19. gadsimta beigās izveidojās bioloģijas nozare, ko sauca par bioķīmiju. Tas pēta dzīvas šūnas ķīmisko sastāvu. Zinātnes galvenais uzdevums ir zināšanas par vielmaiņas un enerģijas īpašībām, kas regulē augu un dzīvnieku šūnu dzīvībai svarīgo darbību.
Šūnas ķīmiskā sastāva jēdziens
Rūpīgas izpētes rezultātā zinātnieki ir izpētījuši šūnu ķīmisko organizāciju un atklājuši, ka dzīvu būtņu sastāvā ir vairāk nekā 85 ķīmiskie elementi. Turklāt daži no tiem ir obligāti gandrīz visiem organismiem, bet citi ir specifiski un sastopami noteiktās bioloģiskās sugās. Un trešā ķīmisko elementu grupa ir sastopama mikroorganismu, augu un dzīvnieku šūnās diezgan mazos daudzumos. Šūnas satur ķīmiskos elementus visbiežāk katjonu un anjonu veidā, no kuriem veidojas minerālsāļi un ūdens, un tiek sintezēti oglekli saturoši organiskie savienojumi: ogļhidrāti, olb altumvielas, lipīdi.
Organogēni elementi
Bioķīmijā tie ietver oglekli, ūdeņradi,skābeklis un slāpeklis. To kopums šūnā ir no 88 līdz 97% no citiem tajā esošajiem ķīmiskajiem elementiem. Īpaši svarīgs ir ogleklis. Visas šūnas sastāvā esošās organiskās vielas sastāv no molekulām, kuru sastāvā ir oglekļa atomi. Tie spēj savienoties savā starpā, veidojot ķēdes (sazarotas un nesazarotas), kā arī ciklus. Šī oglekļa atomu spēja ir pamatā organisko vielu apbrīnojamajai daudzveidībai, kas veido citoplazmu un šūnu organellus.
Piemēram, šūnas iekšējo saturu veido šķīstošie oligosaharīdi, hidrofilie proteīni, lipīdi, dažāda veida ribonukleīnskābes: pārneses RNS, ribosomu RNS un messenger RNS, kā arī brīvie monomēri - nukleotīdi. Šūnas kodolam ir līdzīgs ķīmiskais sastāvs. Tas satur arī dezoksiribonukleīnskābes molekulas, kas ir daļa no hromosomām. Visi iepriekš minētie savienojumi satur slāpekļa, oglekļa, skābekļa, ūdeņraža atomus. Tas liecina par to īpaši svarīgo nozīmi, jo šūnu ķīmiskā organizācija ir atkarīga no organogēno elementu satura, kas veido šūnu struktūras: hialoplazmu un organellus.
Makro elementi un to nozīmes
Ķīmiskie elementi, kas ļoti bieži sastopami arī dažāda veida organismu šūnās, bioķīmijā tiek saukti par makroelementiem. To saturs šūnā ir 1,2% - 1,9%. Šūnas makroelementi ir: fosfors, kālijs, hlors, sērs, magnijs, kalcijs, dzelzs un nātrijs. Visi no tiem veic svarīgas funkcijas un ir daļa no dažādāmšūnu organoīdi. Tātad dzelzs jons atrodas asins proteīnā - hemoglobīnā, kas transportē skābekli (šajā gadījumā to sauc par oksihemoglobīnu), oglekļa dioksīdu (karbohemoglobīnu) vai oglekļa monoksīdu (karboksihemoglobīnu).
Nātrija joni nodrošina vissvarīgāko starpšūnu transporta veidu: tā saukto nātrija-kālija sūkni. Tie ir arī daļa no intersticiālā šķidruma un asins plazmas. Magnija joni atrodas hlorofila molekulās (augstāku augu fotopigmentā) un piedalās fotosintēzes procesā, jo veido reakcijas centrus, kas aiztur gaismas enerģijas fotonus.
Kalcija joni nodrošina nervu impulsu vadīšanu pa šķiedrām, kā arī ir galvenā osteocītu – kaulu šūnu sastāvdaļa. Kalcija savienojumi ir plaši izplatīti bezmugurkaulnieku pasaulē, kuru čaumalas sastāv no kalcija karbonāta.
Hlora joni ir iesaistīti šūnu membrānu uzlādē un nodrošina elektrisko impulsu rašanos, kas ir nervu uzbudinājuma pamatā.
Sēra atomi ir daļa no dabīgajiem proteīniem un nosaka to terciāro struktūru, "savienojot" polipeptīdu ķēdi, kā rezultātā veidojas lodveida proteīna molekula.
Kālija joni ir iesaistīti vielu transportēšanā cauri šūnu membrānām. Fosfora atomi ir daļa no tādas svarīgas energoietilpīgas vielas kā adenozīntrifosforskābe, kā arī svarīga sastāvdaļa dezoksiribonukleīnskābes un ribonukleīnskābes molekulās, kas ir galvenās šūnu iedzimtības vielas.
Mikroelementu funkcijas šūnāvielmaiņa
Apmēram 50 ķīmiskos elementus, kas šūnās veido mazāk par 0,1%, sauc par mikroelementiem. Tajos ietilpst cinks, molibdēns, jods, varš, kob alts, fluors. Ar nenozīmīgu saturu tie veic ļoti svarīgas funkcijas, jo ir daļa no daudzām bioloģiski aktīvām vielām.
Piemēram, cinka atomi ir atrodami insulīna (aizkuņģa dziedzera hormona, kas regulē glikozes līmeni asinīs) molekulās, jods ir neatņemama vairogdziedzera hormonu - tiroksīna un trijodtironīna - sastāvdaļa, kas regulē vielmaiņas līmeni organismā. ķermenis. Varš kopā ar dzelzs joniem ir iesaistīts hematopoēzē (eritrocītu, trombocītu un leikocītu veidošanās mugurkaulnieku sarkanajās kaulu smadzenēs). Vara joni ir daļa no hemocianīna pigmenta, kas atrodas bezmugurkaulnieku, piemēram, gliemju, asinīs. Tāpēc viņu hemolimfas krāsa ir zila.
Vēl mazāks saturs šūnā tādu ķīmisko elementu kā svins, zelts, broms, sudrabs. Tos sauc par ultramikroelementiem un ir daļa no augu un dzīvnieku šūnām. Piemēram, zelta joni tika atklāti kukurūzas graudos ar ķīmisko analīzi. Broma atomi lielos daudzumos ir brūno un sarkano aļģu, piemēram, sargassum, brūnaļģu, fucus, talusa šūnu daļa.
Visi iepriekš minētie piemēri un fakti izskaidro, kā šūnas ķīmiskais sastāvs, funkcijas un struktūra ir savstarpēji saistītas. Zemāk esošajā tabulā parādīts dažādu ķīmisko elementu saturs dzīvo organismu šūnās.
Organisko vielu vispārīgās īpašības
Dažādu organismu grupu šūnu ķīmiskās īpašības noteiktā veidā ir atkarīgas no oglekļa atomiem, kuru īpatsvars ir vairāk nekā 50% no šūnu masas. Gandrīz visu šūnas sauso vielu veido ogļhidrāti, olb altumvielas, nukleīnskābes un lipīdi, kuriem ir sarežģīta struktūra un liela molekulmasa. Šādas molekulas sauc par makromolekulām (polimēriem) un sastāv no vienkāršākiem elementiem - monomēriem. Olb altumvielām ir ārkārtīgi svarīga loma un tās veic daudzas funkcijas, kas tiks apspriestas turpmāk.
Olb altumvielu loma šūnā
Dzīvu šūnu veidojošo savienojumu bioķīmiskā analīze apstiprina tādu organisko vielu kā proteīnu lielo saturu tajā. Šim faktam ir loģisks izskaidrojums: proteīni pilda dažādas funkcijas un ir iesaistīti visās šūnu dzīves izpausmēs.
Piemēram, proteīnu aizsargfunkcija ir antivielu – limfocītu ražoto imūnglobulīnu veidošanās. Aizsargājoši proteīni, piemēram, trombīns, fibrīns un tromboblastīns, nodrošina asins recēšanu un novērš tā zudumu traumu un brūču laikā. Šūnas sastāvā ietilpst sarežģīti šūnu membrānu proteīni, kuriem piemīt spēja atpazīt svešus savienojumus – antigēnus. Tie maina savu konfigurāciju un informē šūnu par iespējamām briesmām (signalizācijas funkcija).
Dažiem proteīniem ir regulējoša funkcija un tie ir hormoni, piemēram, oksitocīnu, ko ražo hipotalāmu, rezervē hipofīze. No tā līdzasinis, oksitocīns iedarbojas uz dzemdes muskuļu sieniņām, izraisot tās kontrakciju. Proteīnam vazopresīnam ir arī regulējoša funkcija, kas kontrolē asinsspiedienu.
Muskuļu šūnās ir aktīns un miozīns, kas var sarauties, kas nosaka muskuļu audu motorisko funkciju. Olb altumvielām ir arī trofiskā funkcija, piemēram, albumīnu embrijs izmanto kā barības vielu tā attīstībai. Dažādu organismu asins proteīni, piemēram, hemoglobīns un hemocianīns, pārnēsā skābekļa molekulas – veic transporta funkciju. Ja tiek pilnībā izmantotas energoietilpīgākas vielas, piemēram, ogļhidrāti un lipīdi, šūna sāk sadalīt olb altumvielas. Viens grams šīs vielas dod 17,2 kJ enerģijas. Viena no svarīgākajām olb altumvielu funkcijām ir katalītiskā (enzīmu proteīni paātrina ķīmiskās reakcijas, kas notiek citoplazmas nodalījumos). Pamatojoties uz iepriekš minēto, mēs bijām pārliecināti, ka olb altumvielas veic daudzas ļoti svarīgas funkcijas un obligāti ir daļa no dzīvnieka šūnas.
Olb altumvielu biosintēze
Apsveriet proteīnu sintēzes procesu šūnā, kas notiek citoplazmā ar organellu, piemēram, ribosomu, palīdzību. Pateicoties īpašu enzīmu aktivitātei, piedaloties kalcija joniem, ribosomas tiek apvienotas polisomās. Galvenās ribosomu funkcijas šūnā ir olb altumvielu molekulu sintēze, kas sākas ar transkripcijas procesu. Rezultātā tiek sintezētas mRNS molekulas, kurām tiek pievienotas polisomas. Tad sākas otrais process – tulkošana. Pārnest RNSapvienojas ar divdesmit dažāda veida aminoskābēm un nogādā tās polisomās, un, tā kā ribosomu funkcijas šūnā ir polipeptīdu sintēze, šīs organellas veido kompleksus ar tRNS, un aminoskābju molekulas savstarpēji saistās ar peptīdu saitēm, veidojot proteīna makromolekula.
Ūdens loma vielmaiņas procesos
Citoloģiskie pētījumi ir apstiprinājuši faktu, ka šūnā, kuras struktūru un sastāvu mēs pētām, vidēji 70% ir ūdens, un daudziem dzīvniekiem, kas vada ūdens dzīvesveidu (piemēram, koelenterāti), tās saturs sasniedz 97-98 %. Paturot to prātā, šūnu ķīmiskā organizācija ietver hidrofilas (spējīgas šķīst) un hidrofobas (ūdeni atgrūdošas) vielas. Tā kā ūdens ir universāls polārs šķīdinātājs, tam ir izņēmuma loma un tas tieši ietekmē ne tikai šūnas funkcijas, bet arī pašu struktūru. Zemāk esošajā tabulā parādīts ūdens saturs dažāda veida dzīvo organismu šūnās.
Ogļhidrātu funkcija šūnā
Kā noskaidrojām iepriekš, ogļhidrāti ir arī svarīgas organiskās vielas – polimēri. Tajos ietilpst polisaharīdi, oligosaharīdi un monosaharīdi. Ogļhidrāti ir daļa no sarežģītākiem kompleksiem – glikolipīdiem un glikoproteīniem, no kuriem tiek veidotas šūnu membrānas un virsmembrānas struktūras, piemēram, glikokalikss.
Papildus ogleklim ogļhidrāti satur skābekļa un ūdeņraža atomus, un daži polisaharīdi satur arī slāpekli, sēru un fosforu. Augu šūnās ir daudz ogļhidrātu: kartupeļu bumbuļossatur līdz 90% cietes, sēklas un augļi satur līdz 70% ogļhidrātu, un dzīvnieku šūnās tie ir sastopami tādu savienojumu veidā kā glikogēns, hitīns un trehaloze.
Vienkāršajiem cukuriem (monosaharīdiem) ir vispārīgā formula CnH2nOn, un tos iedala tetrozēs, triozēs, pentozēs un heksozēs. Pēdējie divi ir visizplatītākie dzīvo organismu šūnās, piemēram, riboze un dezoksiriboze ir daļa no nukleīnskābēm, bet glikoze un fruktoze piedalās asimilācijas un disimilācijas reakcijās. Oligosaharīdi bieži atrodami augu šūnās: saharoze tiek uzkrāta cukurbiešu un cukurniedru šūnās, m altoze ir atrodama rudzu un miežu diedzētos graudos.
Disaharīdiem ir salda garša un tie labi šķīst ūdenī. Polisaharīdus, kas ir biopolimēri, galvenokārt pārstāv ciete, celuloze, glikogēns un laminarīns. Hitīns pieder pie polisaharīdu strukturālajām formām. Galvenā ogļhidrātu funkcija šūnā ir enerģija. Hidrolīzes un enerģijas metabolisma reakciju rezultātā polisaharīdi tiek sadalīti līdz glikozei, un pēc tam tā tiek oksidēta līdz oglekļa dioksīdam un ūdenim. Rezultātā viens grams glikozes atbrīvo 17,6 kJ enerģijas, un cietes un glikogēna krājumi faktiski ir šūnu enerģijas rezervuārs.
Glikogēns tiek uzglabāts galvenokārt muskuļu audos un aknu šūnās, augu ciete bumbuļos, sīpolos, saknēs, sēklās un posmkājiem, piemēram, zirnekļos, kukaiņos un vēžveidīgajos, trehalozes oligosaharīdam ir liela nozīme enerģijas apgādē.
Ogļhidrātiatšķiras no lipīdiem un olb altumvielām ar spēju bez skābekļa šķelties. Tas ir ārkārtīgi svarīgi organismiem, kas dzīvo skābekļa deficīta vai trūkuma apstākļos, piemēram, anaerobām baktērijām un helmintiem – cilvēku un dzīvnieku parazītiem.
Šūnā ir vēl viena ogļhidrātu funkcija – veidošana (strukturālā). Tas slēpjas faktā, ka šīs vielas ir šūnu atbalsta struktūras. Piemēram, celuloze ir daļa no augu šūnu sieniņām, hitīns veido daudzu bezmugurkaulnieku ārējo skeletu un atrodas sēnīšu šūnās, olisaharīdi kopā ar lipīdu un olb altumvielu molekulām veido glikokaliksu – epimembrānu kompleksu. Tas nodrošina adhēziju – dzīvnieku šūnu saķeri savā starpā, izraisot audu veidošanos.
Lipīdi: struktūra un funkcijas
Šīs organiskās vielas, kas ir hidrofobas (ūdenī nešķīstošās), var ekstrahēt, tas ir, ekstrahēt no šūnām, izmantojot nepolārus šķīdinātājus, piemēram, acetonu vai hloroformu. Lipīdu funkcijas šūnā ir atkarīgas no tā, kurai no trim grupām tie pieder: taukiem, vaskiem vai steroīdiem. Tauki ir visvairāk sastopami visos šūnu veidos.
Dzīvnieki tos uzkrāj zemādas taukaudos, nervu audi satur taukus nervu mielīna apvalku veidā. Tas uzkrājas arī nierēs, aknās, kukaiņos - tauku ķermenī. Šķidrie tauki – eļļas – ir atrodami daudzu augu sēklās: ciedra, zemesriekstu, saulespuķu, olīvu. Lipīdu saturs šūnās svārstās no 5 līdz 90% (taukaudos).
Steroīdi un vaskiatšķiras no taukiem ar to, ka to molekulās nav taukskābju atlikumu. Tātad, steroīdi ir virsnieru garozas hormoni, kas ietekmē ķermeņa pubertāti un ir testosterona sastāvdaļas. Tie ir atrodami arī vitamīnos (piemēram, D vitamīnā).
Galvenās lipīdu funkcijas šūnā ir enerģētika, veidošana un aizsardzība. Pirmais ir saistīts ar to, ka 1 grams tauku sadalīšanas laikā dod 38,9 kJ enerģijas - daudz vairāk nekā citas organiskās vielas - olb altumvielas un ogļhidrāti. Turklāt 1 g tauku oksidēšanās laikā izdalās gandrīz 1,1 g. ūdens. Tāpēc daži dzīvnieki, kam organismā ir tauku krājumi, ilgstoši var iztikt bez ūdens. Piemēram, goferi var pārziemot ilgāk par diviem mēnešiem bez ūdens nepieciešamības, un kamielis nedzer ūdeni, šķērsojot tuksnesi 10–12 dienas.
Lipīdi veidojošā funkcija ir tā, ka tie ir šūnu membrānu un arī nervu sastāvdaļa. Lipīdu aizsargfunkcija ir tāda, ka tauku slānis zem ādas ap nierēm un citiem iekšējiem orgāniem pasargā tos no mehāniskiem ievainojumiem. Īpaša siltumizolācijas funkcija ir raksturīga dzīvniekiem, kas ilgstoši atrodas ūdenī: vaļiem, roņiem, kažokādas roņiem. Biezs zemādas tauku slānis, piemēram, zilajam valim ir 0,5 m, tas pasargā dzīvnieku no hipotermijas.
Skābekļa nozīme šūnu metabolismā
Aerobi organismi, tostarp lielākā daļa dzīvnieku, augu un cilvēku, izmanto atmosfēras skābekli enerģijas metabolisma reakcijām,kas noved pie organisko vielu sadalīšanās un noteikta enerģijas daudzuma izdalīšanās, kas uzkrāta adenozīntrifosforskābes molekulu veidā.
Tādējādi, pilnībā oksidējoties vienam glikozes molam, kas notiek uz mitohondriju kristāliem, tiek atbrīvoti 2800 kJ enerģijas, no kuriem 1596 kJ (55%) tiek uzkrāti makroerģisku saturošu ATP molekulu veidā. obligācijas. Tādējādi galvenā skābekļa funkcija šūnā ir aerobās elpošanas īstenošana, kuras pamatā ir tā sauktās elpošanas ķēdes enzīmu reakciju grupa, kas notiek šūnu organellās - mitohondrijās. Prokariotu organismos - fototrofās baktērijās un zilaļģēs - barības vielu oksidēšanās notiek skābekļa iedarbībā, kas izkliedējas šūnās uz plazmas membrānu iekšējiem izaugumiem.
Pētījām šūnu ķīmisko organizāciju, kā arī proteīnu biosintēzes procesus un skābekļa funkciju šūnu enerģijas metabolismā.
