19-cu əsrin sonunda biologiyanın biokimya adlı bir qolu yarandı. Canlı hüceyrənin kimyəvi tərkibini öyrənir. Elmin əsas vəzifəsi bitki və heyvan hüceyrələrinin həyat fəaliyyətini tənzimləyən maddələr mübadiləsinin və enerjinin xüsusiyyətlərini bilməkdir.
Hüceyrənin kimyəvi tərkibi anlayışı
Diqqətli araşdırmalar nəticəsində alimlər hüceyrələrin kimyəvi quruluşunu tədqiq edərək canlıların tərkibində 85-dən çox kimyəvi elementin olduğunu müəyyən ediblər. Üstəlik, onlardan bəziləri demək olar ki, bütün orqanizmlər üçün məcburidir, digərləri isə spesifikdir və xüsusi bioloji növlərdə olur. Üçüncü qrup kimyəvi elementlər isə mikroorqanizmlərin, bitkilərin və heyvanların hüceyrələrində kifayət qədər az miqdarda olur. Hüceyrələrdə ən çox kationlar və anionlar şəklində kimyəvi elementlər olur, onlardan mineral duzlar və su əmələ gəlir və karbon tərkibli üzvi birləşmələr sintez olunur: karbohidratlar, zülallar, lipidlər.
Üzvi elementlər
Biokimyada bunlara karbon, hidrogen,oksigen və azot. Hüceyrədəki onların ümumiliyi onun tərkibindəki digər kimyəvi elementlərin 88-97%-ni təşkil edir. Karbon xüsusilə vacibdir. Hüceyrənin tərkibindəki bütün üzvi maddələr, tərkibində karbon atomları olan molekullardan ibarətdir. Onlar bir-biri ilə əlaqə qura bilir, zəncirlər (budaqlı və budaqsız), həmçinin dövrələr əmələ gətirir. Karbon atomlarının bu qabiliyyəti sitoplazmanı və hüceyrə orqanoidlərini təşkil edən heyrətamiz müxtəlif üzvi maddələrin əsasını təşkil edir.
Məsələn, hüceyrənin daxili tərkibi həll olunan oliqosakaridlərdən, hidrofilik zülallardan, lipidlərdən, müxtəlif növ ribonuklein turşusundan: transfer RNT, ribosomal RNT və xəbərçi RNT, həmçinin sərbəst monomerlərdən - nukleotidlərdən ibarətdir. Hüceyrə nüvəsi oxşar kimyəvi tərkibə malikdir. O, həmçinin xromosomların bir hissəsi olan dezoksiribonuklein turşusu molekullarını ehtiva edir. Yuxarıda göstərilən birləşmələrin hamısında azot, karbon, oksigen, hidrogen atomları var. Bu, onların xüsusilə mühüm əhəmiyyətinin sübutudur, çünki hüceyrələrin kimyəvi təşkili hüceyrə strukturlarını təşkil edən orqanogen elementlərin: hialoplazma və orqanellələrin tərkibindən asılıdır.
Makro elementlər və onların mənaları
Müxtəlif növ orqanizmlərin hüceyrələrində də çox rast gəlinən kimyəvi elementlərə biokimyada makronutrientlər deyilir. Onların hüceyrədəki tərkibi 1,2% - 1,9% təşkil edir. Hüceyrənin makroelementlərinə aşağıdakılar daxildir: fosfor, kalium, xlor, kükürd, maqnezium, kalsium, dəmir və natrium. Onların hamısı mühüm funksiyaları yerinə yetirir və müxtəlif hissələrin bir hissəsidirhüceyrə orqanoidləri. Beləliklə, dəmir ionu qan zülalında - oksigeni (bu halda oksihemoqlobin adlanır), karbon qazını (karbohemoqlobin) və ya karbon monoksitini (karboksihemoqlobin) daşıyan hemoglobində mövcuddur.
Natrium ionları hüceyrələrarası nəqliyyatın ən vacib növünü təmin edir: natrium-kalium nasosu. Onlar həmçinin interstisial mayenin və qan plazmasının bir hissəsidir. Maqnezium ionları xlorofil molekullarında (ali bitkilərin fotopiqmenti) mövcuddur və işıq enerjisinin fotonlarını tutan reaksiya mərkəzləri meydana gətirdiyi üçün fotosintez prosesində iştirak edir.
Kalsium ionları liflər boyunca sinir impulslarının keçirilməsini təmin edir, həmçinin osteositlərin - sümük hüceyrələrinin əsas komponentidir. Kalsium birləşmələri qabıqları kalsium karbonatdan ibarət olan onurğasızlar dünyasında geniş yayılmışdır.
Xlor ionları hüceyrə membranlarının doldurulmasında iştirak edir və sinir həyəcanının əsasını təşkil edən elektrik impulslarının meydana gəlməsini təmin edir.
Kükürd atomları yerli zülalların bir hissəsidir və polipeptid zəncirini "çarpaz bağlamaqla" onların üçüncü strukturunu müəyyən edir, nəticədə qlobulyar zülal molekulu əmələ gəlir.
Kalium ionları maddələrin hüceyrə membranları vasitəsilə daşınmasında iştirak edir. Fosfor atomları adenozin trifosfor turşusu kimi vacib enerji tutumlu maddənin bir hissəsidir və həmçinin hüceyrə irsiyyətinin əsas maddələri olan dezoksiribonuklein və ribonuklein turşusu molekullarının mühüm tərkib hissəsidir.
Hüceyrədəki mikroelementlərin funksiyalarımetabolizm
Hüceyrələrdə 0,1%-dən az təşkil edən 50-yə yaxın kimyəvi elementə mikroelementlər deyilir. Bunlara sink, molibden, yod, mis, kob alt, flüor daxildir. Əhəmiyyətsiz məzmunu ilə onlar çox vacib funksiyaları yerinə yetirirlər, çünki onlar bir çox bioloji aktiv maddələrin bir hissəsidir.
Məsələn, sink atomları insulin molekullarında (qanda qlükoza səviyyəsini tənzimləyən mədə altı vəzi hormonu) olur, yod tiroid hormonlarının - tiroksin və triiodotironinin tərkib hissəsidir, qanda maddələr mübadiləsinin səviyyəsinə nəzarət edir. bədən. Mis dəmir ionları ilə birlikdə hematopoezdə (onurğalıların qırmızı sümük iliyində eritrositlərin, trombositlərin və leykositlərin əmələ gəlməsi) iştirak edir. Mis ionları onurğasızların, məsələn, molyuskların qanında mövcud olan hemosiyanin piqmentinin bir hissəsidir. Buna görə də onların hemolimfinin rəngi mavidir.
Hüceyrədə qurğuşun, qızıl, brom, gümüş kimi kimyəvi elementlər daha azdır. Onlar ultramikroelementlər adlanır və bitki və heyvan hüceyrələrinin bir hissəsidir. Məsələn, qarğıdalı dənələrində kimyəvi analizlə qızıl ionları aşkar edilib. Böyük miqdarda brom atomları sarqassum, kelp, fukus kimi qəhvəyi və qırmızı yosunların tallus hüceyrələrinin bir hissəsidir.
Əvvəlki bütün nümunələr və faktlar hüceyrənin kimyəvi tərkibinin, funksiyalarının və quruluşunun bir-biri ilə necə əlaqəli olduğunu izah edir. Aşağıdakı cədvəl canlı orqanizmlərin hüceyrələrində müxtəlif kimyəvi elementlərin tərkibini göstərir.
Üzvi maddələrin ümumi xüsusiyyətləri
Müxtəlif orqanizm qruplarının hüceyrələrinin kimyəvi xassələri müəyyən dərəcədə karbon atomlarından asılıdır, onların nisbəti hüceyrə kütləsinin 50%-dən çoxunu təşkil edir. Hüceyrənin demək olar ki, bütün quru maddələri mürəkkəb quruluşa və böyük molekulyar çəkiyə malik olan karbohidratlar, zülallar, nuklein turşuları və lipidlərlə təmsil olunur. Belə molekullar makromolekullar (polimerlər) adlanır və daha sadə elementlərdən - monomerlərdən ibarətdir. Zülal maddələri son dərəcə mühüm rol oynayır və aşağıda müzakirə olunacaq bir çox funksiyaları yerinə yetirir.
Zülalların hüceyrədəki rolu
Canlı hüceyrəni təşkil edən birləşmələrin biokimyəvi analizi onun tərkibində zülal kimi üzvi maddələrin yüksək olduğunu təsdiqləyir. Bu faktın məntiqi izahı var: zülallar müxtəlif funksiyaları yerinə yetirir və hüceyrə həyatının bütün təzahürlərində iştirak edirlər.
Məsələn, zülalların qoruyucu funksiyası limfositlər tərəfindən istehsal olunan antikorların - immunoqlobulinlərin əmələ gəlməsidir. Trombin, fibrin və tromboblastin kimi qoruyucu zülallar qanın laxtalanmasını təmin edir və zədələr və yaralar zamanı onun itirilməsinin qarşısını alır. Hüceyrənin tərkibinə xarici birləşmələri - antigenləri tanımaq qabiliyyətinə malik olan hüceyrə membranlarının mürəkkəb zülalları daxildir. Onlar konfiqurasiyasını dəyişir və hüceyrəyə potensial təhlükə barədə məlumat verir (siqnal funksiyası).
Bəzi zülallar tənzimləyici funksiyaya malikdir və hormonlardır, məsələn, hipotalamusun istehsal etdiyi oksitosin hipofiz vəzi tərəfindən qorunur. Ondanqan, oksitosin uterusun əzələ divarlarına təsir edərək, onun büzülməsinə səbəb olur. Vazopressin zülalı həmçinin qan təzyiqinə nəzarət edən tənzimləyici funksiyaya malikdir.
Əzələ hüceyrələrində əzələ toxumasının motor funksiyasını təyin edən, büzülə bilən aktin və miozin var. Zülalların da trofik funksiyası var, məsələn, albumin embrion tərəfindən onun inkişafı üçün qida maddəsi kimi istifadə olunur. Hemoqlobin və hemosiyanin kimi müxtəlif orqanizmlərin qan zülalları oksigen molekullarını daşıyır - onlar nəqliyyat funksiyasını yerinə yetirirlər. Karbohidratlar və lipidlər kimi daha çox enerji tələb edən maddələr tam istifadə edilərsə, hüceyrə zülalları parçalamağa davam edir. Bu maddənin bir qramı 17,2 kJ enerji verir. Zülalların ən mühüm funksiyalarından biri katalitikdir (ferment zülalları sitoplazmanın bölmələrində baş verən kimyəvi reaksiyaları sürətləndirir). Yuxarıda deyilənlərə əsaslanaraq, zülalların çox vacib funksiyaları yerinə yetirdiyinə və mütləq heyvan hüceyrəsinin bir hissəsi olduğuna əmin olduq.
Protein biosintezi
Sitoplazmada ribosomlar kimi orqanoidlərin köməyi ilə baş verən hüceyrədə protein sintezi prosesini nəzərdən keçirək. Xüsusi fermentlərin fəaliyyəti sayəsində kalsium ionlarının iştirakı ilə ribosomlar polisomlara birləşir. Hüceyrədəki ribosomların əsas funksiyaları transkripsiya prosesi ilə başlayan zülal molekullarının sintezidir. Nəticədə polisomların bağlandığı mRNT molekulları sintez olunur. Sonra ikinci proses başlayır - tərcümə. Transfer RNTiyirmi müxtəlif növ amin turşusu ilə birləşərək polisomlara gətirir və hüceyrədəki ribosomların funksiyaları polipeptidlərin sintezi olduğundan, bu orqanoidlər tRNT ilə komplekslər əmələ gətirir və amin turşusu molekulları bir-birinə peptid bağları ilə bağlanaraq protein makromolekulu.
Metabolik proseslərdə suyun rolu
Sitoloji tədqiqatlar təsdiq etmişdir ki, quruluşu və tərkibi tədqiq etdiyimiz hüceyrənin orta hesabla 70%-i sudan ibarətdir və suda həyat tərzi keçirən bir çox heyvanlarda (məsələn, coelenteratlar) onun tərkibi 97-98%-ə çatır. Bunu nəzərə alaraq hüceyrələrin kimyəvi quruluşuna hidrofilik (həll etməyə qadir) və hidrofobik (su itələyici) maddələr daxildir. Universal qütb həlledicisi olan su müstəsna rol oynayır və təkcə funksiyalara deyil, həm də hüceyrənin quruluşuna birbaşa təsir göstərir. Aşağıdakı cədvəl müxtəlif növ canlı orqanizmlərin hüceyrələrindəki suyun tərkibini göstərir.
Hüceyrədəki karbohidratların funksiyası
Əvvəllər öyrəndiyimiz kimi, karbohidratlar da vacib üzvi maddələrdir - polimerlər. Bunlara polisaxaridlər, oliqosakaridlər və monosaxaridlər daxildir. Karbohidratlar daha mürəkkəb komplekslərin - qlikolipidlərin və qlikoproteinlərin bir hissəsidir, onlardan hüceyrə membranları və qlikokaliks kimi supramembran strukturlar qurulur.
Karbohidratlarda karbondan əlavə oksigen və hidrogen atomları, bəzi polisaxaridlərdə isə azot, kükürd və fosfor da var. Bitki hüceyrələrində çoxlu karbohidratlar var: kartof kök yumruları90%-ə qədər nişasta, toxum və meyvələrdə 70%-ə qədər karbohidrat var və heyvan hüceyrələrində onlar qlikogen, xitin və trehaloza kimi birləşmələr şəklində olur.
Sadə şəkərlər (monosaxaridlər) CnH2nOn ümumi düsturuna malikdir və tetrozalara, triozalara, pentozalara və heksozalara bölünür. Son ikisi canlı orqanizmlərin hüceyrələrində ən çox yayılmışdır, məsələn, riboza və dezoksiriboza nuklein turşularının bir hissəsidir, qlükoza və fruktoza isə assimilyasiya və dissimilyasiya reaksiyalarında iştirak edir. Oliqosakaridlər tez-tez bitki hüceyrələrində olur: saxaroza şəkər çuğundurunun və şəkər qamışının hüceyrələrində, m altoza cücərmiş çovdar və arpa dənələrində olur.
Disakkaridlərin şirin dadı var və suda yaxşı həll olunur. Polisaxaridlər biopolimerlər olmaqla əsasən nişasta, sellüloza, glikogen və laminarinlə təmsil olunurlar. Xitin polisaxaridlərin struktur formalarına aiddir. Karbohidratların hüceyrədəki əsas funksiyası enerjidir. Hidroliz və enerji mübadiləsi reaksiyaları nəticəsində polisaxaridlər qlükozaya parçalanır, daha sonra karbon qazına və suya oksidləşir. Nəticədə, bir qram qlükoza 17,6 kJ enerji buraxır və nişasta və qlikogen ehtiyatları əslində hüceyrə enerjisinin anbarıdır.
Qlikogen əsasən əzələ toxumasında və qaraciyər hüceyrələrində, tərəvəz nişastası kök yumrularında, soğanlarda, köklərdə, toxumlarda, hörümçəklər, həşəratlar və xərçəngkimilər kimi artropodlarda isə trehaloza oliqosakarid enerji təchizatında böyük rol oynayır.
Karbohidratlaroksigensiz parçalanma qabiliyyətinə görə lipid və zülallardan fərqlənir. Bu, anaerob bakteriyalar və helmintlər - insanların və heyvanların parazitləri kimi oksigen çatışmazlığı və ya olmaması şəraitində yaşayan orqanizmlər üçün son dərəcə vacibdir.
Hüceyrədə karbohidratların başqa bir funksiyası var - tikinti (struktur). Bu, bu maddələrin hüceyrələrin dəstəkləyici strukturları olmasındadır. Məsələn, sellüloza bitkilərin hüceyrə divarlarının bir hissəsidir, xitin bir çox onurğasızların xarici skeletini təşkil edir və göbələk hüceyrələrində olur, olisakkaridlər lipid və zülal molekulları ilə birlikdə qlikokaliks - membranüstü kompleks təşkil edir. O, yapışmanı təmin edir - heyvan hüceyrələrinin bir-birinə yapışmasını, toxumaların əmələ gəlməsinə səbəb olur.
Lipidlər: quruluş və funksiyalar
Hidrofobik (suda həll olunmayan) olan bu üzvi maddələr aseton və ya xloroform kimi qütb olmayan həlledicilərdən istifadə etməklə, yəni hüceyrələrdən çıxarıla bilər. Hüceyrədəki lipidlərin funksiyaları onların üç qrupdan hansına aid olmasından asılıdır: yağlar, mumlar və ya steroidlər. Yağlar bütün hüceyrə növlərində ən çox olanlardır.
Heyvanlar onları dəri altı piy toxumasında toplayır, sinir toxumasında sinirlərin miyelin qabıqları şəklində piy olur. O, həmçinin böyrəklərdə, qaraciyərdə, həşəratlarda - yağlı bədəndə toplanır. Maye yağlar - yağlar - bir çox bitkilərin toxumlarında olur: sidr, fıstıq, günəbaxan, zeytun. Hüceyrələrdə lipidlərin tərkibi 5-90% arasında dəyişir (piy toxumasında).
Steroidlər və mumlaryağlardan onunla fərqlənir ki, onların molekullarında yağ turşusu qalıqları yoxdur. Beləliklə, steroidlər adrenal korteksin hormonlarıdır, bədənin yetkinliyinə təsir göstərir və testosteronun tərkib hissəsidir. Onlar həmçinin vitaminlərdə (məsələn, D vitamini) var.
Lipidlərin hüceyrədəki əsas funksiyaları enerji, tikinti və qoruyucu funksiyalardır. Birincisi, parçalanma zamanı 1 qram yağın 38,9 kJ enerji verməsi ilə bağlıdır - digər üzvi maddələrdən - zülallardan və karbohidratlardan xeyli çoxdur. Bundan əlavə, 1 q yağın oksidləşməsi zamanı demək olar ki, 1,1 q sərbəst buraxılır. su. Buna görə bədənlərində yağ ehtiyatı olan bəzi heyvanlar uzun müddət susuz qala bilərlər. Məsələn, gophers suya ehtiyac duymadan iki aydan çox qış yuxusuna gedə bilər və dəvə 10-12 gün ərzində səhradan keçəndə su içmir.
Lipidlərin tikinti funksiyası ondan ibarətdir ki, onlar hüceyrə membranlarının ayrılmaz hissəsidir və eyni zamanda sinirlərin bir hissəsidir. Lipidlərin qoruyucu funksiyası ondan ibarətdir ki, böyrəklərin və digər daxili orqanların ətrafındakı dərinin altındakı yağ təbəqəsi onları mexaniki zədələrdən qoruyur. Xüsusi bir istilik izolyasiya funksiyası uzun müddət suda olan heyvanlara xasdır: balinalar, suitilər, xəz suitilər. Qalın dəri altı piy təbəqəsi, məsələn, mavi balinada 0,5 m-dir, heyvanı hipotermiyadan qoruyur.
Oksigenin hüceyrə mübadiləsində əhəmiyyəti
Heyvanların, bitkilərin və insanların böyük əksəriyyətini əhatə edən aerob orqanizmlər enerji mübadiləsi reaksiyaları üçün atmosfer oksigenindən istifadə edir,üzvi maddələrin parçalanmasına və adenozin trifosfor turşusunun molekulları şəklində toplanmış müəyyən miqdarda enerjinin sərbəst buraxılmasına gətirib çıxarır.
Beləliklə, mitoxondriyanın kristallarında baş verən bir mol qlükozanın tam oksidləşməsi ilə 2800 kJ enerji ayrılır ki, bunun da 1596 kJ (55%) tərkibində makroergik olan ATP molekulları şəklində saxlanılır. istiqrazlar. Beləliklə, hüceyrədə oksigenin əsas funksiyası hüceyrə orqanoidlərində - mitoxondriyalarda baş verən qondarma tənəffüs zəncirinin bir qrup fermentativ reaksiyasına əsaslanan aerob tənəffüsün həyata keçirilməsidir. Prokaryotik orqanizmlərdə - fototrof bakteriyalar və siyanobakteriyalarda qida maddələrinin oksidləşməsi plazma membranlarının daxili kənarlarında hüceyrələrə yayılan oksigenin təsiri altında baş verir.
Hüceyrələrin kimyəvi quruluşunu, həmçinin protein biosintezi proseslərini və hüceyrə enerji mübadiləsində oksigenin funksiyasını öyrəndik.
