Alla fine del 19° secolo si formò una branca della biologia chiamata biochimica. Studia la composizione chimica di una cellula vivente. Il compito principale della scienza è la conoscenza delle caratteristiche del metabolismo e dell'energia che regolano l'attività vitale delle cellule vegetali e animali.
Il concetto di composizione chimica della cellula
Come risultato di un'attenta ricerca, gli scienziati hanno studiato l'organizzazione chimica delle cellule e hanno scoperto che gli esseri viventi hanno più di 85 elementi chimici nella loro composizione. Inoltre, alcuni di essi sono obbligatori per quasi tutti gli organismi, mentre altri sono specifici e si trovano in specifiche specie biologiche. E il terzo gruppo di elementi chimici è presente nelle cellule di microrganismi, piante e animali in quantità abbastanza piccole. Le cellule contengono elementi chimici il più delle volte sotto forma di cationi e anioni, da cui si formano sali minerali e acqua e vengono sintetizzati composti organici contenenti carbonio: carboidrati, proteine, lipidi.
Elementi organogeni
In biochimica questi includono carbonio, idrogeno,ossigeno e azoto. La loro totalità nella cellula va dall'88 al 97% degli altri elementi chimici in essa contenuti. Il carbonio è particolarmente importante. Tutte le sostanze organiche nella composizione della cellula sono composte da molecole contenenti atomi di carbonio nella loro composizione. Sono in grado di connettersi tra loro, formando catene (ramificate e non ramificate), nonché cicli. Questa capacità degli atomi di carbonio è alla base della sorprendente varietà di sostanze organiche che compongono il citoplasma e gli organelli cellulari.
Ad esempio, il contenuto interno di una cellula è costituito da oligosaccaridi solubili, proteine idrofile, lipidi, vari tipi di acido ribonucleico: RNA di trasferimento, RNA ribosomiale e RNA messaggero, nonché monomeri liberi - nucleotidi. Il nucleo cellulare ha una composizione chimica simile. Contiene anche molecole di acido desossiribonucleico che fanno parte dei cromosomi. Tutti i suddetti composti contengono atomi di azoto, carbonio, ossigeno, idrogeno. Questa è la prova del loro significato particolarmente importante, poiché l'organizzazione chimica delle cellule dipende dal contenuto degli elementi organogeni che compongono le strutture cellulari: ialoplasma e organelli.
Elementi macro e loro significati
Gli elementi chimici, che sono anche molto comuni nelle cellule di vari tipi di organismi, sono chiamati macronutrienti in biochimica. Il loro contenuto nella cella è 1,2% - 1,9%. I macroelementi della cellula comprendono: fosforo, potassio, cloro, zolfo, magnesio, calcio, ferro e sodio. Tutti svolgono funzioni importanti e fanno parte di variorganelli cellulari. Quindi, lo ione ferroso è presente nella proteina del sangue - l'emoglobina, che trasporta l'ossigeno (in questo caso si chiama ossiemoglobina), l'anidride carbonica (carboemoglobina) o il monossido di carbonio (carbossiemoglobina).
Gli ioni sodio forniscono il tipo più importante di trasporto intercellulare: la cosiddetta pompa sodio-potassio. Fanno anche parte del liquido interstiziale e del plasma sanguigno. Gli ioni di magnesio sono presenti nelle molecole di clorofilla (fotopigmento delle piante superiori) e partecipano al processo di fotosintesi, poiché formano centri di reazione che intrappolano i fotoni di energia luminosa.
Gli ioni calcio forniscono la conduzione degli impulsi nervosi lungo le fibre e sono anche il componente principale degli osteociti, le cellule ossee. I composti del calcio sono ampiamente distribuiti nel mondo degli invertebrati, i cui gusci sono composti da carbonato di calcio.
Gli ioni cloro sono coinvolti nella ricarica delle membrane cellulari e forniscono il verificarsi di impulsi elettrici che sono alla base dell'eccitazione nervosa.
Gli atomi di zolfo fanno parte delle proteine native e determinano la loro struttura terziaria "reticolando" la catena polipeptidica, determinando la formazione di una molecola proteica globulare.
Gli ioni potassio sono coinvolti nel trasporto di sostanze attraverso le membrane cellulari. Gli atomi di fosforo fanno parte di un'importante sostanza ad alta intensità energetica come l'acido adenosina trifosforico e sono anche un componente importante delle molecole di acido desossiribonucleico e ribonucleico, che sono le principali sostanze dell'eredità cellulare.
Funzioni degli oligoelementi nel cellularemetabolismo
Circa 50 elementi chimici che costituiscono meno dello 0,1% nelle cellule sono chiamati oligoelementi. Questi includono zinco, molibdeno, iodio, rame, cob alto, fluoro. Con un contenuto insignificante, svolgono funzioni molto importanti, in quanto fanno parte di molte sostanze biologicamente attive.
Ad esempio, gli atomi di zinco si trovano nelle molecole di insulina (un ormone pancreatico che regola i livelli di glucosio nel sangue), lo iodio è parte integrante degli ormoni tiroidei - tiroxina e triiodotironina, che controllano il livello del metabolismo nel corpo. Il rame, insieme agli ioni ferro, è coinvolto nell'emopoiesi (la formazione di eritrociti, piastrine e leucociti nel midollo osseo rosso dei vertebrati). Gli ioni rame fanno parte del pigmento emocianina presente nel sangue degli invertebrati, come i molluschi. Pertanto, il colore della loro emolinfa è blu.
Ancora meno contenuto nella cellula di elementi chimici come piombo, oro, bromo, argento. Sono chiamati ultramicroelementi e fanno parte delle cellule vegetali e animali. Ad esempio, gli ioni d'oro sono stati rilevati nei chicchi di mais mediante analisi chimiche. Gli atomi di bromo in grandi quantità fanno parte delle cellule del tallo delle alghe brune e rosse, come sargassum, alghe, fucus.
Tutti gli esempi e i fatti di cui sopra spiegano come la composizione chimica, le funzioni e la struttura della cellula sono interconnesse. La tabella seguente mostra il contenuto di vari elementi chimici nelle cellule degli organismi viventi.
Caratteristiche generali delle sostanze organiche
Le proprietà chimiche delle cellule di vari gruppi di organismi dipendono in un certo modo dagli atomi di carbonio, la cui proporzione supera il 50% della massa cellulare. Quasi tutta la sostanza secca della cellula è rappresentata da carboidrati, proteine, acidi nucleici e lipidi, che hanno una struttura complessa e un grande peso molecolare. Tali molecole sono chiamate macromolecole (polimeri) e sono costituite da elementi più semplici: i monomeri. Le sostanze proteiche svolgono un ruolo estremamente importante e svolgono molte funzioni, che verranno discusse di seguito.
Il ruolo delle proteine nella cellula
L'analisi biochimica dei composti che compongono una cellula vivente conferma l' alto contenuto di sostanze organiche come le proteine in essa. C'è una spiegazione logica per questo fatto: le proteine svolgono varie funzioni e sono coinvolte in tutte le manifestazioni della vita cellulare.
Ad esempio, la funzione protettiva delle proteine è la formazione di anticorpi, le immunoglobuline prodotte dai linfociti. Le proteine protettive come la trombina, la fibrina e la tromboblastina forniscono la coagulazione del sangue e ne prevengono la perdita durante lesioni e ferite. La composizione della cellula comprende proteine complesse delle membrane cellulari che hanno la capacità di riconoscere composti estranei - antigeni. Cambiano la loro configurazione e informano la cellula di un potenziale pericolo (funzione di segnalazione).
Alcune proteine hanno una funzione regolatrice e sono ormoni, ad esempio l'ossitocina prodotta dall'ipotalamo è riservata dalla ghiandola pituitaria. Da esso asangue, l'ossitocina agisce sulle pareti muscolari dell'utero, provocandone la contrazione. La proteina vasopressina ha anche una funzione regolatrice, controllando la pressione sanguigna.
Nelle cellule muscolari ci sono actina e miosina che possono contrarsi, il che determina la funzione motoria del tessuto muscolare. Le proteine hanno anche una funzione trofica, ad esempio l'albumina viene utilizzata dall'embrione come nutriente per il suo sviluppo. Le proteine del sangue di vari organismi, come l'emoglobina e l'emocianina, trasportano molecole di ossigeno: svolgono una funzione di trasporto. Se vengono utilizzate completamente sostanze ad alta intensità energetica come carboidrati e lipidi, la cellula procede a scomporre le proteine. Un grammo di questa sostanza fornisce 17,2 kJ di energia. Una delle funzioni più importanti delle proteine è quella catalitica (le proteine enzimatiche accelerano le reazioni chimiche che avvengono nei compartimenti del citoplasma). Sulla base di quanto sopra, eravamo convinti che le proteine svolgano molte funzioni molto importanti e siano necessariamente parte della cellula animale.
Biosintesi proteica
Considera il processo di sintesi proteica in una cellula, che avviene nel citoplasma con l'aiuto di organelli come i ribosomi. Grazie all'attività di enzimi speciali, con la partecipazione di ioni calcio, i ribosomi vengono combinati in polisomi. Le principali funzioni dei ribosomi in una cellula sono la sintesi di molecole proteiche, che inizia con il processo di trascrizione. Di conseguenza, vengono sintetizzate molecole di mRNA, a cui sono attaccati i polisomi. Quindi inizia il secondo processo: la traduzione. Trasferimento di RNAsi combinano con venti diversi tipi di amminoacidi e li portano ai polisomi, e poiché le funzioni dei ribosomi in una cellula sono la sintesi di polipeptidi, questi organelli formano complessi con tRNA e le molecole di amminoacidi si legano tra loro mediante legami peptidici, formando un macromolecola proteica.
Il ruolo dell'acqua nei processi metabolici
Gli studi citologici hanno confermato il fatto che la cellula, la cui struttura e composizione stiamo studiando, contiene in media il 70% di acqua, e in molti animali che conducono uno stile di vita acquatico (ad esempio i celenterati), la sua il contenuto raggiunge il 97-98%. Con questo in mente, l'organizzazione chimica delle cellule include sostanze idrofile (capaci di dissolversi) e idrofobe (idrorepellenti). Essendo un solvente polare universale, l'acqua svolge un ruolo eccezionale e influisce direttamente non solo sulle funzioni, ma anche sulla struttura stessa della cellula. La tabella seguente mostra il contenuto di acqua nelle cellule di vari tipi di organismi viventi.
La funzione dei carboidrati nella cellula
Come abbiamo scoperto in precedenza, anche i carboidrati sono sostanze organiche importanti: i polimeri. Questi includono polisaccaridi, oligosaccaridi e monosaccaridi. I carboidrati fanno parte di complessi più complessi - glicolipidi e glicoproteine, da cui sono costruite le membrane cellulari e le strutture sopra-membrana, come il glicocalice.
Oltre al carbonio, i carboidrati contengono ossigeno e atomi di idrogeno e alcuni polisaccaridi contengono anche azoto, zolfo e fosforo. Ci sono molti carboidrati nelle cellule vegetali: i tuberi di patatacontengono fino al 90% di amido, semi e frutti contengono fino al 70% di carboidrati e nelle cellule animali si trovano sotto forma di composti come glicogeno, chitina e trealosio.
Gli zuccheri semplici (monosaccaridi) hanno la formula generale CnH2nOn e si dividono in tetrosi, triosi, pentosi ed esosi. Gli ultimi due sono i più comuni nelle cellule degli organismi viventi, ad esempio il ribosio e il desossiribosio fanno parte degli acidi nucleici e il glucosio e il fruttosio prendono parte alle reazioni di assimilazione e dissimilazione. Gli oligosaccaridi si trovano spesso nelle cellule vegetali: il saccarosio è immagazzinato nelle cellule della barbabietola da zucchero e della canna da zucchero, il m altosio si trova nei chicchi germinati di segale e orzo.
I disaccaridi hanno un sapore dolce e si sciolgono bene in acqua. I polisaccaridi, essendo biopolimeri, sono rappresentati principalmente da amido, cellulosa, glicogeno e laminarina. La chitina appartiene alle forme strutturali dei polisaccaridi. La funzione principale dei carboidrati nella cellula è l'energia. Come risultato dell'idrolisi e delle reazioni del metabolismo energetico, i polisaccaridi vengono scomposti in glucosio e quindi ossidati in anidride carbonica e acqua. Di conseguenza, un grammo di glucosio rilascia 17,6 kJ di energia e le riserve di amido e glicogeno, infatti, sono una riserva di energia cellulare.
Il glicogeno è immagazzinato principalmente nel tessuto muscolare e nelle cellule del fegato, l'amido vegetale nei tuberi, bulbi, radici, semi e negli artropodi come ragni, insetti e crostacei, l'oligosaccaride trealosio svolge un ruolo importante nell'approvvigionamento energetico.
Carboidratidifferiscono dai lipidi e dalle proteine nella loro capacità di scissione senza ossigeno. Questo è estremamente importante per gli organismi che vivono in condizioni di carenza o assenza di ossigeno, come i batteri anaerobici e gli elminti, parassiti di esseri umani e animali.
C'è un' altra funzione dei carboidrati nella cellula: la costruzione (strutturale). Sta nel fatto che queste sostanze sono le strutture portanti delle cellule. Ad esempio, la cellulosa fa parte delle pareti cellulari delle piante, la chitina forma lo scheletro esterno di molti invertebrati e si trova nelle cellule fungine, gli olisaccaridi, insieme a molecole lipidiche e proteiche, formano un glicocalice - un complesso epimembrana. Fornisce adesione - l'adesione delle cellule animali l'una all' altra, portando alla formazione di tessuti.
Lipidi: struttura e funzioni
Queste sostanze organiche, che sono idrofobiche (insolubili in acqua), possono essere estratte, cioè estratte dalle cellule, utilizzando solventi non polari come acetone o cloroformio. Le funzioni dei lipidi in una cellula dipendono da quale dei tre gruppi a cui appartengono: grassi, cere o steroidi. I grassi sono i più abbondanti in tutti i tipi cellulari.
Gli animali li accumulano nel tessuto adiposo sottocutaneo, il tessuto nervoso contiene grasso sotto forma di guaine nervose mieliniche. Si accumula anche nei reni, nel fegato, negli insetti - nel corpo grasso. I grassi liquidi - oli - si trovano nei semi di molte piante: cedro, arachidi, girasole, oliva. Il contenuto di lipidi nelle cellule varia dal 5 al 90% (nel tessuto adiposo).
Steroidi e ceredifferiscono dai grassi in quanto non contengono residui di acidi grassi nelle loro molecole. Quindi, gli steroidi sono ormoni della corteccia surrenale che influenzano la pubertà del corpo e sono componenti del testosterone. Si trovano anche nelle vitamine (come la vitamina D).
Le principali funzioni dei lipidi nella cellula sono l'energia, la costruzione e la protezione. Il primo è dovuto al fatto che 1 grammo di grasso durante la scissione fornisce 38,9 kJ di energia - molto più di altre sostanze organiche - proteine e carboidrati. Inoltre, durante l'ossidazione di 1 g di grasso, viene rilasciato quasi 1,1 g. acqua. Ecco perché alcuni animali, avendo una scorta di grasso nel loro corpo, possono rimanere senza acqua per molto tempo. Ad esempio, i roditori possono ibernarsi per più di due mesi senza bisogno di acqua e un cammello non beve acqua quando attraversa il deserto per 10-12 giorni.
La funzione di costruzione dei lipidi è che sono parte integrante delle membrane cellulari e fanno anche parte dei nervi. La funzione protettiva dei lipidi è che uno strato di grasso sotto la pelle attorno ai reni e ad altri organi interni li protegge da lesioni meccaniche. Una specifica funzione di isolamento termico è inerente agli animali che restano in acqua da molto tempo: balene, foche, otarie. Uno spesso strato di grasso sottocutaneo, ad esempio, in una balenottera azzurra è 0,5 m, protegge l'animale dall'ipotermia.
L'importanza dell'ossigeno nel metabolismo cellulare
Gli organismi aerobici, che includono la stragrande maggioranza di animali, piante e esseri umani, utilizzano l'ossigeno atmosferico per le reazioni del metabolismo energetico,portando alla decomposizione delle sostanze organiche e al rilascio di una certa quantità di energia accumulata sotto forma di molecole di acido adenosina trifosforico.
Così, con la completa ossidazione di una mole di glucosio, che avviene sulle creste dei mitocondri, si liberano 2800 kJ di energia, di cui 1596 kJ (55%) vengono immagazzinati sotto forma di molecole di ATP contenenti macroergici obbligazioni. Pertanto, la funzione principale dell'ossigeno nella cellula è l'implementazione della respirazione aerobica, che si basa su un gruppo di reazioni enzimatiche della cosiddetta catena respiratoria, che si verificano negli organelli cellulari - i mitocondri. Negli organismi procarioti - batteri fototrofici e cianobatteri - l'ossidazione dei nutrienti avviene sotto l'azione dell'ossigeno che si diffonde nelle cellule sulle escrescenze interne delle membrane plasmatiche.
Abbiamo studiato l'organizzazione chimica delle cellule, i processi di biosintesi delle proteine e la funzione dell'ossigeno nel metabolismo energetico cellulare.
