Tổ chức hóa học của tế bào: các chất hữu cơ, vĩ mô và vi lượng

Vào cuối thế kỷ 19, một ngành sinh học đã được hình thành, được gọi là hóa sinh. Cô nghiên cứu thành phần hóa học của một tế bào sống. Nhiệm vụ chính của khoa học là nhận thức của những đặc thù của sự trao đổi chất và năng lượng điều chỉnh hoạt động quan trọng của tế bào thực vật và động vật.

Khái niệm thành phần hoá học của tế bào

Theo các nghiên cứu cẩn thận, các nhà khoa học đã nghiên cứu tổ chức hóa học của tế bào và nhận thấy rằng chúng sinh có hơn 85 nguyên tố hóa học trong thành phần của chúng. Và một số trong số đó là bắt buộc đối với hầu hết các sinh vật, trong khi một số khác là đặc trưng và xảy ra trong các loài sinh học cụ thể. Và nhóm thứ ba của các nguyên tố hóa học có trong các tế bào của vi sinh vật, thực vật và động vật với số lượng nhỏ. Các thành phần hóa học trong thành phần tế bào thường có dạng cation và anion, từ đó muối khoáng và nước được hình thành, và các hợp chất hữu cơ chứa carbon được tổng hợp: carbohydrate, protein, lipids.

Các yếu tố hữu cơ

Trong hóa sinh học, chúng bao gồm cacbon, hydro, oxy và nitơ. Tổng số của chúng là trong tế bào từ 88 đến 97% các nguyên tố hóa học khác trong đó. Đặc biệt quan trọng là carbon. Tất cả các chất hữu cơ trong tế bào bao gồm các phân tử có chứa các nguyên tử cacbon trong thành phần của chúng. Họ có thể kết nối với nhau, tạo thành các chuỗi (phân nhánh và không chia nhánh), cũng như các chu kỳ. Khả năng của các nguyên tử cacbon này nằm dưới sự đa dạng nổi bật của các chất hữu cơ tạo thành tế bào chất và các cơ quan tế bào.

Ví dụ, nội dung bên trong tế bào bao gồm oligosaccharides hòa tan, protein ưa nước, lipid, các loại ribonucleic acid khác nhau: vận chuyển RNA, RNA ribosome và RNA thông tin, và các monome tự do - nucleotide. Một thành phần hóa học tương tự có một nhân tế bào. Nó cũng chứa các phân tử deoxyribonucleic acid, là một phần của nhiễm sắc thể. Tất cả các hợp chất trên có trong thành phần của chúng các nguyên tử của nitơ, cacbon, oxy, hydro. Đây là bằng chứng về tầm quan trọng đặc biệt quan trọng của chúng, vì tổ chức hóa học của các tế bào phụ thuộc vào nội dung của các thành phần cơ thể tạo thành các cấu trúc tế bào: hyaloplasm và các cơ quan.

Các yếu tố vĩ mô và ý nghĩa của chúng

Các thành phần hóa học, cũng thường được tìm thấy trong các tế bào của các loài sinh vật khác nhau, được gọi là macrocell trong hóa sinh. Nội dung của chúng trong tế bào là 1,2% - 1,9%. Các macroelements của tế bào bao gồm: photpho, kali, clo, lưu huỳnh, magiê, canxi, sắt và natri. Tất cả chúng thực hiện các chức năng quan trọng và là một phần của các cơ quan tế bào khác nhau. Do đó, ion sắt có trong protein máu - hemoglobin, vận chuyển oxy (trong trường hợp này gọi là oxyhemoglobin), carbon dioxide (carbogemoglobin) hoặc carbon monoxide (carboxyhemoglobin).

Các ion natri cung cấp loại vận chuyển giữa các tế bào quan trọng nhất: cái gọi là bơm natri kali. Chúng cũng là một phần của dịch kẽ và huyết tương. Các ion Magnesium có trong các phân tử chlorophyll (photopigment của các cây cao hơn) và tham gia vào quá trình quang hợp vì chúng tạo ra các trung tâm phản ứng thu được các photon năng lượng ánh sáng.

Các ion canxi cung cấp xung thần kinh dọc theo các sợi, và cũng là thành phần chính của tế bào xương - tế bào xương. Các hợp chất canxi được phân bố rộng rãi trong thế giới động vật không xương sống, trong đó vỏ bao gồm canxi cacbonat.

Các ion clo tham gia vào việc nạp lại các màng tế bào và cung cấp sự xuất hiện của xung điện gây ra kích thích thần kinh.

Các nguyên tử lưu huỳnh là một phần của các protein tự nhiên và gây ra cấu trúc bậc ba của chúng, "khâu" chuỗi polypeptit, dẫn đến sự hình thành một phân tử protein hình cầu.

Các ion kali tham gia vận chuyển các chất qua màng tế bào. Các nguyên tử của phốt pho là một phần của một chất như vậy cần nhiều năng lượng như axit adenosine triphosphoric, và cũng là một thành phần quan trọng của các phân tử axit deoxyribonucleic và ribonucleic, là những chất chính của di truyền tế bào.

Chức năng của các vi chất trong chuyển hóa tế bào

Khoảng 50 nguyên tố hóa học, chiếm ít hơn 0,1% trong tế bào, được gọi là vi lượng. Chúng bao gồm kẽm, molybden, iốt, đồng, cobalt, flo. Với nội dung không đáng kể, chúng thực hiện các chức năng rất quan trọng vì chúng là một phần của nhiều chất hoạt tính sinh học.

Ví dụ, các nguyên tử kẽm được tìm thấy trong các phân tử insulin (hóc môn tuyến tụy điều chỉnh mức đường trong máu), iốt là một phần không thể tách rời của các hormon tuyến giáp - thyroxine và triiodothyronine, kiểm soát mức độ trao đổi chất trong cơ thể. Đồng, cùng với ion sắt, tham gia vào việc tạo máu (sự hình thành hồng cầu, tiểu cầu và bạch cầu trong tủy xương đỏ của động vật có xương sống). Các ion đồng là một phần của sắc tố hemocyanin có trong máu động vật không xương sống, ví dụ nhuyễn thể. Vì vậy, màu sắc của hemolymph họ có màu xanh.

Thậm chí ít hơn là nội dung trong tế bào của các nguyên tố hóa học như chì, vàng, brom, bạc. Chúng được gọi là siêu vi khuẩn và là một phần của tế bào thực vật và thực vật. Ví dụ, trong hạt ngũ cốc, ion vàng được phát hiện bằng cách phân tích hóa học. Các nguyên tử của brôm trong một số lượng lớn được bao gồm trong thành phần của các tế bào thallus của tảo màu nâu và đỏ, ví dụ sargassum, tảo bẹ, fucus.

Tất cả các ví dụ và sự kiện nêu trên giải thích thành phần, cấu trúc và cấu trúc của tế bào tương quan với nhau như thế nào. Bảng dưới đây cho thấy nội dung của các yếu tố hóa học khác nhau trong tế bào của sinh vật sống.

Các đặc tính chung của các chất hữu cơ

Các tính chất hóa học của các tế bào của các nhóm khác nhau của sinh vật phụ thuộc một cách nào đó vào các nguyên tử cacbon, trong đó tỷ lệ của nó là hơn 50% khối lượng tế bào. Thực tế tất cả các chất khô của tế bào được đại diện bởi carbohydrate, protein, axit nucleic và lipid, có cấu trúc phức tạp và trọng lượng phân tử lớn. Các phân tử như vậy gọi là macromolecules (polyme) và bao gồm các đơn nguyên đơn giản - các monome. Chất đạm đóng một vai trò vô cùng quan trọng và thực hiện nhiều chức năng, sẽ được thảo luận dưới đây.

Vai trò của protein trong tế bào

Phân tích sinh hóa các hợp chất đi vào tế bào sống xác nhận hàm lượng cao các chất hữu cơ như các protein trong đó. Thực tế này có một lời giải thích hợp lý: protein thực hiện nhiều chức năng và tham gia vào tất cả các biểu hiện của cuộc sống tế bào.

Ví dụ, chức năng bảo vệ của protein là sự hình thành các kháng thể - immunoglobulins, được tạo ra bởi lymphocytes. Các protein bảo vệ như vậy, như thrombin, fibrin và thromboblastin, cung cấp máu đông máu và ngăn ngừa tổn thương của nó trong thương tích và thương tích. Tế bào bao gồm các protein phức tạp của màng tế bào, có khả năng nhận biết các hợp chất ngoại lai - kháng nguyên. Họ thay đổi cấu hình của họ và thông báo cho các tế bào có nguy cơ tiềm ẩn (chức năng tín hiệu).

Một số protein thực hiện chức năng điều tiết và là các hoocmon, ví dụ như oxytocin, được sản sinh bởi vùng dưới đồi, được giữ trong tuyến yên. Nhập vào máu, oxytocin ảnh hưởng đến thành cơ của tử cung, khiến nó co lại. Protein vasopressin cũng thực hiện chức năng điều chỉnh, kiểm soát huyết áp.

Trong các tế bào cơ là actin và myosin, có thể co lại, gây ra chức năng vận động của mô cơ. Đối với protein, chức năng dinh dưỡng cũng là đặc trưng, ví dụ, albumin được sử dụng bởi phôi như một chất dinh dưỡng cho sự phát triển của nó. Protein máu của các sinh vật khác nhau, ví dụ hemoglobin và hemocyanin, mang các phân tử oxy - thực hiện chức năng vận chuyển. Nếu các chất giàu năng lượng nhiều hơn, như carbohydrate và lipid, được sử dụng đầy đủ, tế bào bắt đầu phá vỡ protein. Một gam chất này cho năng lượng 17, 2 kJ. Một trong những chức năng quan trọng nhất của protein là chất xúc tác (enzyme protein thúc đẩy các phản ứng hóa học xảy ra trong khoang bào tương). Dựa trên những điều đã nói ở trên, chúng tôi tin rằng các protein thực hiện rất nhiều chức năng rất quan trọng và nhất thiết là một phần của tế bào động vật.

Sinh tổng hợp protein

Xem xét quá trình tổng hợp protein trong một tế bào xảy ra trong tế bào chất nhờ sự trợ giúp của các cơ quan như ribosome. Nhờ hoạt động của các enzyme đặc biệt, với sự tham gia của ion canxi, ribosome kết hợp thành polysomes. Các chức năng chính của ribosome trong tế bào là sự tổng hợp các phân tử protein, bắt đầu với quá trình phiên mã. Kết quả là, nó tổng hợp các phân tử mRNA, mà polysomes được đính kèm. Sau đó tiến trình thứ hai bắt đầu - bản dịch. Các RNA vận chuyển kết hợp với 20 loại axit amin khác nhau và đưa chúng đến các polysomes, và vì các chức năng của ribosome trong tế bào là sự tổng hợp của các polypeptide, các tổ chức này hình thành phức hợp với tRNA, và các phân tử amino axit được liên kết với nhau bằng các liên kết peptide để tạo thành phân tử protein.

Vai trò của nước trong quá trình trao đổi chất

Các nghiên cứu tế bào học đã khẳng định thực tế là tế bào, cấu trúc và thành phần của chúng ta nghiên cứu, trung bình 70% nước, và ở nhiều động vật dẫn đến thủy sinh (ví dụ, coelenterates), hàm lượng của nó đạt 97-98%. Với điều này trong tâm trí, tổ chức hoá học của các tế bào bao gồm chất hydrophilic (tan) và hydrophobic (water-repellent). Là một dung môi cực đại, nước đóng một vai trò đặc biệt và ảnh hưởng trực tiếp không chỉ đến các chức năng, mà còn là cấu trúc của tế bào. Bảng dưới đây cho thấy hàm lượng nước trong các tế bào của các loại sinh vật khác nhau.

Chức năng của carbohydrate trong lồng

Như chúng ta đã biết, carbohydrate quan trọng là những chất hữu cơ quan trọng - polyme. Chúng bao gồm polysaccharides, oligosaccharides và monosaccharides. Carbohydrate là một phần phức hợp phức tạp hơn - glycolipids và glycoprotein, trong đó các màng tế bào và cấu trúc siêu màng, ví dụ glycocalyx, được tạo ra.

Ngoài cacbon, carbohydrate bao gồm các nguyên tử oxy và hydrogen, và một số polysaccharides cũng chứa nitơ, lưu huỳnh và phosphorus. Có rất nhiều tế bào thực vật carbohydrate: củ khoai tây có chứa đến 90% tinh bột, trong hạt và trái cây carbohydrate lên đến 70%, và trong các tế bào động vật chúng xuất hiện dưới dạng các hợp chất như glycogen, chitin và trehalose.

Các loại đường đơn (monosaccharides) có công thức chung CnH2nOn và được chia thành tetroses, trioses, pentose và hexose. Hai thứ hai phổ biến nhất trong tế bào của sinh vật sống, ví dụ như ribose và deoxyribose là một phần của axit nucleic, và glucose và fructose có liên quan đến các phản ứng đồng hóa và phản ứng. Oligosaccharides thường được tìm thấy trong các tế bào thực vật: sucrose được lưu trữ trong các tế bào của củ cải đường và mía đường, maltose được chứa trong hạt nảy mầm của lúa mạch đen và lúa mạch.

Disaccharides có vị ngọt và dễ hòa tan trong nước. Polysaccharides, là chất đồng trùng hợp, được thể hiện chủ yếu bằng tinh bột, cellulose, glycogen và laminarin. Chitin thuộc các dạng cấu trúc của polysaccharide. Chức năng chính của carbohydrate trong tế bào là năng lượng. Do sự thủy phân và các phản ứng chuyển hóa năng lượng, các polysaccharides phân ra thành glucose và sau đó bị oxy hóa thành carbon dioxide và nước. Kết quả là, một gram glucose giải phóng 17,6 kJ năng lượng, và các cổ phiếu của tinh bột và glycogen, trên thực tế, là một hồ chứa năng lượng tế bào.

Glycogen được lắng đọng chủ yếu ở mô cơ và tế bào gan, tinh bột thực vật trong củ, hành, củ, hạt, và động vật chân đốt, ví dụ nhện, côn trùng và giáp xác, vai trò chính trong cung cấp năng lượng là trehalose oligosaccharide.

Carbohydrate khác với lipid và protein bởi khả năng tiêu hóa không oxy. Điều này cực kỳ quan trọng đối với các sinh vật sống trong điều kiện thiếu hụt oxy, ví dụ như vi khuẩn k an khí và giun sán - ký sinh trùng của người và động vật.

Có một chức năng khác của carbohydrate trong xây dựng tế bào (cấu trúc). Nó bao gồm trong thực tế là các chất này là các cấu trúc hỗ trợ của tế bào. Ví dụ, cellulose là một phần của thành tế bào thực vật, chitin hình thành bộ xương ngoài của nhiều động vật không xương sống và xảy ra trong các tế bào nấm, olisaccharides cùng với các phân tử lipid và protein tạo thành phức hợp glycocalyx-supramembrane. Nó cung cấp sự kết dính - bóp các tế bào động vật giữa chúng, dẫn đến sự hình thành các mô.

Lipids: cấu trúc và chức năng

Những chất hữu cơ có tính k hydro nước (không tan trong nước) có thể được phục hồi, tức là chiết xuất từ các tế bào bằng các dung môi không cực như aceton hoặc chloroform. Các chức năng của lipid trong tế bào phụ thuộc vào nhóm nào trong ba nhóm: chất béo, sáp hoặc steroid. Chất béo được phân phối rộng rãi nhất trong tất cả các loại tế bào.

Động vật tích tụ chúng trong mô mỡ dưới da, mô thần kinh chứa chất béo dưới dạng vỏ thần kinh thần kinh. Nó cũng tích tụ trong thận, gan, côn trùng - trong cơ thể béo. Chất béo dạng lỏng - dầu - được tìm thấy trong hạt của nhiều loại cây: gỗ tuyết tùng, lạc, hướng dương, ô liu. Hàm lượng lipid trong tế bào thay đổi từ 5 đến 90% (trong mô mỡ).

Steroids và sáp khác với chất béo vì chúng không có dư lượng acid béo trong các phân tử. Vì vậy, steroid là hooc môn của lớp vỏ não của thượng vị, ảnh hưởng đến sự trưởng thành về giới tính của cơ thể và là thành phần của testosterone. Chúng cũng là một phần của vitamin (ví dụ vitamin D).

Các chức năng chính của chất béo trong tế bào là năng lượng, xây dựng và bảo vệ. Thứ nhất là do 1 gram chất béo trong quá trình phân huỷ tạo ra năng lượng 38.9 kJ - nhiều hơn các chất hữu cơ khác - protein và carbohydrate. Ngoài ra, khi oxy hóa 1g chất béo, gần 1.1 gr được giải phóng. Nước. Đó là lý do tại sao một số động vật có một cửa hàng chất béo trong cơ thể của họ có thể ở lại mà không có nước trong một thời gian dài. Ví dụ, những người có thể ngủ được hơn hai tháng mà không cần nước, và lạc đà không uống nước trong quá trình chuyển đổi qua sa mạc trong 10-12 ngày.

Chức năng xây dựng lipid là chúng là một phần không tách rời của màng tế bào, và cũng tạo thành một phần của dây thần kinh. Chức năng bảo vệ lipid là một lớp chất béo dưới da xung quanh thận và các cơ quan nội tạng khác bảo vệ chúng khỏi những tổn thương cơ học. Một chức năng cách nhiệt đặc biệt vốn có trong động vật đã ở trong nước trong một thời gian dài: cá voi, con dấu, con dấu. Ví dụ một lớp mỡ dưới da dày, ví dụ trong một con cá voi xanh là 0,5 m, nó bảo vệ động vật khỏi hạ thân nhiệt.

Tầm quan trọng của oxy trong quá trình chuyển hóa tế bào

Các sinh vật aerobic, bao gồm đại đa số động vật, thực vật và con người, sử dụng oxy trong khí quyển cho các phản ứng trao đổi năng lượng dẫn đến sự phân tách các chất hữu cơ và giải phóng một lượng năng lượng nhất định tích tụ dưới dạng các phân tử adenosine triphosphate.

Như vậy, quá trình oxy hóa hoàn toàn của một nốt ruồi của glucose xảy ra trong cristae ty lạp thể, 2800 kJ năng lượng được phân bổ, trong đó có 1.596 kJ (55%) được lưu trữ dưới dạng các phân tử ATP chứa kết nối macroergic. Do đó, chức năng chính của oxy trong tế bào - thực hiện hô hấp hiếu khí, mà là dựa trên một nhóm các phản ứng enzyme cái gọi là chuỗi hô hấp xảy ra ở bào quan - mitochondria. Trong các sinh vật prokaryote - vi khuẩn quang hợp Phototrophic và cyanobacteria - quá trình oxy hóa các chất dinh dưỡng xảy ra dưới ảnh hưởng của oxy khuếch tán vào tế bào trong protuberances nội bộ của màng plasma.

Chúng tôi có tổ chức hóa học của tế bào đã được nghiên cứu, cũng như các quá trình tổng hợp protein và chức năng oxy trong quá trình chuyển hóa năng lượng của tế bào.