Жасушаларда 0,1%-дан аз құрайтын 50-ге жуық химиялық элементтер микроэлементтер деп аталады. Оларға мырыш, молибден, йод, мыс, кобальт, фтор жатады. Құрамы шамалы, олар өте маңызды функцияларды орындайды, өйткені олар көптеген биологиялық белсенді заттардың бөлігі болып табылады.
Мысалы, мырыш атомдары инсулин молекулаларында (қандағы глюкоза деңгейін реттейтін ұйқы безінің гормоны) кездеседі, йод қалқанша безінің гормондарының – тироксин мен трийодтирониннің құрамдас бөлігі болып табылады, оларда метаболизм деңгейін бақылайды. дене. Мыс темір иондарымен бірге қан түзілуге (омыртқалылардың қызыл сүйек кемігінде эритроциттердің, тромбоциттер мен лейкоциттердің түзілуіне) қатысады. Мыс иондары омыртқасыз жануарлардың, мысалы, моллюскалардың қанында болатын гемоцианин пигментінің бөлігі болып табылады. Сондықтан олардың гемолимфасының түсі көк.
Жасушада қорғасын, алтын, бром, күміс сияқты химиялық элементтердің мөлшері одан да аз. Олар ультрамикроэлементтер деп аталады және өсімдіктер мен жануарлар жасушаларының бөлігі болып табылады. Мысалы, химиялық талдау арқылы жүгері дәндерінен алтын иондары анықталды. Бром атомдары көп мөлшерде саргассум, ламинария, фукус сияқты қоңыр және қызыл балдырлардың талломының жасушаларының бөлігі болып табылады.
Жоғарыда келтірілген мысалдар мен фактілердің барлығы жасушаның химиялық құрамы, қызметі мен құрылымы бір-бірімен қалай байланысты екенін түсіндіреді. Төмендегі кестеде тірі организмдердің жасушаларындағы әртүрлі химиялық элементтердің мазмұны көрсетілген.
Органикалық заттардың жалпы сипаттамасы
Организмдердің әртүрлі топтарының жасушаларының химиялық қасиеттері белгілі бір түрде көміртегі атомдарына байланысты, олардың үлесі жасуша массасының 50%-дан астамы. Жасушаның барлық дерлік құрғақ заттары күрделі құрылымды және үлкен молекулалық массасы бар көмірсулар, ақуыздар, нуклеин қышқылдары және липидтерден тұрады. Мұндай молекулалар макромолекулалар (полимерлер) деп аталады және қарапайым элементтерден – мономерлерден тұрады. Ақуыз заттары өте маңызды рөл атқарады және төменде талқыланатын көптеген функцияларды орындайды.
Жасушадағы ақуыздардың рөлі
Тірі жасушаны құрайтын қосылыстардың биохимиялық талдауы ондағы белоктар сияқты органикалық заттардың жоғары құрамын растайды. Бұл фактінің логикалық түсіндірмесі бар: белоктар әртүрлі функцияларды орындайды және жасушалық өмірдің барлық көріністеріне қатысады.
Мысалы, белоктардың қорғаныш қызметі антиденелердің – лимфоциттер өндіретін иммуноглобулиндердің түзілуі. Тромбин, фибрин және тромбобластин сияқты қорғаныс ақуыздары қанның ұюын қамтамасыз етеді және жарақаттар мен жаралар кезінде оның жоғалуын болдырмайды. Жасушаның құрамына бөгде қосылыстарды – антигендерді тану қабілеті бар жасуша мембраналарының күрделі белоктары кіреді. Олар конфигурациясын өзгертеді және ұяшыққа ықтимал қауіп туралы хабарлайды (сигнал беру функциясы).
Кейбір ақуыздардың реттеуші қызметі бар және олар гормондар болып табылады, мысалы, гипоталамус шығаратын окситоцин гипофизде сақталады. Оданқан, окситоцин жатырдың бұлшықет қабырғаларына әсер етіп, оның жиырылуын тудырады. Вазопрессин ақуызының қан қысымын реттейтін реттеуші қызметі де бар.
Бұлшық ет жасушаларында жиырылуы мүмкін актин мен миозин болады, бұл бұлшықет тінінің қозғалыс қызметін анықтайды. Белоктардың трофикалық қызметі де бар, мысалы, альбуминді эмбрион оның дамуы үшін қоректік зат ретінде пайдаланады. Гемоглобин және гемоцианин сияқты әртүрлі ағзалардың қан ақуыздары оттегі молекулаларын тасымалдайды - олар тасымалдау қызметін атқарады. Көмірсулар мен липидтер сияқты энергияны көп қажет ететін заттар толығымен пайдаланылса, жасуша ақуыздарды ыдыратуға кіріседі. Бұл заттың бір граммы 17,2 кДж энергия береді. Белоктардың маңызды қызметтерінің бірі каталитикалық (ферменттік ақуыздар цитоплазма бөлімшелерінде болатын химиялық реакцияларды жеделдетеді). Жоғарыда айтылғандарға сүйене отырып, біз белоктардың көптеген өте маңызды функцияларды орындайтынына және міндетті түрде жануар жасушасының бөлігі екеніне көз жеткіздік.
Белок биосинтезі
Жасушада цитоплазмада рибосомалар сияқты органеллалардың көмегімен жүретін ақуыз синтезі процесін қарастырайық. Арнайы ферменттердің белсенділігінің арқасында кальций иондарының қатысуымен рибосомалар полисомаларға біріктіріледі. Жасушадағы рибосомалардың негізгі қызметтері транскрипция процесінен басталатын белок молекулаларының синтезі болып табылады. Нәтижесінде мРНҚ молекулалары синтезделеді, оларға полисомалар қосылады. Содан кейін екінші процесс басталады - аударма. Трансферттік РНҚжиырма түрлі амин қышқылдарымен қосылып, оларды полисомаларға жеткізеді, ал жасушадағы рибосомалардың қызметі полипептидтердің синтезі болғандықтан, бұл органеллалар тРНҚ-мен комплекстер түзеді, ал аминқышқылдарының молекулалары бір-бірімен пептидтік байланыстар арқылы байланысады. ақуыз макромолекуласы.
Судың зат алмасу процестеріндегі рөлі
Цитологиялық зерттеулер біз зерттеп отырған құрылымы мен құрамын жасушаның орта есеппен 70% судан тұратынын және суда тіршілік ететін көптеген жануарларда (мысалы, целентераттар) оның мазмұны 97-98 % жетеді. Осыны ескере отырып, жасушалардың химиялық ұйымына гидрофильді (ерітетін) және гидрофобты (судан қорғайтын) заттар кіреді. Әмбебап полярлы еріткіш бола отырып, су ерекше рөл атқарады және жасушалардың функцияларына ғана емес, сонымен қатар оның құрылымына да тікелей әсер етеді. Төмендегі кестеде әр түрлі тірі ағзалардың жасушаларындағы су мөлшері көрсетілген.
Жасушадағы көмірсулардың қызметі
Бұдан бұрын білгеніміздей, көмірсулар да маңызды органикалық заттар – полимерлер болып табылады. Оларға полисахаридтер, олигосахаридтер және моносахаридтер жатады. Көмірсулар анағұрлым күрделі кешендердің – гликолипидтер мен гликопротеидтердің бөлігі болып табылады, олардан жасуша мембраналары мен гликокаликс сияқты мембрана үсті құрылымдар түзіледі.
Көмірсуларда көміртектен басқа оттегі мен сутегі атомдары, ал кейбір полисахаридтерде азот, күкірт және фосфор да болады. Өсімдік жасушаларында көмірсулар көп: картоп түйнектеріқұрамында 90%-ға дейін крахмал, тұқымдар мен жемістерде 70%-ға дейін көмірсулар бар, ал жануарлар жасушаларында олар гликоген, хитин және трегалоза сияқты қосылыстар түрінде кездеседі.
Қарапайым қанттардың (моносахаридтердің) жалпы формуласы CnH2nOn және тетрозалар, триозалар, пентозалар және гексозалар болып бөлінеді. Соңғы екеуі тірі организмдердің жасушаларында жиі кездеседі, мысалы, рибоза мен дезоксирибоза нуклеин қышқылдарының құрамына кіреді, ал глюкоза мен фруктоза ассимиляция және диссимиляция реакцияларына қатысады. Олигосахаридтер көбінесе өсімдік жасушаларында кездеседі: сахароза қант қызылшасы мен қант қамысының жасушаларында сақталады, мальтоза қара бидай мен арпаның өнген дәндерінде болады.
Дисахаридтердің тәтті дәмі бар және суда жақсы ериді. Полисахаридтер биополимерлер бола отырып, негізінен крахмал, целлюлоза, гликоген және ламинаринмен ұсынылған. Хитин полисахаридтердің құрылымдық түрлеріне жатады. Көмірсулардың жасушадағы негізгі қызметі – энергия. Гидролиз және энергия алмасу реакциялары нәтижесінде полисахаридтер глюкозаға дейін ыдырайды, содан кейін көмірқышқыл газы мен суға дейін тотығады. Нәтижесінде бір грамм глюкоза 17,6 кДж энергия бөледі, ал крахмал мен гликоген қоймалары іс жүзінде жасушалық энергияның резервуары болып табылады.
Гликоген негізінен бұлшықет тінінде және бауыр жасушаларында, өсімдік крахмалы түйнектерде, пиязда, тамырларда, тұқымдарда және өрмекшілер, жәндіктер және шаян тәрізділер сияқты буынаяқтыларда сақталады, трегалоза олигосахариді энергиямен қамтамасыз етуде үлкен рөл атқарады.
Көмірсуларлипидтерден және белоктардан оттегісіз ыдырауға қабілеттілігімен ерекшеленеді. Бұл анаэробты бактериялар мен гельминттер - адамдар мен жануарлардың паразиттері сияқты оттегінің тапшылығы немесе болмауы жағдайында өмір сүретін организмдер үшін өте маңызды.
Клеткадағы көмірсулардың тағы бір қызметі бар – құрылыс (құрылымдық). Бұл заттардың жасушалардың тірек құрылымдары болып табылатындығына байланысты. Мысалы, целлюлоза өсімдіктердің жасуша қабырғаларының бір бөлігі болып табылады, хитин көптеген омыртқасыздардың сыртқы қаңқасын құрайды және саңырауқұлақ жасушаларында кездеседі, олисахаридтер липидті және ақуыз молекулаларымен бірге гликокаликс - эпимембраналық кешен құрайды. Ол адгезияны қамтамасыз етеді - жануарлар жасушаларының бір-біріне жабысып, тіндердің пайда болуына әкеледі.
Липидтер: құрылымы мен қызметі
Гидрофобты (суда ерімейтін) болып табылатын бұл органикалық заттарды ацетон немесе хлороформ сияқты полярлы емес еріткіштерді пайдаланып, жасушалардан алуға болады. Жасушадағы липидтердің қызметі олардың үш топтың қайсысына жататынына байланысты: майлар, балауыздар немесе стероидтер. Майлар барлық жасуша түрлерінде ең көп.
Жануарлар оларды тері астындағы май тінінде жинақтайды, жүйке тінінде нервтердің миелинді қабықшалары түріндегі май болады. Сондай-ақ ол бүйректе, бауырда, жәндіктерде - майлы денеде жиналады. Сұйық майлар – майлар – көптеген өсімдіктердің тұқымында кездеседі: балқарағай, жержаңғақ, күнбағыс, зәйтүн. Жасушалардағы липидтердің мөлшері 5-тен 90%-ға дейін (май тінінде).
Стероидтер мен балауыздармайлардан айырмашылығы, олардың молекулаларында май қышқылдарының қалдықтары жоқ. Сонымен, стероидтер - бұл дененің жыныстық жетілуіне әсер ететін және тестостеронның құрамдас бөлігі болып табылатын бүйрек үсті безінің қыртысының гормондары. Олар сондай-ақ витаминдерде (мысалы, D дәрумені) кездеседі.
Жасушадағы липидтердің негізгі қызметі – энергия, құрылыс және қорғаныс. Біріншісі, бөліну кезінде 1 грамм майдың 38,9 кДж энергия беретіндігімен түсіндіріледі - бұл басқа органикалық заттардан - ақуыздар мен көмірсулардан әлдеқайда көп. Сонымен қатар, 1 г майдың тотығуы кезінде 1,1 г дерлік бөлінеді. су. Сондықтан кейбір жануарлардың денесінде май қоры бар, ұзақ уақыт сусыз қалуы мүмкін. Мысалы, гоферлер суды қажет етпестен екі айдан астам қысқы ұйықтай алады, ал түйе шөлді кесіп өткенде 10–12 күн су ішпейді.
Липидтердің құрылыс қызметі олар жасуша мембраналарының құрамдас бөлігі болып табылады, сонымен қатар нервтердің бөлігі болып табылады. Липидтердің қорғаныш функциясы - бүйрек және басқа ішкі органдардың айналасындағы тері астындағы май қабаты оларды механикалық жарақаттан қорғайды. Белгілі бір жылу оқшаулау функциясы суда ұзақ уақыт болатын жануарларға тән: киттер, итбалықтар, жүнді итбалықтар. Қалың тері астындағы май қабаты, мысалы, көк китте 0,5 м, ол жануарды гипотермиядан қорғайды.
Жасуша метаболизміндегі оттегінің маңызы
Жануарлардың, өсімдіктердің және адамдардың басым көпшілігін қамтитын аэробты организмдер энергия алмасу реакциялары үшін атмосфералық оттегін пайдаланады,органикалық заттардың ыдырауына және аденозин үшфосфор қышқылының молекулалары түрінде жинақталған белгілі бір энергияның бөлінуіне әкеледі.
Осылайша, митохондриялардың кристалдарында болатын бір моль глюкозаның толық тотығуы кезінде 2800 кДж энергия бөлінеді, оның 1596 кДж (55%) макроэргиялық бар ATP молекулалары түрінде сақталады. облигациялар. Сонымен, оттегінің жасушадағы негізгі қызметі жасушалық органеллалар – митохондрияларда болатын тыныс алу тізбегі деп аталатын ферменттік реакциялар тобына негізделген аэробты тыныс алуды жүзеге асыру болып табылады. Прокариоттық организмдерде – фототрофты бактериялар мен цианобактерияларда – қоректік заттардың тотығуы плазмалық мембраналардың ішкі өсінділеріндегі жасушаларға диффузиялық оттегінің әсерінен жүреді.
Біз жасушалардың химиялық ұйымдастырылуын, сондай-ақ ақуыз биосинтезі процестерін және жасушалық энергия алмасуындағы оттегінің қызметін зерттедік.
