Pod koniec XIX wieku powstała gałąź biologii zwana biochemią. Bada skład chemiczny żywej komórki. Głównym zadaniem nauki jest poznanie właściwości metabolizmu i energii, które regulują życiową aktywność komórek roślinnych i zwierzęcych.
Pojęcie składu chemicznego komórki
W wyniku dokładnych badań naukowcy zbadali chemiczną organizację komórek i odkryli, że żywe istoty zawierają w swoim składzie ponad 85 pierwiastków chemicznych. Co więcej, niektóre z nich są obowiązkowe dla prawie wszystkich organizmów, podczas gdy inne są specyficzne i występują w określonych gatunkach biologicznych. A trzecia grupa pierwiastków chemicznych występuje w komórkach mikroorganizmów, roślin i zwierząt w dość małych ilościach. Komórki zawierają pierwiastki chemiczne najczęściej w postaci kationów i anionów, z których powstają sole mineralne i woda oraz syntetyzowane są związki organiczne zawierające węgiel: węglowodany, białka, lipidy.
Pierwiastki organiczne
W biochemii obejmują one węgiel, wodór,tlen i azot. Ich suma w komórce stanowi od 88 do 97% innych zawartych w niej pierwiastków chemicznych. Szczególnie ważny jest węgiel. Wszystkie substancje organiczne w składzie komórki składają się z cząsteczek zawierających w swoim składzie atomy węgla. Potrafią łączyć się ze sobą, tworząc łańcuchy (rozgałęzione i nierozgałęzione), a także cykle. Ta zdolność atomów węgla leży u podstaw niesamowitej różnorodności substancji organicznych, które tworzą cytoplazmę i organelle komórkowe.
Na przykład wewnętrzna zawartość komórki składa się z rozpuszczalnych oligosacharydów, hydrofilowych białek, lipidów, różnych rodzajów kwasu rybonukleinowego: transferowego RNA, rybosomalnego RNA i informacyjnego RNA, a także wolnych monomerów - nukleotydów. Jądro komórkowe ma podobny skład chemiczny. Zawiera również cząsteczki kwasu dezoksyrybonukleinowego, które są częścią chromosomów. Wszystkie powyższe związki zawierają atomy azotu, węgla, tlenu, wodoru. Jest to dowód na ich szczególnie ważne znaczenie, ponieważ organizacja chemiczna komórek zależy od zawartości pierwiastków organogennych, które tworzą struktury komórkowe: hialoplazmy i organelli.
Elementy makro i ich znaczenie
Pierwiastki chemiczne, które są również bardzo powszechne w komórkach różnych typów organizmów, w biochemii nazywane są makroelementami. Ich zawartość w komórce wynosi 1,2% - 1,9%. Do makroelementów komórki należą: fosfor, potas, chlor, siarka, magnez, wapń, żelazo i sód. Wszystkie pełnią ważne funkcje i są częścią różnychorganelle komórkowe. Tak więc jon żelazawy jest obecny w białku krwi - hemoglobinie, która transportuje tlen (w tym przypadku nazywa się to oksyhemoglobiną), dwutlenek węgla (karbohemoglobina) lub tlenek węgla (karboksyhemoglobina).
Jony sodu zapewniają najważniejszy rodzaj transportu międzykomórkowego: tak zwaną pompę sodowo-potasową. Są również częścią płynu śródmiąższowego i osocza krwi. Jony magnezu są obecne w cząsteczkach chlorofilu (fotopigment roślin wyższych) i uczestniczą w procesie fotosyntezy, ponieważ tworzą centra reakcji, które wychwytują fotony energii świetlnej.
Jony wapnia zapewniają przewodzenie impulsów nerwowych wzdłuż włókien, a także są głównym składnikiem osteocytów - komórek kostnych. Związki wapnia są szeroko rozpowszechnione w świecie bezkręgowców, których muszle składają się z węglanu wapnia.
Jony chloru biorą udział w ładowaniu błon komórkowych i zapewniają występowanie impulsów elektrycznych, które leżą u podstaw pobudzenia nerwowego.
Atomy siarki są częścią natywnych białek i określają ich trzeciorzędową strukturę poprzez „sieciowanie” łańcucha polipeptydowego, co prowadzi do powstania kulistej cząsteczki białka.
Jony potasu biorą udział w transporcie substancji przez błony komórkowe. Atomy fosforu są częścią tak ważnej energochłonnej substancji, jak kwas adenozynotrifosforowy, a także są ważnym składnikiem cząsteczek kwasu dezoksyrybonukleinowego i rybonukleinowego, które są głównymi substancjami dziedziczności komórkowej.
Funkcje pierwiastków śladowych w komórcemetabolizm
Około 50 pierwiastków chemicznych, które stanowią mniej niż 0,1% w komórkach, to pierwiastki śladowe. Należą do nich cynk, molibden, jod, miedź, kob alt, fluor. Przy znikomej zawartości pełnią bardzo ważne funkcje, gdyż wchodzą w skład wielu substancji biologicznie czynnych.
Na przykład atomy cynku znajdują się w cząsteczkach insuliny (hormonu trzustkowego, który reguluje poziom glukozy we krwi), jod jest integralną częścią hormonów tarczycy - tyroksyny i trójjodotyroniny, które kontrolują poziom metabolizmu w ciało. Miedź wraz z jonami żelaza bierze udział w hematopoezie (tworzenie erytrocytów, płytek krwi i leukocytów w czerwonym szpiku kręgowców). Jony miedzi są częścią pigmentu hemocyjaniny obecnego we krwi bezkręgowców, takich jak mięczaki. Dlatego kolor hemolimfy jest niebieski.
Jeszcze mniejsza zawartość w ogniwie takich pierwiastków chemicznych jak ołów, złoto, brom, srebro. Nazywane są ultramikroelementami i są częścią komórek roślinnych i zwierzęcych. Na przykład jony złota wykryto w ziarnach kukurydzy za pomocą analizy chemicznej. Atomy bromu w dużych ilościach wchodzą w skład komórek plechy brunatnych i czerwonych alg, takich jak sargassum, kelp, morcus.
Wszystkie powyższe przykłady i fakty wyjaśniają, w jaki sposób skład chemiczny, funkcje i struktura komórki są ze sobą powiązane. Poniższa tabela przedstawia zawartość różnych pierwiastków chemicznych w komórkach organizmów żywych.
Ogólna charakterystyka substancji organicznych
Właściwości chemiczne komórek różnych grup organizmów w pewien sposób zależą od atomów węgla, których udział przekracza 50% masy komórki. Prawie cała sucha masa komórki jest reprezentowana przez węglowodany, białka, kwasy nukleinowe i lipidy, które mają złożoną strukturę i dużą masę cząsteczkową. Takie cząsteczki nazywane są makrocząsteczkami (polimerami) i składają się z prostszych pierwiastków - monomerów. Substancje białkowe pełnią niezwykle ważną rolę i pełnią wiele funkcji, które zostaną omówione poniżej.
Rola białek w komórce
Analiza biochemiczna związków tworzących żywą komórkę potwierdza wysoką zawartość w niej takich substancji organicznych jak białka. Istnieje logiczne wytłumaczenie tego faktu: białka pełnią różne funkcje i biorą udział we wszystkich przejawach życia komórkowego.
Na przykład funkcją ochronną białek jest tworzenie przeciwciał – immunoglobulin produkowanych przez limfocyty. Białka ochronne takie jak trombina, fibryna i tromboblastyna zapewniają krzepnięcie krwi i zapobiegają jej utracie podczas urazów i ran. W skład komórki wchodzą złożone białka błon komórkowych, które mają zdolność rozpoznawania obcych związków - antygenów. Zmieniają swoją konfigurację i informują komórkę o potencjalnym zagrożeniu (funkcja sygnalizacji).
Niektóre białka pełnią funkcję regulacyjną i są hormonami, na przykład oksytocyna wytwarzana przez podwzgórze jest zarezerwowana przez przysadkę mózgową. Od tego dokrwi, oksytocyna działa na mięśniowe ściany macicy, powodując jej kurczenie się. Wazopresyna białkowa pełni również funkcję regulacyjną, kontrolując ciśnienie krwi.
W komórkach mięśniowych znajdują się aktyna i miozyna, które mogą się kurczyć, co determinuje funkcję motoryczną tkanki mięśniowej. Białka pełnią również funkcję troficzną, na przykład albumina jest wykorzystywana przez zarodek jako składnik odżywczy do jego rozwoju. Białka krwi różnych organizmów, takie jak hemoglobina i hemocyjanina, przenoszą cząsteczki tlenu – pełnią funkcję transportową. Jeśli bardziej energochłonne substancje, takie jak węglowodany i lipidy, zostaną w pełni wykorzystane, komórka przystępuje do rozkładu białek. Jeden gram tej substancji daje 17,2 kJ energii. Jedną z najważniejszych funkcji białek jest funkcja katalityczna (białka enzymatyczne przyspieszają reakcje chemiczne zachodzące w przedziałach cytoplazmy). Na podstawie powyższego byliśmy przekonani, że białka pełnią wiele bardzo ważnych funkcji i są koniecznie częścią komórki zwierzęcej.
Biosynteza białek
Rozważ proces syntezy białek w komórce, który zachodzi w cytoplazmie za pomocą organelli, takich jak rybosomy. Dzięki działaniu specjalnych enzymów, przy udziale jonów wapnia, rybosomy łączą się w polisomy. Głównymi funkcjami rybosomów w komórce jest synteza cząsteczek białka, która rozpoczyna się procesem transkrypcji. W efekcie syntetyzowane są cząsteczki mRNA, do których przyłączone są polisomy. Następnie rozpoczyna się drugi proces - tłumaczenie. Transfer RNAłączą się z dwudziestoma różnymi typami aminokwasów i doprowadzają je do polisomów, a ponieważ funkcje rybosomów w komórce polegają na syntezie polipeptydów, organelle te tworzą kompleksy z tRNA, a cząsteczki aminokwasów łączą się ze sobą wiązaniami peptydowymi, tworząc makrocząsteczka białka.
Rola wody w procesach metabolicznych
Badania cytologiczne potwierdziły fakt, że komórka, której strukturę i skład badamy, składa się średnio w 70% z wody, a u wielu zwierząt prowadzących wodny tryb życia (np. koelenteratów) jej zawartość sięga 97-98%. Mając to na uwadze, chemiczna organizacja komórek obejmuje substancje hydrofilowe (zdolne do rozpuszczania) i hydrofobowe (odpychające wodę). Będąc uniwersalnym rozpuszczalnikiem polarnym, woda odgrywa wyjątkową rolę i bezpośrednio wpływa nie tylko na funkcje, ale także na samą strukturę komórki. Poniższa tabela przedstawia zawartość wody w komórkach różnych typów organizmów żywych.
Funkcja węglowodanów w komórce
Jak dowiedzieliśmy się wcześniej, węglowodany są również ważnymi substancjami organicznymi – polimerami. Należą do nich polisacharydy, oligosacharydy i monosacharydy. Węglowodany wchodzą w skład bardziej złożonych kompleksów – glikolipidów i glikoprotein, z których zbudowane są błony komórkowe i struktury ponadbłonowe, takie jak glikokaliks.
Oprócz węgla węglowodany zawierają atomy tlenu i wodoru, a niektóre polisacharydy zawierają również azot, siarkę i fosfor. W komórkach roślinnych jest dużo węglowodanów: bulwy ziemniakazawierają do 90% skrobi, nasiona i owoce zawierają do 70% węglowodanów, a w komórkach zwierzęcych występują w postaci związków takich jak glikogen, chityna i trehaloza.
Cukry proste (monosacharydy) mają wzór ogólny CnH2nOn i dzielą się na tetrozy, triozy, pentozy i heksozy. Dwie ostatnie występują najczęściej w komórkach organizmów żywych, na przykład ryboza i dezoksyryboza wchodzą w skład kwasów nukleinowych, a glukoza i fruktoza biorą udział w reakcjach asymilacji i dysymilacji. Oligosacharydy często znajdują się w komórkach roślinnych: sacharoza jest przechowywana w komórkach buraka cukrowego i trzciny cukrowej, m altoza znajduje się w kiełkujących ziarnach żyta i jęczmienia.
Disacharydy mają słodki smak i dobrze rozpuszczają się w wodzie. Polisacharydy, będące biopolimerami, reprezentowane są głównie przez skrobię, celulozę, glikogen i laminarynę. Chityna należy do strukturalnych form polisacharydów. Główną funkcją węglowodanów w komórce jest energia. W wyniku hydrolizy i reakcji metabolizmu energetycznego polisacharydy są rozkładane do glukozy, a następnie utleniane do dwutlenku węgla i wody. W rezultacie jeden gram glukozy uwalnia 17,6 kJ energii, a zapasy skrobi i glikogenu w rzeczywistości stanowią rezerwuar energii komórkowej.
Glikogen jest przechowywany głównie w tkance mięśniowej i komórkach wątroby, skrobia roślinna w bulwach, cebulkach, korzeniach, nasionach i stawonogach, takich jak pająki, owady i skorupiaki, oligosacharyd trehalozy odgrywa główną rolę w dostarczaniu energii.
Węglowodanyróżnią się od lipidów i białek zdolnością do rozszczepiania beztlenowego. Jest to niezwykle ważne dla organizmów żyjących w warunkach niedoboru lub braku tlenu, takich jak bakterie beztlenowe i robaki pasożytnicze - pasożyty ludzi i zwierząt.
W komórce jest inna funkcja węglowodanów - budowanie (strukturalne). Polega na tym, że substancje te są strukturami podtrzymującymi komórki. Na przykład celuloza jest częścią ścian komórkowych roślin, chityna tworzy zewnętrzny szkielet wielu bezkręgowców i znajduje się w komórkach grzybów, olisacharydy wraz z cząsteczkami lipidów i białek tworzą glikokaliks - kompleks nabłonkowy. Zapewnia adhezję - adhezję komórek zwierzęcych do siebie, prowadzącą do powstania tkanek.
Lipidy: struktura i funkcje
Te substancje organiczne, które są hydrofobowe (nierozpuszczalne w wodzie), można ekstrahować, to znaczy ekstrahować z komórek za pomocą niepolarnych rozpuszczalników, takich jak aceton lub chloroform. Funkcje lipidów w komórce zależą od tego, do której z trzech grup należą: tłuszcze, woski lub steroidy. Tłuszcze występują w największej ilości we wszystkich typach komórek.
Zwierzęta gromadzą je w podskórnej tkance tłuszczowej, tkanka nerwowa zawiera tłuszcz w postaci osłonek mielinowych nerwów. Gromadzi się również w nerkach, wątrobie, u owadów - w organizmie tłuszczowym. Tłuszcze płynne – oleje – znajdują się w nasionach wielu roślin: cedru, orzeszków ziemnych, słonecznika, oliwki. Zawartość lipidów w komórkach waha się od 5 do 90% (w tkance tłuszczowej).
Steroidy i woskiróżnią się od tłuszczów tym, że nie zawierają w swoich cząsteczkach reszt kwasów tłuszczowych. Sterydy są więc hormonami kory nadnerczy, które wpływają na dojrzewanie organizmu i są składnikami testosteronu. Znajdują się również w witaminach (takich jak witamina D).
Główne funkcje lipidów w komórce to energia, budowa i ochrona. Pierwsza wynika z faktu, że 1 gram tłuszczu podczas rozdrabniania daje 38,9 kJ energii - znacznie więcej niż inne substancje organiczne - białka i węglowodany. Ponadto podczas utleniania 1 g tłuszczu uwalniane jest prawie 1,1 g. woda. Dlatego niektóre zwierzęta, mając w organizmie zapas tłuszczu, mogą być bez wody przez długi czas. Na przykład susły mogą hibernować przez ponad dwa miesiące bez wody, a wielbłąd nie pije wody podczas przemierzania pustyni przez 10–12 dni.
Funkcją budulcową lipidów jest to, że są one integralną częścią błon komórkowych, a także częścią nerwów. Ochronna funkcja lipidów polega na tym, że warstwa tłuszczu pod skórą wokół nerek i innych narządów wewnętrznych chroni je przed uszkodzeniami mechanicznymi. Szczególna funkcja izolacji termicznej jest nieodłączna dla zwierząt przebywających przez długi czas w wodzie: wielorybów, fok, uchatek. Gruba podskórna warstwa tłuszczu np. u płetwala ma 0,5 m, chroni zwierzę przed wychłodzeniem.
Znaczenie tlenu w metabolizmie komórkowym
Organizmy tlenowe, do których należy zdecydowana większość zwierząt, roślin i ludzi, wykorzystują tlen atmosferyczny do reakcji metabolizmu energetycznego,prowadząc do rozpadu substancji organicznych i uwolnienia pewnej ilości energii zgromadzonej w postaci cząsteczek kwasu adenozynotrifosforowego.
W ten sposób, przy całkowitym utlenieniu jednego mola glukozy, które zachodzi na grzebieniu mitochondriów, uwalniane jest 2800 kJ energii, z czego 1596 kJ (55%) jest magazynowane w postaci cząsteczek ATP zawierających substancje makroergiczne wiązania. Zatem główną funkcją tlenu w komórce jest realizacja oddychania tlenowego, które opiera się na grupie reakcji enzymatycznych tzw. łańcucha oddechowego, zachodzących w organellach komórkowych - mitochondriach. W organizmach prokariotycznych - bakteriach fototroficznych i sinicach - utlenianie składników odżywczych następuje pod wpływem tlenu dyfundującego do komórek na wewnętrznych wyrostkach błon plazmatycznych.
Zbadaliśmy chemiczną organizację komórek, a także procesy biosyntezy białek i funkcję tlenu w komórkowym metabolizmie energetycznym.
