Konec 19. stoletja se je oblikovala veja biologije, imenovana biokemija. Preučuje kemično sestavo žive celice. Glavna naloga znanosti je poznavanje značilnosti metabolizma in energije, ki uravnavata vitalno aktivnost rastlinskih in živalskih celic.
Koncept kemične sestave celice
Kot rezultat skrbnega raziskovanja so znanstveniki preučevali kemično organizacijo celic in ugotovili, da imajo živa bitja v svoji sestavi več kot 85 kemičnih elementov. Poleg tega so nekateri od njih obvezni za skoraj vse organizme, drugi pa so specifični in jih najdemo v določenih bioloških vrstah. In tretja skupina kemičnih elementov je prisotna v celicah mikroorganizmov, rastlin in živali v dokaj majhnih količinah. Celice vsebujejo kemične elemente najpogosteje v obliki kationov in anionov, iz katerih nastajajo mineralne soli in voda, sintetizirajo pa se tudi organske spojine, ki vsebujejo ogljik: ogljikovi hidrati, beljakovine, lipidi.
Organogeni elementi
V biokemiji ti vključujejo ogljik, vodik,kisik in dušik. Njihova celota v celici je od 88 do 97 % ostalih kemičnih elementov v njej. Ogljik je še posebej pomemben. Vse organske snovi v sestavi celice so sestavljene iz molekul, ki v svoji sestavi vsebujejo ogljikove atome. Sposobni so se povezati med seboj in tvoriti verige (razvejane in nerazvejene), pa tudi cikle. Ta sposobnost ogljikovih atomov je osnova za neverjetno raznolikost organskih snovi, ki sestavljajo citoplazmo in celične organele.
Na primer, notranja vsebina celice je sestavljena iz topnih oligosaharidov, hidrofilnih proteinov, lipidov, različnih vrst ribonukleinske kisline: prenosne RNA, ribosomske RNA in sporočilne RNA ter prostih monomerov - nukleotidov. Celično jedro ima podobno kemično sestavo. Vsebuje tudi molekule deoksiribonukleinske kisline, ki so del kromosomov. Vse zgornje spojine vsebujejo atome dušika, ogljika, kisika, vodika. To je dokaz njihovega še posebej pomembnega pomena, saj je kemična organizacija celic odvisna od vsebnosti organogenih elementov, ki sestavljajo celične strukture: hialoplazma in organele.
Makro elementi in njihovi pomeni
Kemične elemente, ki so zelo pogosti tudi v celicah različnih vrst organizmov, v biokemiji imenujemo makrohranila. Njihova vsebnost v celici je 1,2% - 1,9%. Makroelementi celice vključujejo: fosfor, kalij, klor, žveplo, magnezij, kalcij, železo in natrij. Vsi opravljajo pomembne funkcije in so del različnihcelične organele. Torej je železov ion prisoten v krvni beljakovini - hemoglobinu, ki prenaša kisik (v tem primeru se imenuje oksihemoglobin), ogljikov dioksid (karbohemoglobin) ali ogljikov monoksid (karboksihemoglobin).
Natrijevi ioni zagotavljajo najpomembnejšo vrsto medceličnega transporta: tako imenovano natrijevo-kalijevo črpalko. So tudi del intersticijske tekočine in krvne plazme. Magnezijevi ioni so prisotni v molekulah klorofila (fotopigment višjih rastlin) in sodelujejo v procesu fotosinteze, saj tvorijo reakcijske centre, ki ujamejo fotone svetlobne energije.
Kalcijevi ioni zagotavljajo prevajanje živčnih impulzov vzdolž vlaken in so tudi glavna sestavina osteocitov - kostnih celic. Kalcijeve spojine so zelo razširjene v svetu nevretenčarjev, katerih lupine so sestavljene iz kalcijevega karbonata.
Klorovi ioni sodelujejo pri polnjenju celičnih membran in zagotavljajo nastanek električnih impulzov, ki so osnova živčnega vzbujanja.
Atomi žvepla so del naravnih beljakovin in določajo njihovo terciarno strukturo z "zamreževanjem" polipeptidne verige, kar povzroči nastanek globularne beljakovinske molekule.
Kalijevi ioni sodelujejo pri transportu snovi skozi celične membrane. Atomi fosforja so del tako pomembne energijsko intenzivne snovi, kot je adenozin trifosforjeva kislina, in so tudi pomembna sestavina molekul deoksiribonukleinske in ribonukleinske kisline, ki sta glavni snovi celične dednosti.
Funkcije elementov v sledovih v celicimetabolizem
Približno 50 kemičnih elementov, ki predstavljajo manj kot 0,1 % v celicah, se imenujejo elementi v sledovih. Sem spadajo cink, molibden, jod, baker, kob alt, fluor. Z nepomembno vsebnostjo opravljajo zelo pomembne funkcije, saj so del številnih biološko aktivnih snovi.
Na primer, atomi cinka se nahajajo v molekulah inzulina (hormona trebušne slinavke, ki uravnava raven glukoze v krvi), jod je sestavni del ščitničnih hormonov - tiroksina in trijodtironina, ki uravnavata raven presnove v telo. Baker skupaj z železovimi ioni sodeluje pri hematopoezi (tvorba eritrocitov, trombocitov in levkocitov v rdečem kostnem mozgu vretenčarjev). Bakrovi ioni so del pigmenta hemocianina, ki je prisoten v krvi nevretenčarjev, kot so mehkužci. Zato je barva njihove hemolimfe modra.
Še manj vsebnosti v celici kemičnih elementov, kot so svinec, zlato, brom, srebro. Imenujejo se ultramikroelementi in so del rastlinskih in živalskih celic. Na primer, s kemično analizo so v koruznih zrnih odkrili zlate ione. Atomi broma v velikih količinah so del celic steljca rjavih in rdečih alg, kot so sargassum, kelp, fucus.
Vsi zgornji primeri in dejstva pojasnjujejo, kako so kemična sestava, funkcije in struktura celice medsebojno povezani. Spodnja tabela prikazuje vsebnost različnih kemičnih elementov v celicah živih organizmov.
Splošne značilnosti organskih snovi
Kemijske lastnosti celic različnih skupin organizmov so na določen način odvisne od ogljikovih atomov, katerih delež je več kot 50 % celične mase. Skoraj vso suho snov celice predstavljajo ogljikovi hidrati, beljakovine, nukleinske kisline in lipidi, ki imajo kompleksno strukturo in veliko molekulsko maso. Takšne molekule imenujemo makromolekule (polimeri) in so sestavljene iz enostavnejših elementov – monomerov. Beljakovinske snovi imajo izjemno pomembno vlogo in opravljajo številne funkcije, o katerih bo govora v nadaljevanju.
Vloga beljakovin v celici
Biokemijska analiza spojin, ki sestavljajo živo celico, potrjuje visoko vsebnost organskih snovi, kot so beljakovine v njej. Za to dejstvo obstaja logična razlaga: beljakovine opravljajo različne funkcije in so vključene v vse manifestacije celičnega življenja.
Zaščitna funkcija beljakovin je na primer tvorba protiteles - imunoglobulinov, ki jih proizvajajo limfociti. Zaščitni proteini, kot so trombin, fibrin in tromboblastin, zagotavljajo strjevanje krvi in preprečujejo njeno izgubo med poškodbami in ranami. Sestava celice vključuje kompleksne beljakovine celičnih membran, ki imajo sposobnost prepoznavanja tujih spojin - antigenov. Spremenijo svojo konfiguracijo in celico obvestijo o potencialni nevarnosti (signalna funkcija).
Nekatere beljakovine imajo regulacijsko funkcijo in so hormoni, na primer oksitocin, ki ga proizvaja hipotalamus, rezervira hipofiza. Od tega dokrvi, oksitocin deluje na mišične stene maternice in povzroči krčenje. Beljakovina vazopresin ima tudi regulacijsko funkcijo, ki uravnava krvni tlak.
V mišičnih celicah sta aktin in miozin, ki se lahko skrčita, kar določa motorično funkcijo mišičnega tkiva. Beljakovine imajo tudi trofično funkcijo, na primer albumin uporablja zarodek kot hranilo za svoj razvoj. Beljakovine v krvi različnih organizmov, kot sta hemoglobin in hemocianin, nosijo molekule kisika - opravljajo transportno funkcijo. Če so energijsko intenzivnejše snovi, kot so ogljikovi hidrati in lipidi, v celoti izkoriščene, celica nadaljuje z razgradnjo beljakovin. En gram te snovi daje 17,2 kJ energije. Ena najpomembnejših funkcij beljakovin je katalitična (encimski proteini pospešujejo kemične reakcije, ki potekajo v predelih citoplazme). Na podlagi navedenega smo bili prepričani, da beljakovine opravljajo številne zelo pomembne funkcije in so nujno del živalske celice.
biosinteza beljakovin
Razmislite o procesu sinteze beljakovin v celici, ki poteka v citoplazmi s pomočjo organelov, kot so ribosomi. Zahvaljujoč delovanju posebnih encimov s sodelovanjem kalcijevih ionov se ribosomi združujejo v polisome. Glavne funkcije ribosomov v celici so sinteza beljakovinskih molekul, ki se začne s procesom transkripcije. Posledično se sintetizirajo molekule mRNA, na katere so pritrjeni polisomi. Nato se začne drugi proces – prevajanje. Prenos RNAzdružijo z dvajsetimi različnimi vrstami aminokislin in jih pripeljejo do polisomov, in ker so funkcije ribosomov v celici sinteza polipeptidov, ti organeli tvorijo komplekse s tRNA, molekule aminokislin pa se med seboj vežejo s peptidnimi vezmi in tvorijo beljakovinska makromolekula.
Vloga vode v presnovnih procesih
Citološke študije so potrdile dejstvo, da je celica, katere zgradba in sestava preučujemo, v povprečju sestavljena iz 70 % vode, pri mnogih živalih, ki vodijo vodni način življenja (npr. vsebnost doseže 97-98 %. Glede na to kemična organizacija celic vključuje hidrofilne (zmožne raztapljanja) in hidrofobne (vodoodbojne) snovi. Voda ima kot univerzalno polarno topilo izjemno vlogo in neposredno vpliva ne le na funkcije, ampak tudi na samo strukturo celice. Spodnja tabela prikazuje vsebnost vode v celicah različnih vrst živih organizmov.
Funkcija ogljikovih hidratov v celici
Kot smo že ugotovili, so tudi ogljikovi hidrati pomembne organske snovi – polimeri. Ti vključujejo polisaharide, oligosaharide in monosaharide. Ogljikovi hidrati so del kompleksnejših kompleksov - glikolipidov in glikoproteinov, iz katerih so zgrajene celične membrane in supramembranske strukture, kot je glikokaliks.
Ogljikovi hidrati poleg ogljika vsebujejo atome kisika in vodika, nekateri polisaharidi pa vsebujejo tudi dušik, žveplo in fosfor. V rastlinskih celicah je veliko ogljikovih hidratov: gomolji krompirjavsebujejo do 90 % škroba, semena in plodovi vsebujejo do 70 % ogljikovih hidratov, v živalskih celicah pa jih najdemo v obliki spojin, kot so glikogen, hitin in trehaloza.
Enostavni sladkorji (monosaharidi) imajo splošno formulo CnH2nOn in se delijo na tetroze, trioze, pentoze in heksoze. Zadnji dve sta najpogostejši v celicah živih organizmov, na primer riboza in deoksiriboza sta del nukleinskih kislin, glukoza in fruktoza pa sodelujeta v asimilacijskih in disimilacijskih reakcijah. Oligosaharide pogosto najdemo v rastlinskih celicah: saharoza je shranjena v celicah sladkorne pese in sladkornega trsa, m altoza se nahaja v kaljenih zrnih rži in ječmena.
Disaharidi imajo sladek okus in se dobro raztopijo v vodi. Polisaharide, ki so biopolimeri, predstavljajo predvsem škrob, celuloza, glikogen in laminarin. Hitin spada med strukturne oblike polisaharidov. Glavna funkcija ogljikovih hidratov v celici je energija. Zaradi hidrolize in reakcij energetske presnove se polisaharidi razgradijo do glukoze, ki se nato oksidira v ogljikov dioksid in vodo. Posledično en gram glukoze sprosti 17,6 kJ energije, zaloge škroba in glikogena pa so pravzaprav rezervoar celične energije.
Glikogen je shranjen predvsem v mišičnem tkivu in jetrnih celicah, rastlinskem škrobu v gomoljih, čebulicah, koreninah, semenih in pri členonožcih, kot so pajki, žuželke in raki, ima trehalozni oligosaharid pomembno vlogo pri oskrbi z energijo.
ogljikovi hidratise od lipidov in beljakovin razlikujejo po sposobnosti cepitve brez kisika. To je izjemno pomembno za organizme, ki živijo v pogojih pomanjkanja ali odsotnosti kisika, kot so anaerobne bakterije in helminti – paraziti ljudi in živali.
Obstaja še ena funkcija ogljikovih hidratov v celici - gradnja (strukturna). Leži v tem, da so te snovi nosilne strukture celic. Celuloza je na primer del celičnih sten rastlin, hitin tvori zunanji skelet številnih nevretenčarjev in ga najdemo v celicah gliv, olisaharidi skupaj z lipidnimi in beljakovinskimi molekulami tvorijo glikokaliks - epimembranski kompleks. Zagotavlja oprijem - oprijem živalskih celic med seboj, kar vodi do tvorbe tkiv.
Lipidi: struktura in funkcije
Te organske snovi, ki so hidrofobne (netopne v vodi), je mogoče ekstrahirati, torej ekstrahirati iz celic, z uporabo nepolarnih topil, kot sta aceton ali kloroform. Funkcije lipidov v celici so odvisne od tega, kateri od treh skupin pripadajo: maščobe, voski ali steroidi. Maščob je največ v vseh vrstah celic.
Živali jih kopičijo v podkožnem maščobnem tkivu, živčno tkivo vsebuje maščobo v obliki mielinskih ovojnic živcev. Prav tako se kopiči v ledvicah, jetrih, pri žuželkah - v maščobnem telesu. Tekoče maščobe - olja - najdemo v semenih številnih rastlin: cedre, arašidov, sončnic, oljk. Vsebnost lipidov v celicah se giblje od 5 do 90 % (v maščobnem tkivu).
Steroidi in voskise od maščob razlikujejo po tem, da v svojih molekulah ne vsebujejo ostankov maščobnih kislin. Torej, steroidi so hormoni skorje nadledvične žleze, ki vplivajo na puberteto telesa in so sestavine testosterona. Najdemo jih tudi v vitaminih (kot je vitamin D).
Glavne funkcije lipidov v celici so energetska, gradbena in zaščitna. Prvi je posledica dejstva, da 1 gram maščobe med cepljenjem daje 38,9 kJ energije - veliko več kot druge organske snovi - beljakovine in ogljikovi hidrati. Poleg tega se med oksidacijo 1 g maščobe sprosti skoraj 1,1 g. voda. Zato so nekatere živali, ki imajo v telesu zalogo maščobe, lahko dolgo časa brez vode. Na primer, goferji lahko prezimijo več kot dva meseca, ne da bi potrebovali vodo, kamela pa ne pije vode, ko prečka puščavo 10–12 dni.
Gradbena funkcija lipidov je, da so sestavni del celičnih membran in so tudi del živcev. Zaščitna funkcija lipidov je, da plast maščobe pod kožo okoli ledvic in drugih notranjih organov ščiti pred mehanskimi poškodbami. Posebna toplotna izolacijska funkcija je lastna živalim, ki so dolgo časa v vodi: kiti, tjulnji, kožuhi. Debela podkožna maščobna plast, na primer, pri modrem kitu je 0,5 m, ščiti žival pred podhladitev.
Pomen kisika v celičnem metabolizmu
Aerobni organizmi, ki vključujejo veliko večino živali, rastlin in ljudi, uporabljajo atmosferski kisik za reakcije energetske presnove,kar vodi do razgradnje organskih snovi in sproščanja določene količine energije, nakopičene v obliki molekul adenozin trifosforjeve kisline.
Tako se s popolno oksidacijo enega mola glukoze, ki se pojavi na kristah mitohondrijev, sprosti 2800 kJ energije, od tega se 1596 kJ (55%) shrani v obliki molekul ATP, ki vsebujejo makroergične obveznice. Tako je glavna funkcija kisika v celici izvajanje aerobnega dihanja, ki temelji na skupini encimskih reakcij tako imenovane dihalne verige, ki se pojavljajo v celičnih organelah - mitohondrijih. Pri prokariotskih organizmih – fototrofnih bakterijah in cianobakterijah – pride do oksidacije hranil pod delovanjem kisika, ki difundira v celice na notranjih izrastkih plazemskih membran.
Preučevali smo kemično organizacijo celic, pa tudi procese biosinteze beljakovin in delovanje kisika pri presnovi celične energije.
