19. sajandi lõpus tekkis bioloogia haru nimega biokeemia. See uurib elusraku keemilist koostist. Teaduse põhiülesanne on teadmised ainevahetuse ja energia omadustest, mis reguleerivad taime- ja loomarakkude elutegevust.
Raku keemilise koostise mõiste
Hoolikas uurimistöö tulemusena on teadlased uurinud rakkude keemilist korraldust ja leidnud, et elusolendite koostises on üle 85 keemilise elemendi. Pealegi on mõned neist kohustuslikud peaaegu kõigile organismidele, teised aga spetsiifilised ja esinevad konkreetsetes bioloogilistes liikides. Ja kolmas keemiliste elementide rühm on mikroorganismide, taimede ja loomade rakkudes üsna väikestes kogustes. Rakud sisaldavad keemilisi elemente kõige sagedamini katioonide ja anioonide kujul, millest moodustuvad mineraalsoolad ja vesi ning sünteesitakse süsinikku sisaldavaid orgaanilisi ühendeid: süsivesikuid, valke, lipiide.
Organogeensed elemendid
Biokeemias hõlmavad need süsinikku, vesinikku,hapnik ja lämmastik. Nende koguarv rakus on 88–97% teistest selles sisalduvatest keemilistest elementidest. Süsinik on eriti oluline. Kõik raku koostises olevad orgaanilised ained koosnevad molekulidest, mis sisaldavad oma koostises süsinikuaatomeid. Nad on võimelised üksteisega ühendust looma, moodustades ahelaid (hargnenud ja hargnemata), aga ka tsükleid. See süsinikuaatomite võime on tsütoplasma ja raku organellide moodustavate orgaaniliste ainete hämmastava mitmekesisuse aluseks.
Näiteks raku sisemine sisu koosneb lahustuvatest oligosahhariididest, hüdrofiilsetest valkudest, lipiididest, erinevat tüüpi ribonukleiinhapetest: ülekande-RNA-st, ribosomaalsest RNA-st ja messenger-RNA-st, samuti vabadest monomeeridest – nukleotiididest. Rakutuum on sarnase keemilise koostisega. See sisaldab ka desoksüribonukleiinhappemolekule, mis on osa kromosoomidest. Kõik ül altoodud ühendid sisaldavad lämmastiku, süsiniku, hapniku, vesiniku aatomeid. See on tõend nende eriti olulisest tähtsusest, kuna rakkude keemiline korraldus sõltub rakustruktuuri moodustavate organogeensete elementide sisaldusest: hüaloplasma ja organellid.
Makroelemendid ja nende tähendused
Keemilisi elemente, mis on väga levinud ka erinevat tüüpi organismide rakkudes, nimetatakse biokeemias makrotoitaineteks. Nende sisaldus rakus on 1,2% - 1,9%. Raku makroelementide hulka kuuluvad: fosfor, kaalium, kloor, väävel, magneesium, k altsium, raud ja naatrium. Kõik need täidavad olulisi funktsioone ja on osa erinevatestraku organellid. Seega on raua ioon verevalgus – hemoglobiinis, mis transpordib hapnikku (antud juhul nimetatakse seda oksühemoglobiiniks), süsinikdioksiidi (karbohemoglobiiniks) või süsinikmonooksiidi (karboksühemoglobiiniks).
Naatriumioonid tagavad kõige olulisema rakkudevahelise transpordi: nn naatrium-kaaliumpumba. Need on ka osa interstitsiaalsest vedelikust ja vereplasmast. Magneesiumioonid esinevad klorofülli molekulides (kõrgemate taimede fotopigment) ja osalevad fotosünteesi protsessis, kuna need moodustavad reaktsioonikeskused, mis püüavad kinni valgusenergia footonid.
K altsiumioonid tagavad närviimpulsside juhtivuse piki kiude ning on ka osteotsüütide – luurakkude põhikomponent. K altsiumiühendid on lai alt levinud selgrootute maailmas, kelle kestad koosnevad k altsiumkarbonaadist.
Klooriioonid osalevad rakumembraanide laadimises ja tekitavad elektrilisi impulsse, mis on närvilise erutuse aluseks.
Väävliaatomid on osa natiivsetest valkudest ja määravad nende tertsiaarse struktuuri polüpeptiidahela "ristsidumise" teel, mille tulemusena moodustub globulaarne valgumolekul.
Kaaliumioonid osalevad ainete transportimisel läbi rakumembraanide. Fosfori aatomid on osa sellisest olulisest energiamahukast ainest nagu adenosiintrifosforhape, samuti on need desoksüribonukleiin- ja ribonukleiinhappemolekulide olulised komponendid, mis on rakulise pärilikkuse peamised ained.
Mikroelementide funktsioonid rakusainevahetus
Umbes 50 keemilist elementi, mis moodustavad rakkudes alla 0,1%, nimetatakse mikroelementideks. Nende hulka kuuluvad tsink, molübdeen, jood, vask, koob alt, fluor. Vähese sisaldusega täidavad nad väga olulisi funktsioone, kuna on osa paljudest bioloogiliselt aktiivsetest ainetest.
Näiteks tsingi aatomeid leidub insuliini (pankrease hormoon, mis reguleerib vere glükoosisisaldust) molekulides, jood on kilpnäärmehormoonide – türoksiini ja trijodotüroniini – lahutamatu osa, mis reguleerivad ainevahetuse taset organismis. keha. Vask koos raua ioonidega osaleb vereloomes (erütrotsüütide, trombotsüütide ja leukotsüütide moodustumine selgroogsete punases luuüdis). Vase ioonid on osa hemotsüaniini pigmendist, mida leidub selgrootute, näiteks molluskite veres. Seetõttu on nende hemolümfi värvus sinine.
Veelgi vähem selliste keemiliste elementide sisaldus rakus nagu plii, kuld, broom, hõbe. Neid nimetatakse ultramikroelementideks ja need on osa taime- ja loomarakkudest. Näiteks tuvastati kullaioone maisiteras keemilise analüüsiga. Suures koguses broomi aatomid on osa pruun- ja punavetikate (nt sargassum, pruunvetikas, fucus) talluse rakkudest.
Kõik ül altoodud näited ja faktid selgitavad, kuidas raku keemiline koostis, funktsioonid ja struktuur on omavahel seotud. Allolev tabel näitab erinevate keemiliste elementide sisaldust elusorganismide rakkudes.
Orgaaniliste ainete üldised omadused
Erinevate organismirühmade rakkude keemilised omadused sõltuvad teatud viisil süsinikuaatomitest, mille osakaal on üle 50% raku massist. Peaaegu kogu raku kuivainet esindavad süsivesikud, valgud, nukleiinhapped ja lipiidid, millel on keeruline struktuur ja suur molekulmass. Selliseid molekule nimetatakse makromolekulideks (polümeerideks) ja need koosnevad lihtsamatest elementidest - monomeeridest. Valguained mängivad äärmiselt olulist rolli ja täidavad paljusid funktsioone, mida arutatakse allpool.
Valkude roll rakus
Elusraku moodustavate ühendite biokeemiline analüüs kinnitab selliste orgaaniliste ainete nagu valkude suurt sisaldust selles. Sellel asjaolul on loogiline seletus: valgud täidavad erinevaid funktsioone ja on seotud kõigi rakuelu ilmingutega.
Näiteks valkude kaitsefunktsiooniks on antikehade – lümfotsüütide poolt toodetud immunoglobuliinide – teke. Kaitsevalgud, nagu trombiin, fibriin ja tromboblastiin, tagavad vere hüübimise ja hoiavad ära selle kadumise vigastuste ja haavade ajal. Raku koostis sisaldab rakumembraanide kompleksseid valke, millel on võime ära tunda võõrühendeid - antigeene. Nad muudavad oma konfiguratsiooni ja teavitavad rakku võimalikust ohust (signalisatsioonifunktsioon).
Mõned valgud täidavad reguleerivat funktsiooni ja on hormoonid, näiteks hüpotalamuses toodetud oksütotsiini varustab hüpofüüsi. Sellest kuniveri, oksütotsiin mõjub emaka lihaselistele seintele, põhjustades selle kokkutõmbumise. Valgul vasopressiinil on ka reguleeriv funktsioon, mis kontrollib vererõhku.
Lihasrakkudes on aktiini ja müosiini, mis võivad kokku tõmbuda, mis määrab lihaskoe motoorse funktsiooni. Valkudel on ka troofiline funktsioon, näiteks albumiini kasutab embrüo oma arenguks toitainena. Erinevate organismide verevalgud, nagu hemoglobiin ja hemotsüaniin, kannavad hapnikumolekule – nad täidavad transpordifunktsiooni. Kui energiamahukamad ained, nagu süsivesikud ja lipiidid, on täielikult ära kasutatud, hakkab rakk valke lagundama. Üks gramm seda ainet annab 17,2 kJ energiat. Valkude üks olulisemaid funktsioone on katalüütiline (ensüümvalgud kiirendavad tsütoplasma sektsioonides toimuvaid keemilisi reaktsioone). Eelneva põhjal olime veendunud, et valgud täidavad paljusid väga olulisi funktsioone ja on tingimata osa loomarakust.
Valkude biosüntees
Mõelge valkude sünteesi protsessile rakus, mis toimub tsütoplasmas organellide, nagu ribosoomide, abil. Tänu spetsiaalsete ensüümide aktiivsusele ühendatakse k altsiumiioonide osalusel ribosoomid polüsoomideks. Ribosoomide põhifunktsioonid rakus on valgumolekulide süntees, mis algab transkriptsiooniprotsessiga. Selle tulemusena sünteesitakse mRNA molekulid, mille külge kinnituvad polüsoomid. Seejärel algab teine protsess – tõlkimine. RNA-de ülekandminekombineeritakse kahekümne erinevat tüüpi aminohappega ja viivad need polüsoomidesse ning kuna ribosoomide funktsioonid rakus on polüpeptiidide süntees, siis moodustavad need organellid tRNA-ga komplekse ning aminohappe molekulid seostuvad üksteisega peptiidsidemetega, moodustades valgu makromolekul.
Vee roll ainevahetusprotsessides
Tsütoloogilised uuringud on kinnitanud tõsiasja, et rakus, mille struktuuri ja koostist me uurime, on keskmiselt 70% vesi ning paljudel vees eluviisi järgivatel loomadel (näiteks koelenteraadid) sisaldus ulatub 97-98 protsendini. Seda silmas pidades hõlmab rakkude keemiline struktuur hüdrofiilseid (lahustuvad) ja hüdrofoobseid (vett tõrjuvaid) aineid. Kuna vesi on universaalne polaarne lahusti, mängib vesi erakordset rolli ja mõjutab otseselt mitte ainult raku funktsioone, vaid ka kogu struktuuri. Allolev tabel näitab veesisaldust erinevat tüüpi elusorganismide rakkudes.
Süsivesikute funktsioon rakus
Nagu varem teada saime, on süsivesikud ka olulised orgaanilised ained – polümeerid. Nende hulka kuuluvad polüsahhariidid, oligosahhariidid ja monosahhariidid. Süsivesikud on osa keerukamatest kompleksidest – glükolipiididest ja glükoproteiinidest, millest koosnevad rakumembraanid ja membraaniülesed struktuurid, näiteks glükokalüks.
Lisaks süsinikule sisaldavad süsivesikud hapniku- ja vesinikuaatomeid ning mõned polüsahhariidid ka lämmastikku, väävlit ja fosforit. Taimerakkudes on palju süsivesikuid: kartulimuguladsisaldavad kuni 90% tärklist, seemned ja puuviljad sisaldavad kuni 70% süsivesikuid ning loomarakkudes leidub neid selliste ühendite kujul nagu glükogeen, kitiin ja trehaloos.
Lihtsad suhkrud (monosahhariidid) on üldvalemiga CnH2nOn ja need jagunevad tetroosideks, trioosideks, pentoosideks ja heksoosideks. Kaks viimast on elusorganismide rakkudes levinumad, näiteks riboos ja desoksüriboos on osa nukleiinhapetest ning glükoos ja fruktoos osalevad assimilatsiooni- ja dissimilatsioonireaktsioonides. Oligosahhariide leidub sageli taimerakkudes: sahharoosi säilitatakse suhkrupeedi ja suhkruroo rakkudes, m altoosi leidub rukki ja odra idandatud terades.
Disahhariidid on magusa maitsega ja lahustuvad vees hästi. Polüsahhariide, mis on biopolümeerid, esindavad peamiselt tärklis, tselluloos, glükogeen ja laminariin. Kitiin kuulub polüsahhariidide struktuursete vormide hulka. Süsivesikute põhiülesanne rakus on energia. Hüdrolüüsi ja energiavahetuse reaktsioonide tulemusena lagunevad polüsahhariidid glükoosiks, mis seejärel oksüdeeritakse süsinikdioksiidiks ja veeks. Selle tulemusena vabastab üks gramm glükoosi 17,6 kJ energiat ning tärklise- ja glükogeenivarud on tegelikult rakuenergia reservuaar.
Glükogeeni talletatakse peamiselt lihaskoes ja maksarakkudes, taimne tärklis mugulates, sibulates, juurtes, seemnetes ning lülijalgsetes, nagu ämblikud, putukad ja koorikloomad, mängib trehaloosi oligosahhariid energiavarustuses olulist rolli.
Süsivesikuderinevad lipiididest ja valkudest hapnikuvaba lõhustumise võime poolest. See on äärmiselt oluline organismide jaoks, mis elavad hapnikuvaeguse või hapniku puudumise tingimustes, nagu anaeroobsed bakterid ja helmintid – inimeste ja loomade parasiidid.
Rakus on veel üks süsivesikute funktsioon – ehitamine (struktuurne). See seisneb selles, et need ained on rakkude tugistruktuurid. Näiteks tselluloos on osa taimede rakuseintest, kitiin moodustab paljude selgrootute välisskeleti ja seda leidub seenerakkudes, olisahhariidid koos lipiidide ja valgu molekulidega moodustavad glükokalüksi – epimembraanikompleksi. See tagab adhesiooni – loomarakkude adhesiooni üksteisega, mis viib kudede moodustumiseni.
Lipiidid: struktuur ja funktsioonid
Neid orgaanilisi aineid, mis on hüdrofoobsed (vees lahustumatud), saab ekstraheerida, st ekstraheerida rakkudest, kasutades mittepolaarseid lahusteid, nagu atsetoon või kloroform. Lipiidide funktsioonid rakus sõltuvad sellest, millisesse kolmest rühmast nad kuuluvad: rasvad, vahad või steroidid. Rasvu leidub kõigis rakutüüpides kõige rohkem.
Loomad koguvad neid nahaalusesse rasvkoesse, närvikude sisaldab rasva närvide müeliinkestade kujul. Samuti koguneb see neerudesse, maksa, putukatesse - rasvkehasse. Vedelad rasvad – õlid – sisalduvad paljude taimede seemnetes: seeder, maapähkel, päevalill, oliiv. Lipiidide sisaldus rakkudes on vahemikus 5–90% (rasvkoes).
Steroidid ja vahaderinevad rasvadest selle poolest, et nende molekulid ei sisalda rasvhappejääke. Niisiis on steroidid neerupealiste koore hormoonid, mis mõjutavad keha puberteeti ja on testosterooni komponendid. Neid leidub ka vitamiinides (näiteks D-vitamiinis).
Lipidide peamised funktsioonid rakus on energia, ehitus- ja kaitsefunktsioon. Esimene on tingitud asjaolust, et 1 gramm rasva jagamisel annab 38,9 kJ energiat – palju rohkem kui teised orgaanilised ained – valgud ja süsivesikud. Lisaks vabaneb 1 g rasva oksüdeerimisel peaaegu 1,1 g. vesi. Seetõttu võivad mõned loomad, kelle kehas on rasvavaru, olla pikka aega ilma veeta. Näiteks võivad gopherid jääda talveunestusse kauemaks kui kaheks kuuks ilma vett vajamata ja kaamel ei joo kõrbe ületades vett 10–12 päeva jooksul.
Lipiidide ehitusfunktsioon seisneb selles, et nad on rakumembraanide lahutamatu osa ja ka närvide osa. Lipiidide kaitsefunktsioon seisneb selles, et nahaalune rasvakiht neerude ja teiste siseorganite ümber kaitseb neid mehaaniliste vigastuste eest. Spetsiifiline soojusisolatsioonifunktsioon on omane loomadele, kes on pikka aega vees: vaalad, hülged, karushülged. Paks nahaalune rasvakiht on näiteks sinivaal 0,5 m, see kaitseb looma alajahtumise eest.
Hapniku tähtsus rakkude ainevahetuses
Aeroobsed organismid, kuhu kuuluvad valdav enamus loomi, taimi ja inimesi, kasutavad energia metabolismi reaktsioonideks õhuhapnikku,mis põhjustab orgaaniliste ainete lagunemist ja adenosiintrifosforhappe molekulide kujul kogunenud teatud energiahulga vabanemist.
Seega ühe mooli glükoosi täielikul oksüdeerumisel, mis toimub mitokondrite kristallidel, vabaneb 2800 kJ energiat, millest 1596 kJ (55%) salvestub makroergilisi aineid sisaldavate ATP molekulide kujul. võlakirjad. Seega on hapniku põhifunktsioon rakus aeroobse hingamise rakendamine, mis põhineb nn hingamisahela ensümaatiliste reaktsioonide rühmal, mis toimub raku organellides - mitokondrites. Prokarüootsetes organismides – fototroofsetes bakterites ja tsüanobakterites – toimub toitainete oksüdatsioon plasmamembraanide sisemiste väljakasvude rakkudesse difundeeruva hapniku toimel.
Uurisime rakkude keemilist korraldust, samuti valkude biosünteesi protsesse ja hapniku funktsiooni raku energia metabolismis.
