Mwishoni mwa karne ya 19, tawi la biolojia linaloitwa biokemia liliundwa. Inachunguza muundo wa kemikali wa seli hai. Kazi kuu ya sayansi ni ujuzi wa sifa za kimetaboliki na nishati ambayo inadhibiti shughuli muhimu ya seli za mimea na wanyama.
Dhana ya muundo wa kemikali ya seli
Kutokana na utafiti makini, wanasayansi wamechunguza mpangilio wa kemikali wa seli na kugundua kuwa viumbe hai vina zaidi ya elementi 85 za kemikali katika muundo wao. Aidha, baadhi yao ni wajibu kwa karibu viumbe vyote, wakati wengine ni maalum na hupatikana katika aina maalum za kibiolojia. Na kundi la tatu la vipengele vya kemikali lipo katika seli za microorganisms, mimea na wanyama kwa kiasi kidogo. Seli huwa na vitu vya kemikali mara nyingi katika mfumo wa cations na anions, ambayo chumvi ya madini na maji huundwa, na misombo ya kikaboni iliyo na kaboni huundwa: wanga, protini, lipids.
Vipengele vya organogenic
Katika biokemia hizi ni pamoja na kaboni, hidrojeni,oksijeni na nitrojeni. Jumla yao katika seli ni kutoka 88 hadi 97% ya vipengele vingine vya kemikali ndani yake. Carbon ni muhimu hasa. Dutu zote za kikaboni katika muundo wa seli huundwa na molekuli zilizo na atomi za kaboni katika muundo wao. Wana uwezo wa kuunganishwa kwa kila mmoja, kutengeneza minyororo (matawi na isiyo na matawi), pamoja na mzunguko. Uwezo huu wa atomi za kaboni ndio msingi wa aina mbalimbali za ajabu za dutu za kikaboni zinazounda saitoplazimu na seli za seli.
Kwa mfano, maudhui ya ndani ya seli hujumuisha oligosaccharides mumunyifu, protini haidrofili, lipids, aina mbalimbali za asidi ya ribonucleic: uhamisho wa RNA, ribosomal RNA na messenger RNA, pamoja na monoma zisizolipishwa - nyukleotidi. Kiini cha seli kina muundo sawa wa kemikali. Pia ina molekuli za asidi ya deoksiribonucleic ambazo ni sehemu ya kromosomu. Misombo yote hapo juu ina atomi za nitrojeni, kaboni, oksijeni, hidrojeni. Huu ni uthibitisho wa umuhimu wao muhimu hasa, kwa kuwa mpangilio wa kemikali wa seli hutegemea maudhui ya vipengele vya organogenic vinavyounda miundo ya seli: hyaloplasm na organelles.
Vipengee vikubwa na maana zake
Elementi za kemikali, ambazo pia hupatikana sana katika seli za aina mbalimbali za viumbe, huitwa macronutrients katika biokemia. Maudhui yao katika seli ni 1.2% - 1.9%. Macroelements ya seli ni pamoja na: fosforasi, potasiamu, klorini, sulfuri, magnesiamu, kalsiamu, chuma na sodiamu. Wote hufanya kazi muhimu na ni sehemu ya anuwaiorganelles za seli. Kwa hivyo, ioni ya feri iko kwenye protini ya damu - himoglobini, ambayo husafirisha oksijeni (katika hali hii inaitwa oksihimoglobini), kaboni dioksidi (carbohemoglobin) au monoksidi kaboni (carboxyhemoglobin).
Ioni za sodiamu hutoa aina muhimu zaidi ya usafiri baina ya seli: ile inayoitwa pampu ya sodiamu-potasiamu. Pia ni sehemu ya maji ya unganishi na plasma ya damu. Ioni za magnesiamu zipo katika molekuli za klorofili (pigmenti ya mimea ya juu) na hushiriki katika mchakato wa usanisinuru, huku zikiunda vituo vya athari ambavyo vinanasa fotoni za nishati ya mwanga.
Ioni za kalsiamu hutoa upitishaji wa misukumo ya neva kando ya nyuzi, na pia ni sehemu kuu ya osteocytes - seli za mfupa. Michanganyiko ya kalsiamu inasambazwa kwa wingi katika ulimwengu wa wanyama wasio na uti wa mgongo, ambao maganda yao yanajumuisha calcium carbonate.
ayoni za klorini huhusika katika kuchaji upya kwa membrane za seli na kutoa utokeaji wa msukumo wa umeme unaosababisha msisimko wa neva.
Atomu za sulfuri ni sehemu ya protini asilia na huamua muundo wao wa hali ya juu kwa "kuunganisha" mnyororo wa polipeptidi, na kusababisha kuundwa kwa molekuli ya protini ya globula.
Ioni za potasiamu huhusika katika usafirishaji wa dutu kwenye membrane ya seli. Atomu za fosforasi ni sehemu ya dutu muhimu inayotumia nishati nyingi kama vile adenosine triphosphoric acid, na pia ni sehemu muhimu ya molekuli za deoxyribonucleic na ribonucleic acid, ambazo ni dutu kuu za urithi wa seli.
Utendaji wa vipengele vya ufuatiliaji kwenye simu ya mkononikimetaboliki
Takriban vipengele 50 vya kemikali vinavyounda chini ya 0.1% katika seli huitwa trace elements. Hizi ni pamoja na zinki, molybdenum, iodini, shaba, cob alt, fluorine. Kwa maudhui yasiyo ya maana, hufanya kazi muhimu sana, kwa kuwa ni sehemu ya dutu nyingi za kibiolojia.
Kwa mfano, atomi za zinki hupatikana katika molekuli za insulini (homoni ya kongosho ambayo hudhibiti viwango vya sukari kwenye damu), iodini ni sehemu muhimu ya homoni za tezi - thyroxine na triiodothyronine, ambazo hudhibiti kiwango cha kimetaboliki katika damu. mwili. Shaba, pamoja na ioni za chuma, inashiriki katika hematopoiesis (malezi ya erythrocytes, sahani na leukocytes katika uboho mwekundu wa vertebrates). Ioni za shaba ni sehemu ya rangi ya hemocyanini iliyopo kwenye damu ya wanyama wasio na uti wa mgongo, kama vile moluska. Kwa hivyo, rangi ya hemolymph yao ni bluu.
Maudhui machache zaidi katika seli ya vipengele vya kemikali kama vile risasi, dhahabu, bromini, fedha. Wanaitwa ultramicroelements na ni sehemu ya seli za mimea na wanyama. Kwa mfano, ioni za dhahabu ziligunduliwa kwenye punje za mahindi kwa uchambuzi wa kemikali. Atomi za bromini kwa wingi ni sehemu ya seli za thallus ya mwani wa kahawia na nyekundu, kama vile sargassum, kelp, fucus.
Mifano na ukweli wote ulio hapo juu unaelezea jinsi utungaji wa kemikali, utendakazi na muundo wa seli umeunganishwa. Jedwali hapa chini linaonyesha maudhui ya vipengele mbalimbali vya kemikali katika seli za viumbe hai.
Sifa za jumla za dutu-hai
Sifa za kemikali za seli za vikundi mbalimbali vya viumbe kwa namna fulani hutegemea atomi za kaboni, sehemu ambayo ni zaidi ya 50% ya molekuli ya seli. Karibu vitu vyote vya kavu vya seli vinawakilishwa na wanga, protini, asidi ya nucleic na lipids, ambayo ina muundo tata na uzito mkubwa wa Masi. Molekuli hizo huitwa macromolecules (polima) na zinajumuisha vipengele rahisi - monomers. Dutu za protini zina jukumu muhimu sana na hufanya kazi nyingi, ambazo zitajadiliwa hapa chini.
Jukumu la protini katika seli
Uchambuzi wa kemikali ya kibayolojia wa misombo inayounda chembe hai huthibitisha maudhui ya juu ya vitu vya kikaboni kama vile protini ndani yake. Kuna maelezo ya kimantiki kwa ukweli huu: protini hufanya kazi mbalimbali na zinahusika katika udhihirisho wote wa maisha ya seli.
Kwa mfano, utendakazi wa ulinzi wa protini ni uundaji wa kingamwili - immunoglobulini zinazozalishwa na lymphocyte. Protini za kinga kama vile thrombin, fibrin na thromboblastin hutoa kuganda kwa damu na kuzuia upotezaji wake wakati wa majeraha na majeraha. Muundo wa seli ni pamoja na protini tata za membrane za seli ambazo zina uwezo wa kutambua misombo ya kigeni - antijeni. Hubadilisha usanidi wao na kufahamisha seli kuhusu hatari inayoweza kutokea (utendaji wa ishara).
Baadhi ya protini zina kazi ya udhibiti na ni homoni, kwa mfano, oxytocin inayozalishwa na hypothalamus huhifadhiwa na tezi ya pituitari. Kutoka kwake hadidamu, oxytocin hufanya kazi kwenye kuta za misuli ya uterasi, na kusababisha kupunguzwa. Protini ya vasopressin pia ina kazi ya udhibiti, kudhibiti shinikizo la damu.
Kwenye seli za misuli kuna actini na myosin zinazoweza kusinyaa, ambayo huamua utendaji kazi wa tishu za misuli. Protini pia zina kazi ya trophic, kwa mfano, albumin hutumiwa na kiinitete kama virutubisho kwa ukuaji wake. Protini za damu za viumbe mbalimbali, kama vile hemoglobin na hemocyanin, hubeba molekuli za oksijeni - hufanya kazi ya usafiri. Ikiwa vitu vinavyotumia nishati nyingi zaidi kama vile wanga na lipids vitatumiwa kikamilifu, seli huendelea kuvunja protini. Gramu moja ya dutu hii inatoa 17.2 kJ ya nishati. Moja ya kazi muhimu zaidi za protini ni kichocheo (protini za enzyme huharakisha athari za kemikali zinazotokea katika sehemu za cytoplasm). Kulingana na yaliyotangulia, tulisadikishwa kwamba protini hufanya kazi nyingi muhimu sana na lazima ni sehemu ya seli ya wanyama.
Biosynthesis ya protini
Zingatia mchakato wa usanisi wa protini katika seli, ambao hutokea kwenye saitoplazimu kwa usaidizi wa viungo kama vile ribosomu. Shukrani kwa shughuli za enzymes maalum, pamoja na ushiriki wa ioni za kalsiamu, ribosomes hujumuishwa katika polysomes. Kazi kuu za ribosomes katika seli ni awali ya molekuli za protini, ambayo huanza na mchakato wa kuandika. Matokeo yake, molekuli za mRNA zinaunganishwa, ambazo polysomes huunganishwa. Kisha mchakato wa pili huanza - tafsiri. Kuhamisha RNAkuchanganya na aina ishirini tofauti za amino asidi na kuzileta kwa polysomes, na kwa kuwa kazi za ribosomes katika seli ni awali ya polypeptides, organelles hizi huunda complexes na tRNA, na molekuli za amino asidi hufunga kwa kila mmoja kwa vifungo vya peptidi, na kutengeneza macromolecule ya protini.
Jukumu la maji katika michakato ya kimetaboliki
Tafiti za Kisaikolojia zimethibitisha ukweli kwamba seli, muundo na muundo ambao tunasoma, ni wastani wa 70% ya maji, na katika wanyama wengi wanaoongoza maisha ya majini (kwa mfano, coelenterates), maudhui hufikia 97-98%. Kwa kuzingatia hili, shirika la kemikali la seli ni pamoja na hydrophilic (uwezo wa kufuta) na vitu vya hydrophobic (maji-repellent). Kuwa kutengenezea kwa polar kwa ulimwengu wote, maji yana jukumu la kipekee na huathiri moja kwa moja sio kazi tu, bali pia muundo wa seli. Jedwali hapa chini linaonyesha kiwango cha maji katika seli za aina mbalimbali za viumbe hai.
Utendaji kazi wa wanga kwenye seli
Kama tulivyogundua hapo awali, wanga pia ni dutu-hai muhimu - polima. Hizi ni pamoja na polysaccharides, oligosaccharides na monosaccharides. Wanga ni sehemu ya changamano changamano zaidi - glycolipids na glycoproteini, ambapo utando wa seli na miundo ya supra-membrane, kama vile glycocalyx, hutengenezwa.
Mbali na kaboni, kabohaidreti ina atomi za oksijeni na hidrojeni, na baadhi ya polisakaridi pia zina nitrojeni, salfa na fosforasi. Kuna mengi ya wanga katika seli za mimea: mizizi ya viazivina hadi 90% ya wanga, mbegu na matunda yana hadi 70% ya wanga, na katika seli za wanyama hupatikana katika muundo wa misombo kama vile glycogen, chitin na trehalose.
Sukari rahisi (monosaccharides) ina fomula ya jumla CnH2nOn na imegawanywa katika tetroses, trioses, pentoses na hexoses. Mbili za mwisho ndizo zinazojulikana zaidi katika seli za viumbe hai, kwa mfano, ribose na deoxyribose ni sehemu ya asidi ya nucleic, na glukosi na fructose hushiriki katika athari za uigaji na uharibifu. Oligosaccharides mara nyingi hupatikana katika seli za mimea: sucrose huhifadhiwa kwenye seli za beet ya sukari na miwa, m altose hupatikana katika nafaka zilizoota za shayiri na shayiri.
Disaccharides zina ladha tamu na huyeyuka vizuri kwenye maji. Polysaccharides, kuwa biopolymers, huwakilishwa hasa na wanga, selulosi, glycogen na laminarin. Chitin ni ya aina za miundo ya polysaccharides. Kazi kuu ya wanga katika seli ni nishati. Kama matokeo ya hidrolisisi na athari za kimetaboliki ya nishati, polysaccharides huvunjwa hadi glukosi, na kisha hutiwa oksidi kwa dioksidi kaboni na maji. Kwa hivyo, gramu moja ya glukosi hutoa 17.6 kJ ya nishati, na maduka ya wanga na glycojeni, kwa kweli, ni hifadhi ya nishati ya seli.
Glycogen huhifadhiwa hasa kwenye tishu za misuli na seli za ini, wanga ya mboga kwenye mizizi, balbu, mizizi, mbegu, na katika arthropods kama vile buibui, wadudu na crustaceans, trehalose oligosaccharide ina jukumu kubwa katika usambazaji wa nishati.
Wangahutofautiana na lipids na protini katika uwezo wao wa kupasua bila oksijeni. Hii ni muhimu sana kwa viumbe wanaoishi katika hali ya upungufu au kutokuwepo kwa oksijeni, kama vile bakteria anaerobic na helminths - vimelea vya binadamu na wanyama.
Kuna kazi nyingine ya wanga kwenye seli - kujenga (muundo). Iko katika ukweli kwamba vitu hivi ni miundo inayounga mkono ya seli. Kwa mfano, selulosi ni sehemu ya kuta za seli za mimea, chitin huunda mifupa ya nje ya invertebrates nyingi na hupatikana katika seli za kuvu, olisaccharides, pamoja na molekuli za lipid na protini, huunda glycocalyx - tata ya epimembrane. Inatoa mshikamano - mshikamano wa seli za wanyama kwa kila mmoja, na kusababisha uundaji wa tishu.
Lipids: muundo na utendaji
Dutu hizi za kikaboni, ambazo ni haidrofobu (haziyeyuki katika maji), zinaweza kutolewa, yaani, kutolewa kwenye seli, kwa kutumia viyeyusho visivyo vya polar kama vile asetoni au klorofomu. Kazi za lipids katika seli hutegemea ni kikundi gani kati ya vikundi vitatu vilivyomo: mafuta, nta, au steroids. Mafuta ndiyo hupatikana kwa wingi katika aina zote za seli.
Wanyama huzirundika kwenye tishu za adipose chini ya ngozi, tishu za neva huwa na mafuta katika mfumo wa maganda ya myelin ya neva. Pia hujilimbikiza kwenye figo, ini, katika wadudu - katika mwili wa mafuta. Mafuta ya kioevu - mafuta - hupatikana katika mbegu za mimea mingi: mierezi, karanga, alizeti, mizeituni. Maudhui ya lipids katika seli huanzia 5 hadi 90% (katika tishu za adipose).
Steroidi na ntahutofautiana na mafuta kwa kuwa hawana mabaki ya asidi ya mafuta katika molekuli zao. Kwa hivyo, steroids ni homoni za adrenal cortex zinazoathiri kubalehe kwa mwili na ni vipengele vya testosterone. Pia zinapatikana katika vitamini (kama vile vitamini D).
Kazi kuu za lipids kwenye seli ni nishati, ujenzi na kinga. Ya kwanza ni kutokana na ukweli kwamba gramu 1 ya mafuta wakati wa kugawanyika hutoa 38.9 kJ ya nishati - zaidi ya vitu vingine vya kikaboni - protini na wanga. Kwa kuongeza, wakati wa oxidation ya 1 g ya mafuta, karibu 1.1 g hutolewa. maji. Ndiyo maana wanyama wengine, wakiwa na ugavi wa mafuta katika mwili wao, wanaweza kuwa bila maji kwa muda mrefu. Kwa mfano, gopher wanaweza kulala kwa zaidi ya miezi miwili bila kuhitaji maji, na ngamia hanywi maji anapovuka jangwa kwa siku 10-12.
Jukumu la ujenzi wa lipids ni kwamba ni sehemu muhimu ya utando wa seli, na pia ni sehemu ya neva. Kazi ya kinga ya lipids ni kwamba safu ya mafuta chini ya ngozi karibu na figo na viungo vingine vya ndani huwalinda kutokana na kuumia kwa mitambo. Kazi maalum ya insulation ya mafuta ni ya asili kwa wanyama walio ndani ya maji kwa muda mrefu: nyangumi, mihuri, mihuri ya manyoya. Safu nene ya mafuta chini ya ngozi, kwa mfano, katika nyangumi bluu ni 0.5 m, inalinda mnyama kutokana na hypothermia.
Umuhimu wa oksijeni katika kimetaboliki ya seli
Viumbe aerobiki, vinavyojumuisha idadi kubwa ya wanyama, mimea na binadamu, hutumia oksijeni ya angahewa kwa athari za kimetaboliki ya nishati,kusababisha kuvunjika kwa vitu vya kikaboni na kutolewa kwa kiasi fulani cha nishati iliyokusanywa katika mfumo wa molekuli ya adenosine triphosphoric acid.
Kwa hivyo, pamoja na uoksidishaji kamili wa mole moja ya glukosi, ambayo hutokea kwenye cristae ya mitochondria, 2800 kJ ya nishati hutolewa, ambayo 1596 kJ (55%) huhifadhiwa katika mfumo wa molekuli za ATP zenye macroergic. vifungo. Kwa hiyo, kazi kuu ya oksijeni katika seli ni utekelezaji wa kupumua kwa aerobic, ambayo inategemea kundi la athari za enzymatic ya kinachojulikana mnyororo wa kupumua, unaotokea katika organelles za mkononi - mitochondria. Katika viumbe vya prokaryotic - bakteria ya phototrophic na cyanobacteria - uoksidishaji wa virutubisho hutokea chini ya hatua ya oksijeni kuenea ndani ya seli kwenye nje ya ndani ya membrane ya plasma.
Tulichunguza mpangilio wa kemikali wa seli, na vile vile michakato ya usanisi wa protini na utendakazi wa oksijeni katika kimetaboliki ya nishati ya seli.
