Ende des 19. Jahrhunderts entstand ein Zweig der Biologie namens Biochemie. Es untersucht die chemische Zusammensetzung einer lebenden Zelle. Die Hauptaufgabe der Wissenschaft ist die Kenntnis der Eigenschaften des Stoffwechsels und der Energie, die die lebenswichtige Aktivität pflanzlicher und tierischer Zellen regulieren.
Das Konzept der chemischen Zusammensetzung der Zelle
Als Ergebnis sorgfältiger Forschung haben Wissenschaftler die chemische Organisation von Zellen untersucht und herausgefunden, dass Lebewesen mehr als 85 chemische Elemente in ihrer Zusammensetzung haben. Darüber hinaus sind einige von ihnen für fast alle Organismen obligatorisch, während andere spezifisch sind und in bestimmten biologischen Arten gefunden werden. Und die dritte Gruppe chemischer Elemente ist in relativ geringen Mengen in den Zellen von Mikroorganismen, Pflanzen und Tieren vorhanden. Zellen enth alten chemische Elemente meistens in Form von Kationen und Anionen, aus denen Mineralsalze und Wasser gebildet und kohlenstoffh altige organische Verbindungen synthetisiert werden: Kohlenhydrate, Proteine, Lipide.
Organogene Elemente
In der Biochemie gehören dazu Kohlenstoff, Wasserstoff,Sauerstoff und Stickstoff. Ihre Gesamtheit in der Zelle beträgt 88 bis 97% der anderen darin enth altenen chemischen Elemente. Kohlenstoff ist besonders wichtig. Alle organischen Substanzen in der Zusammensetzung der Zelle bestehen aus Molekülen, die in ihrer Zusammensetzung Kohlenstoffatome enth alten. Sie können sich miteinander verbinden und Ketten (verzweigt und unverzweigt) sowie Zyklen bilden. Diese Fähigkeit von Kohlenstoffatomen liegt der erstaunlichen Vielf alt organischer Substanzen zugrunde, aus denen das Zytoplasma und die Zellorganellen bestehen.
Zum Beispiel besteht der innere Inh alt einer Zelle aus löslichen Oligosacchariden, hydrophilen Proteinen, Lipiden, verschiedenen Arten von Ribonukleinsäuren: Transfer-RNA, ribosomaler RNA und Boten-RNA sowie freien Monomeren - Nukleotiden. Der Zellkern hat eine ähnliche chemische Zusammensetzung. Es enthält auch Desoxyribonukleinsäuremoleküle, die Teil der Chromosomen sind. Alle oben genannten Verbindungen enth alten Stickstoff-, Kohlenstoff-, Sauerstoff- und Wasserstoffatome. Dies ist ein Beweis für ihre besonders wichtige Bedeutung, da die chemische Organisation von Zellen vom Geh alt an organogenen Elementen abhängt, aus denen Zellstrukturen bestehen: Hyaloplasma und Organellen.
Makroelemente und ihre Bedeutung
Chemische Elemente, die auch in den Zellen verschiedener Organismenarten sehr häufig vorkommen, nennt man in der Biochemie Makronährstoffe. Ihr Geh alt in der Zelle beträgt 1,2% - 1,9%. Zu den Makroelementen der Zelle gehören: Phosphor, Kalium, Chlor, Schwefel, Magnesium, Calcium, Eisen und Natrium. Sie alle erfüllen wichtige Funktionen und sind Teil verschiedenerZellorganellen. Das Eisenion ist also im Blutprotein vorhanden - Hämoglobin, das Sauerstoff (in diesem Fall Oxyhämoglobin), Kohlendioxid (Carbohämoglobin) oder Kohlenmonoxid (Carboxyhämoglobin) transportiert.
Natriumionen sorgen für die wichtigste Art des interzellulären Transports: die sogenannte Natrium-Kalium-Pumpe. Sie sind auch Teil der interstitiellen Flüssigkeit und des Blutplasmas. Magnesiumionen sind in Chlorophyllmolekülen (Photopigment höherer Pflanzen) vorhanden und am Prozess der Photosynthese beteiligt, da sie Reaktionszentren bilden, die Photonen der Lichtenergie einfangen.
Calciumionen sorgen für die Weiterleitung von Nervenimpulsen entlang der Fasern und sind auch der Hauptbestandteil von Osteozyten - Knochenzellen. Calciumverbindungen sind in der Welt der Wirbellosen weit verbreitet, deren Schalen aus Calciumcarbonat bestehen.
Chlorionen sind an der Wiederaufladung von Zellmembranen beteiligt und sorgen für das Auftreten elektrischer Impulse, die der Nervenerregung zugrunde liegen.
Schwefelatome sind Teil nativer Proteine und bestimmen deren Tertiärstruktur, indem sie die Polypeptidkette "vernetzen", wodurch ein globuläres Proteinmolekül entsteht.
Kaliumionen sind am Stofftransport durch Zellmembranen beteiligt. Phosphoratome sind Teil einer so wichtigen energieintensiven Substanz wie Adenosintriphosphorsäure und auch ein wichtiger Bestandteil von Desoxyribonukleinsäure- und Ribonukleinsäuremolekülen, die die Hauptsubstanzen der zellulären Vererbung sind.
Funktionen von Spurenelementen in der ZelleStoffwechsel
Etwa 50 chemische Elemente, die in Zellen weniger als 0,1 % ausmachen, werden als Spurenelemente bezeichnet. Dazu gehören Zink, Molybdän, Jod, Kupfer, Kob alt, Fluor. Mit einem unbedeutenden Geh alt erfüllen sie sehr wichtige Funktionen, da sie Bestandteil vieler biologisch aktiver Substanzen sind.
Zum Beispiel befinden sich Zinkatome in den Molekülen von Insulin (einem Hormon der Bauchspeicheldrüse, das den Blutzuckerspiegel reguliert), Jod ist ein wesentlicher Bestandteil der Schilddrüsenhormone - Thyroxin und Trijodthyronin, die den Stoffwechsel im Karosserie. Kupfer ist zusammen mit Eisenionen an der Hämatopoese (Bildung von Erythrozyten, Blutplättchen und Leukozyten im roten Knochenmark von Wirbeltieren) beteiligt. Kupferionen sind Teil des Hämocyaninpigments, das im Blut von wirbellosen Tieren, wie z. B. Mollusken, vorhanden ist. Daher ist die Farbe ihrer Hämolymphe blau.
Noch weniger Inh alt in der Zelle von solchen chemischen Elementen wie Blei, Gold, Brom, Silber. Sie werden Ultramikroelemente genannt und sind Bestandteil pflanzlicher und tierischer Zellen. Beispielsweise wurden in Maiskörnern durch chemische Analyse Goldionen nachgewiesen. Bromatome sind in großen Mengen Bestandteil der Thalluszellen von Braun- und Rotalgen, wie Sargassum, Seetang, Fucus.
Alle obigen Beispiele und Fakten erklären, wie die chemische Zusammensetzung, Funktionen und Struktur der Zelle miteinander verbunden sind. Die folgende Tabelle zeigt den Geh alt verschiedener chemischer Elemente in den Zellen lebender Organismen.
Allgemeine Eigenschaften organischer Stoffe
Die chemischen Eigenschaften von Zellen verschiedener Organismengruppen hängen in gewisser Weise von Kohlenstoffatomen ab, deren Anteil mehr als 50% der Zellmasse ausmacht. Fast die gesamte Trockenmasse der Zelle wird durch Kohlenhydrate, Proteine, Nukleinsäuren und Lipide repräsentiert, die eine komplexe Struktur und ein hohes Molekulargewicht aufweisen. Solche Moleküle werden Makromoleküle (Polymere) genannt und bestehen aus einfacheren Elementen - Monomeren. Proteinsubstanzen spielen eine äußerst wichtige Rolle und erfüllen viele Funktionen, auf die weiter unten eingegangen wird.
Die Rolle von Proteinen in der Zelle
Die biochemische Analyse der Verbindungen, aus denen eine lebende Zelle besteht, bestätigt den hohen Geh alt an organischen Substanzen wie Proteinen darin. Dafür gibt es eine logische Erklärung: Proteine erfüllen verschiedene Funktionen und sind an allen Erscheinungsformen des Zelllebens beteiligt.
Die Schutzfunktion von Proteinen ist beispielsweise die Bildung von Antikörpern - von Lymphozyten produzierte Immunglobuline. Schutzproteine wie Thrombin, Fibrin und Thromboblastin sorgen für die Blutgerinnung und verhindern dessen Verlust bei Verletzungen und Wunden. Die Zusammensetzung der Zelle umfasst komplexe Proteine von Zellmembranen, die fremde Verbindungen - Antigene - erkennen können. Sie ändern ihre Konfiguration und informieren die Zelle über mögliche Gefahren (Meldefunktion).
Einige Proteine haben eine regulatorische Funktion und sind Hormone, zum Beispiel wird das vom Hypothalamus produzierte Oxytocin von der Hypophyse reserviert. Von ihm zuBlut, Oxytocin wirkt auf die Muskelwände der Gebärmutter und bewirkt, dass sie sich zusammenzieht. Das Protein Vasopressin hat auch eine regulierende Funktion, indem es den Blutdruck kontrolliert.
In Muskelzellen gibt es Aktin und Myosin, die sich zusammenziehen können, was die motorische Funktion des Muskelgewebes bestimmt. Proteine haben auch eine trophische Funktion, zum Beispiel wird Albumin vom Embryo als Nährstoff für seine Entwicklung verwendet. Blutproteine verschiedener Organismen, wie Hämoglobin und Hämocyanin, tragen Sauerstoffmoleküle – sie erfüllen eine Transportfunktion. Werden energieintensivere Substanzen wie Kohlenhydrate und Lipide vollständig verwertet, geht die Zelle zum Abbau von Proteinen über. Ein Gramm dieser Substanz liefert 17,2 kJ Energie. Eine der wichtigsten Funktionen von Proteinen ist katalytisch (Enzymproteine beschleunigen chemische Reaktionen, die in den Kompartimenten des Zytoplasmas ablaufen). Auf der Grundlage des Vorstehenden waren wir davon überzeugt, dass Proteine viele sehr wichtige Funktionen erfüllen und notwendigerweise Teil der tierischen Zelle sind.
Proteinbiosynthese
Betrachten Sie den Prozess der Proteinsynthese in einer Zelle, der im Zytoplasma mit Hilfe von Organellen wie Ribosomen abläuft. Dank der Aktivität spezieller Enzyme werden Ribosomen unter Beteiligung von Calciumionen zu Polysomen kombiniert. Die Hauptfunktionen von Ribosomen in einer Zelle sind die Synthese von Proteinmolekülen, die mit dem Transkriptionsprozess beginnt. Als Ergebnis werden mRNA-Moleküle synthetisiert, an denen Polysomen befestigt sind. Dann beginnt der zweite Prozess – die Übersetzung. RNA übertragenkombinieren mit zwanzig verschiedenen Arten von Aminosäuren und bringen sie zu Polysomen, und da die Funktionen von Ribosomen in einer Zelle die Synthese von Polypeptiden sind, bilden diese Organellen Komplexe mit tRNA, und Aminosäuremoleküle binden sich durch Peptidbindungen aneinander und bilden a Protein-Makromolekül.
Die Rolle des Wassers in Stoffwechselprozessen
Zytologische Studien haben die Tatsache bestätigt, dass die Zelle, deren Struktur und Zusammensetzung wir untersuchen, zu durchschnittlich 70 % aus Wasser besteht und bei vielen Tieren, die eine aquatische Lebensweise führen (z. B. Hohltiere), ihre Inh alt erreicht 97-98 %. Vor diesem Hintergrund umfasst die chemische Organisation von Zellen hydrophile (auflösbare) und hydrophobe (wasserabweisende) Substanzen. Als universelles polares Lösungsmittel spielt Wasser eine herausragende Rolle und beeinflusst nicht nur die Funktionen, sondern auch die Struktur der Zelle direkt. Die folgende Tabelle zeigt den Wassergeh alt in den Zellen verschiedener Arten lebender Organismen.
Die Funktion der Kohlenhydrate in der Zelle
Wie wir bereits festgestellt haben, sind Kohlenhydrate auch wichtige organische Substanzen - Polymere. Dazu gehören Polysaccharide, Oligosaccharide und Monosaccharide. Kohlenhydrate sind Teil komplexerer Komplexe – Glykolipide und Glykoproteine, aus denen Zellmembranen und Supramembranstrukturen wie Glykokalyx aufgebaut sind.
Zusätzlich zu Kohlenstoff enth alten Kohlenhydrate Sauerstoff- und Wasserstoffatome, und einige Polysaccharide enth alten auch Stickstoff, Schwefel und Phosphor. In Pflanzenzellen stecken viele Kohlenhydrate: Kartoffelknollenenth alten bis zu 90 % Stärke, Samen und Früchte enth alten bis zu 70 % Kohlenhydrate und kommen in tierischen Zellen in Form von Verbindungen wie Glykogen, Chitin und Trehalose vor.
Einfachzucker (Monosaccharide) haben die allgemeine Formel CnH2nOn und werden in Tetrosen, Triosen, Pentosen und Hexosen unterteilt. Die letzten beiden sind die häufigsten in den Zellen lebender Organismen, zum Beispiel sind Ribose und Desoxyribose Teil von Nukleinsäuren, und Glucose und Fructose nehmen an Assimilations- und Dissimilationsreaktionen teil. Oligosaccharide kommen häufig in Pflanzenzellen vor: Saccharose wird in den Zellen von Zuckerrüben und Zuckerrohr gespeichert, M altose findet sich in gekeimten Roggen- und Gerstenkörnern.
Disaccharide haben einen süßen Geschmack und lösen sich gut in Wasser auf. Polysaccharide, die Biopolymere sind, werden hauptsächlich durch Stärke, Zellulose, Glykogen und Laminarin repräsentiert. Chitin gehört zu den Strukturformen der Polysaccharide. Die Hauptfunktion von Kohlenhydraten in der Zelle ist Energie. Durch Hydrolyse und Energiestoffwechselreaktionen werden Polysaccharide zu Glukose abgebaut, die dann zu Kohlendioxid und Wasser oxidiert wird. Infolgedessen setzt ein Gramm Glukose 17,6 kJ Energie frei, und Stärke- und Glykogenspeicher sind tatsächlich ein Reservoir an Zellenergie.
Glykogen wird hauptsächlich in Muskelgewebe und Leberzellen gespeichert, pflanzliche Stärke in Knollen, Zwiebeln, Wurzeln, Samen und in Arthropoden wie Spinnen, Insekten und Krebstieren, Trehalose-Oligosaccharid spielt eine große Rolle bei der Energieversorgung.
Kohlenhydrateunterscheiden sich von Lipiden und Proteinen in ihrer Fähigkeit zur sauerstofffreien Sp altung. Dies ist äußerst wichtig für Organismen, die unter Sauerstoffmangel oder -mangel leben, wie anaerobe Bakterien und Helminthen - Parasiten von Mensch und Tier.
Es gibt noch eine weitere Funktion der Kohlenhydrate in der Zelle - Aufbau (strukturell). Es liegt daran, dass diese Substanzen die Stützstrukturen von Zellen sind. Beispielsweise ist Zellulose Bestandteil der Zellwände von Pflanzen, Chitin bildet das Außenskelett vieler Wirbelloser und kommt in Pilzzellen vor, Olisaccharide bilden zusammen mit Lipid- und Eiweißmolekülen eine Glykokalyx – einen Epimembrankomplex. Es sorgt für Adhäsion - die Adhäsion tierischer Zellen aneinander, was zur Bildung von Geweben führt.
Lipide: Struktur und Funktionen
Diese hydrophoben (wasserunlöslichen) organischen Substanzen können mit unpolaren Lösungsmitteln wie Aceton oder Chloroform extrahiert, also aus Zellen extrahiert werden. Die Funktionen von Lipiden in einer Zelle hängen davon ab, zu welcher der drei Gruppen sie gehören: Fette, Wachse oder Steroide. Fette kommen in allen Zelltypen am häufigsten vor.
Tiere reichern sie im subkutanen Fettgewebe an, das Nervengewebe enthält Fett in Form von Myelinscheiden von Nerven. Es reichert sich auch in den Nieren, der Leber und in Insekten an - im Fettkörper. Flüssige Fette - Öle - kommen in den Samen vieler Pflanzen vor: Zeder, Erdnuss, Sonnenblume, Olive. Der Geh alt an Lipiden in Zellen reicht von 5 bis 90 % (im Fettgewebe).
Steroide und Wachseunterscheiden sich von Fetten dadurch, dass sie keine Fettsäurereste in ihren Molekülen enth alten. Steroide sind also Hormone der Nebennierenrinde, die die Pubertät des Körpers beeinflussen und Bestandteile von Testosteron sind. Sie sind auch in Vitaminen (wie Vitamin D) enth alten.
Die Hauptfunktionen von Lipiden in der Zelle sind Energie, Aufbau und Schutz. Die erste ist darauf zurückzuführen, dass 1 Gramm Fett beim Sp alten 38,9 kJ Energie liefert - viel mehr als andere organische Substanzen - Proteine und Kohlenhydrate. Außerdem werden bei der Oxidation von 1 g Fett fast 1,1 g freigesetzt. Wasser. Aus diesem Grund können einige Tiere, die einen Fettvorrat in ihrem Körper haben, lange Zeit ohne Wasser auskommen. Zum Beispiel können Gophers mehr als zwei Monate überwintern, ohne Wasser zu benötigen, und ein Kamel trinkt 10–12 Tage lang kein Wasser, wenn es die Wüste durchquert.
Die Aufbaufunktion von Lipiden besteht darin, dass sie ein integraler Bestandteil der Zellmembranen und auch Teil der Nerven sind. Die Schutzfunktion von Lipiden besteht darin, dass eine Fettschicht unter der Haut um die Nieren und andere innere Organe diese vor mechanischen Verletzungen schützt. Tiere, die sich lange im Wasser aufh alten, haben eine spezifische Wärmeisolationsfunktion: Wale, Robben, Pelzrobben. Eine dicke subkutane Fettschicht zum Beispiel bei einem Blauwal beträgt 0,5 m, sie schützt das Tier vor Unterkühlung.
Die Bedeutung von Sauerstoff im Zellstoffwechsel
Aerobe Organismen, zu denen die überwiegende Mehrheit der Tiere, Pflanzen und Menschen gehören, nutzen Luftsauerstoff für Energiestoffwechselreaktionen,Dies führt zum Abbau organischer Substanzen und zur Freisetzung einer bestimmten Menge an Energie, die sich in Form von Molekülen der Adenosintriphosphorsäure angesammelt hat.
Somit werden bei der vollständigen Oxidation von einem Mol Glucose, die auf den Cristae der Mitochondrien stattfindet, 2800 kJ Energie freigesetzt, von denen 1596 kJ (55%) in Form von ATP-Molekülen gespeichert werden, die makroergisch sind Fesseln. Somit ist die Hauptfunktion von Sauerstoff in der Zelle die Durchführung der aeroben Atmung, die auf einer Gruppe von enzymatischen Reaktionen der sogenannten Atmungskette basiert, die in Zellorganellen - Mitochondrien - auftreten. In prokaryotischen Organismen – phototrophen Bakterien und Cyanobakterien – erfolgt die Oxidation von Nährstoffen unter der Einwirkung von Sauerstoff, der in Zellen auf den inneren Auswüchsen von Plasmamembranen diffundiert.
Wir untersuchten die chemische Organisation von Zellen, sowie die Prozesse der Proteinbiosynthese und die Funktion von Sauerstoff im zellulären Energiestoffwechsel.
