Vào cuối thế kỷ 19, một nhánh sinh học được gọi là hóa sinh được hình thành. Nó nghiên cứu thành phần hóa học của một tế bào sống. Nhiệm vụ chính của khoa học là kiến thức về các đặc điểm của quá trình trao đổi chất và năng lượng điều chỉnh hoạt động quan trọng của tế bào động thực vật.
Khái niệm về thành phần hóa học của tế bào
Là kết quả của quá trình nghiên cứu kỹ lưỡng, các nhà khoa học đã nghiên cứu tổ chức hóa học của tế bào và phát hiện ra rằng chúng sinh có hơn 85 nguyên tố hóa học trong thành phần của chúng. Hơn nữa, một số trong số chúng là bắt buộc đối với hầu hết tất cả các sinh vật, trong khi một số khác là cụ thể và được tìm thấy trong các loài sinh học cụ thể. Và nhóm nguyên tố hóa học thứ ba có trong tế bào của vi sinh vật, thực vật và động vật với số lượng khá nhỏ. Tế bào chứa các nguyên tố hóa học thường ở dạng cation và anion, từ đó muối khoáng và nước được hình thành, đồng thời tổng hợp các hợp chất hữu cơ chứa cacbon: cacbohydrat, protein, lipid.
Nguyên tố sinh vật
Trong hóa sinh, chúng bao gồm carbon, hydro,oxy và nitơ. Tổng số của chúng trong tế bào là từ 88 đến 97% các nguyên tố hóa học khác trong đó. Carbon đặc biệt quan trọng. Tất cả các chất hữu cơ trong thành phần của tế bào đều được cấu tạo từ các phân tử có chứa nguyên tử cacbon trong thành phần của chúng. Chúng có thể kết nối với nhau, tạo thành chuỗi (phân nhánh và không phân nhánh), cũng như chu kỳ. Khả năng này của các nguyên tử cacbon làm cơ sở cho sự đa dạng tuyệt vời của các chất hữu cơ tạo nên tế bào chất và các bào quan tế bào.
Ví dụ, nội dung bên trong tế bào bao gồm các oligosaccharide hòa tan, protein ưa nước, lipid, các loại axit ribonucleic khác nhau: RNA vận chuyển, RNA ribosome và RNA thông tin, cũng như các đơn phân tự do - nucleotide. Nhân tế bào có thành phần hóa học tương tự nhau. Nó cũng chứa các phân tử axit deoxyribonucleic là một phần của nhiễm sắc thể. Tất cả các hợp chất trên đều chứa các nguyên tử nitơ, cacbon, oxi, hiđro. Đây là bằng chứng về ý nghĩa đặc biệt quan trọng của chúng, vì tổ chức hóa học của tế bào phụ thuộc vào hàm lượng của các nguyên tố sinh vật tạo nên cấu trúc tế bào: hyaloplasm và bào quan.
Các yếu tố vĩ mô và ý nghĩa của chúng
Các nguyên tố hóa học, cũng rất phổ biến trong tế bào của nhiều loại sinh vật khác nhau, được gọi là chất dinh dưỡng đa lượng trong hóa sinh. Hàm lượng của chúng trong tế bào là 1,2% - 1,9%. Các nguyên tố vĩ mô của tế bào bao gồm: phốt pho, kali, clo, lưu huỳnh, magiê, canxi, sắt và natri. Tất cả chúng đều thực hiện các chức năng quan trọng và là một phần của cáccác bào quan của tế bào. Vì vậy, ion sắt có trong protein của máu - hemoglobin, vận chuyển oxy (trong trường hợp này được gọi là oxyhemoglobin), carbon dioxide (carbohemoglobin) hoặc carbon monoxide (carboxyhemoglobin).
Các ion natri cung cấp loại vận chuyển gian bào quan trọng nhất: cái gọi là bơm natri-kali. Chúng cũng là một phần của dịch kẽ và huyết tương. Các ion magie có trong các phân tử diệp lục (tế bào quang thực vật bậc cao) và tham gia vào quá trình quang hợp, vì chúng tạo thành các trung tâm phản ứng bẫy các photon năng lượng ánh sáng.
IonCanxi cung cấp sự dẫn truyền các xung thần kinh dọc theo các sợi, và cũng là thành phần chính của tế bào xương - tế bào xương. Các hợp chất canxi phân bố rộng rãi trong thế giới động vật không xương sống, có vỏ được cấu tạo từ canxi cacbonat.
Các ion clo tham gia vào quá trình sạc lại màng tế bào và cung cấp sự xuất hiện của các xung điện làm cơ sở cho sự kích thích thần kinh.
Nguyên tử lưu huỳnh là một phần của protein tự nhiên và xác định cấu trúc bậc ba của chúng bằng cách "liên kết chéo" với chuỗi polypeptit, dẫn đến sự hình thành phân tử protein hình cầu.
Ion kali tham gia vào quá trình vận chuyển các chất qua màng tế bào. Nguyên tử phốt pho là một phần của chất sử dụng nhiều năng lượng quan trọng như axit adenosine triphosphoric, và cũng là một thành phần quan trọng của phân tử axit deoxyribonucleic và axit ribonucleic, là những chất chính của di truyền tế bào.
Chức năng của các nguyên tố vi lượng trong tế bàotrao đổi chất
Khoảng 50 nguyên tố hóa học chiếm ít hơn 0,1% trong tế bào được gọi là nguyên tố vi lượng. Chúng bao gồm kẽm, molypden, iốt, đồng, coban, flo. Với hàm lượng không đáng kể, chúng thực hiện các chức năng rất quan trọng, vì chúng là một phần của nhiều hoạt chất sinh học.
Ví dụ: nguyên tử kẽm được tìm thấy trong các phân tử của insulin (một loại hormone tuyến tụy điều chỉnh lượng đường trong máu), iốt là một phần không thể thiếu của hormone tuyến giáp - thyroxine và triiodothyronine, kiểm soát mức độ trao đổi chất trong thân hình. Đồng, cùng với các ion sắt, tham gia vào quá trình tạo máu (hình thành hồng cầu, tiểu cầu và bạch cầu trong tủy xương đỏ của động vật có xương sống). Các ion đồng là một phần của sắc tố hemocyanin có trong máu của động vật không xương sống, chẳng hạn như động vật thân mềm. Do đó, màu sắc của hemolymph của họ là màu xanh lam.
Hàm lượng ít hơn trong ô của các nguyên tố hóa học như chì, vàng, brom, bạc. Chúng được gọi là nguyên tố siêu vi lượng và là một phần của tế bào động thực vật. Ví dụ, các ion vàng được phát hiện trong hạt ngô bằng phân tích hóa học. Các nguyên tử brom với số lượng lớn là một phần của các tế bào của tảo nâu và tảo đỏ, chẳng hạn như sargassum, tảo bẹ, fucus.
Tất cả các ví dụ và dữ kiện trên giải thích cách thành phần hóa học, chức năng và cấu trúc của tế bào liên kết với nhau. Bảng dưới đây cho thấy hàm lượng của các nguyên tố hóa học khác nhau trong tế bào của sinh vật sống.
Đặc điểm chung của chất hữu cơ
Tính chất hóa học của tế bào của các nhóm sinh vật khác nhau theo một cách nhất định phụ thuộc vào nguyên tử cacbon, tỷ lệ trong đó chiếm hơn 50% khối lượng tế bào. Hầu hết tất cả các chất khô của tế bào được đại diện bởi cacbohydrat, protein, axit nucleic và lipid, có cấu trúc phức tạp và trọng lượng phân tử lớn. Những phân tử như vậy được gọi là đại phân tử (polyme) và bao gồm các phần tử đơn giản hơn - monome. Protein đóng vai trò cực kỳ quan trọng và thực hiện nhiều chức năng sẽ được thảo luận bên dưới.
Vai trò của protein trong tế bào
Phân tích sinh hóa của các hợp chất tạo nên một tế bào sống xác nhận hàm lượng cao của các chất hữu cơ như protein trong đó. Có một lời giải thích hợp lý cho thực tế này: protein thực hiện nhiều chức năng khác nhau và tham gia vào tất cả các biểu hiện của đời sống tế bào.
Ví dụ, chức năng bảo vệ của các protein là sự hình thành các kháng thể - các globulin miễn dịch được sản xuất bởi các tế bào bạch huyết. Các protein bảo vệ như thrombin, fibrin và thromboblastin cung cấp quá trình đông máu và ngăn ngừa sự mất máu trong quá trình chấn thương và vết thương. Thành phần của tế bào bao gồm các protein phức tạp của màng tế bào có khả năng nhận biết các hợp chất lạ - kháng nguyên. Chúng thay đổi cấu hình và thông báo cho tế bào về nguy cơ tiềm ẩn (chức năng báo hiệu).
Một số protein có chức năng điều hòa và là hormone, ví dụ, oxytocin do vùng dưới đồi sản xuất được dự trữ bởi tuyến yên. Từ nó đếnmáu, oxytocin tác động lên các thành cơ của tử cung, làm cho cơ tử cung co lại. Protein vasopressin cũng có chức năng điều hòa, kiểm soát huyết áp.
Trong tế bào cơ có actin và myosin có thể co lại, quyết định chức năng vận động của mô cơ. Protein cũng có chức năng dinh dưỡng, ví dụ, albumin được phôi thai sử dụng làm chất dinh dưỡng cho sự phát triển của nó. Các protein trong máu của nhiều sinh vật khác nhau, chẳng hạn như hemoglobin và hemocyanin, mang các phân tử oxy - chúng thực hiện chức năng vận chuyển. Nếu các chất tiêu tốn nhiều năng lượng hơn như carbohydrate và lipid được sử dụng đầy đủ, tế bào sẽ tiến hành phân hủy protein. Một gam chất này tỏa ra năng lượng 17,2 kJ. Một trong những chức năng quan trọng nhất của protein là xúc tác (protein enzyme đẩy nhanh các phản ứng hóa học xảy ra trong các ngăn của tế bào chất). Dựa trên những điều đã nói ở trên, chúng tôi tin rằng protein thực hiện nhiều chức năng rất quan trọng và nhất thiết phải là một phần của tế bào động vật.
Sinh tổng hợp protein
Hãy xem xét quá trình tổng hợp protein trong tế bào, diễn ra trong tế bào chất với sự hỗ trợ của các bào quan như ribosome. Nhờ hoạt động của các enzim đặc biệt, có sự tham gia của ion canxi, các ribôxôm được kết hợp thành các polysom. Các chức năng chính của ribosome trong tế bào là tổng hợp các phân tử protein, bắt đầu với quá trình phiên mã. Kết quả là, các phân tử mRNA được tổng hợp, các polysome được gắn vào đó. Sau đó, quá trình thứ hai bắt đầu - dịch thuật. Chuyển RNAkết hợp với 20 loại axit amin khác nhau và đưa chúng đến các polysom, và vì các chức năng của ribosome trong tế bào là tổng hợp polypeptit, các bào quan này tạo phức với tRNA và các phân tử axit amin liên kết với nhau bằng liên kết peptit, tạo thành đại phân tử protein.
Vai trò của nước trong quá trình trao đổi chất
Các nghiên cứu tế bào học đã xác nhận thực tế rằng tế bào, cấu trúc và thành phần mà chúng tôi đang nghiên cứu, trung bình có 70% là nước, và ở nhiều loài động vật có lối sống dưới nước (ví dụ, động vật có xương sống), hàm lượng đạt 97-98%. Với ý nghĩ này, tổ chức hóa học của tế bào bao gồm các chất ưa nước (có khả năng hòa tan) và kỵ nước (không thấm nước). Là một dung môi phân cực phổ quát, nước đóng một vai trò đặc biệt và ảnh hưởng trực tiếp không chỉ đến các chức năng mà còn ảnh hưởng đến cấu trúc của tế bào. Bảng dưới đây cho thấy hàm lượng nước trong tế bào của nhiều loại sinh vật sống khác nhau.
Chức năng của carbohydrate trong ô
Như chúng ta đã tìm hiểu trước đó, carbohydrate cũng là chất hữu cơ quan trọng - polyme. Chúng bao gồm polysaccharid, oligosaccharid và monosaccharid. Carbohydrate là một phần của các phức hợp phức tạp hơn - glycolipid và glycoprotein, từ đó màng tế bào và cấu trúc siêu màng, chẳng hạn như glycocalyx, được xây dựng.
Ngoài cacbon, cacbohydrat còn chứa các nguyên tử oxy và hydro, và một số polysaccharid cũng chứa nitơ, lưu huỳnh và phốt pho. Trong tế bào thực vật có nhiều cacbohydrat: củ khoai tâychứa đến 90% tinh bột, hạt và trái cây chứa tới 70% carbohydrate, và trong tế bào động vật, chúng được tìm thấy dưới dạng các hợp chất như glycogen, chitin và trehalose.
Đường đơn (monosaccharide) có công thức chung là CnH2nOn và được chia thành tetroses, trioses, pentoses và hexoses. Hai loại cuối cùng phổ biến nhất trong tế bào của sinh vật sống, ví dụ, ribose và deoxyribose là một phần của axit nucleic, còn glucose và fructose tham gia vào các phản ứng đồng hóa và phân hủy. Oligosaccharide thường được tìm thấy trong tế bào thực vật: sucrose được lưu trữ trong tế bào của củ cải đường và mía, m altose được tìm thấy trong hạt nảy mầm của lúa mạch đen và lúa mạch.
Disaccharides có vị ngọt và hòa tan tốt trong nước. Polysaccharid, là chất tạo màng sinh học, chủ yếu được đại diện bởi tinh bột, cellulose, glycogen và laminarin. Chitin thuộc về các dạng cấu trúc của polysaccharid. Chức năng chính của carbohydrate trong tế bào là năng lượng. Kết quả của phản ứng thủy phân và chuyển hóa năng lượng, polysaccharid bị phân hủy thành glucose, sau đó nó bị oxy hóa thành carbon dioxide và nước. Kết quả là, một gam glucose giải phóng năng lượng 17,6 kJ, trên thực tế, các kho dự trữ tinh bột và glycogen là nguồn dự trữ năng lượng tế bào.
Glycogen được lưu trữ chủ yếu trong mô cơ và tế bào gan, tinh bột thực vật trong củ, củ, rễ, hạt, và trong động vật chân đốt như nhện, côn trùng và động vật giáp xác, trehalose oligosaccharide đóng vai trò chính trong việc cung cấp năng lượng.
Carbohydratekhác với lipid và protein ở khả năng phân cắt không có oxy. Điều này cực kỳ quan trọng đối với các sinh vật sống trong điều kiện thiếu hoặc không có oxy, chẳng hạn như vi khuẩn kỵ khí và giun sán - ký sinh trùng của người và động vật.
Có một chức năng khác của carbohydrate trong tế bào - xây dựng (cấu trúc). Nó nằm ở chỗ những chất này là cấu trúc hỗ trợ của tế bào. Ví dụ, cellulose là một phần của thành tế bào thực vật, kitin tạo nên khung ngoài của nhiều loài động vật không xương sống và được tìm thấy trong tế bào nấm, olisaccharide cùng với các phân tử lipid và protein tạo thành glycocalyx - một phức hợp màng tế bào. Nó cung cấp sự kết dính - sự kết dính của các tế bào động vật với nhau, dẫn đến sự hình thành các mô.
Lipit: cấu trúc và chức năng
Những chất hữu cơ kỵ nước (không tan trong nước) này có thể được chiết xuất, tức là chiết xuất từ tế bào, sử dụng các dung môi không phân cực như axeton hoặc cloroform. Các chức năng của lipid trong tế bào phụ thuộc vào nhóm nào trong số ba nhóm mà chúng thuộc về: chất béo, sáp hoặc steroid. Chất béo có nhiều nhất trong tất cả các loại tế bào.
Động vật tích tụ chúng trong mô mỡ dưới da, mô thần kinh chứa mỡ dưới dạng bao myelin của dây thần kinh. Nó cũng tích tụ trong thận, gan, trong côn trùng - trong cơ thể người béo. Chất béo lỏng - dầu - được tìm thấy trong hạt của nhiều loại thực vật: tuyết tùng, đậu phộng, hướng dương, ô liu. Hàm lượng lipid trong tế bào dao động từ 5 đến 90% (trong mô mỡ).
Steroid và sápkhác với chất béo ở chỗ chúng không chứa dư lượng axit béo trong phân tử của chúng. Vì vậy, steroid là hormone của vỏ thượng thận ảnh hưởng đến tuổi dậy thì của cơ thể và là thành phần của testosterone. Chúng cũng được tìm thấy trong các loại vitamin (chẳng hạn như vitamin D).
Các chức năng chính của lipid trong tế bào là năng lượng, xây dựng và bảo vệ. Thứ nhất là do 1 gam chất béo trong quá trình phân tách cung cấp 38,9 kJ năng lượng - nhiều hơn nhiều so với các chất hữu cơ khác - protein và carbohydrate. Ngoài ra, trong quá trình oxy hóa 1 g chất béo, gần 1,1 g được giải phóng. nước. Đó là lý do tại sao một số động vật, có nguồn cung cấp chất béo trong cơ thể, có thể thiếu nước trong một thời gian dài. Ví dụ: gophers có thể ngủ đông hơn hai tháng mà không cần nước và lạc đà không uống nước khi băng qua sa mạc trong 10–12 ngày.
Chức năng cấu tạo của lipid là chúng là một phần không thể thiếu của màng tế bào và cũng là một phần của dây thần kinh. Chức năng bảo vệ của lipid là một lớp mỡ dưới da xung quanh thận và các cơ quan nội tạng khác bảo vệ chúng khỏi tổn thương cơ học. Một chức năng cách nhiệt cụ thể vốn có ở các loài động vật ở dưới nước lâu ngày: cá voi, hải cẩu, hải cẩu lông. Một lớp mỡ dày dưới da, ví dụ như ở cá voi xanh là 0,5 m, nó bảo vệ con vật khỏi bị hạ thân nhiệt.
Tầm quan trọng của oxy trong quá trình trao đổi chất của tế bào
Sinh vật hiếu khí, bao gồm phần lớn động vật, thực vật và con người, sử dụng oxy trong khí quyển cho các phản ứng chuyển hóa năng lượng,dẫn đến sự phân hủy các chất hữu cơ và giải phóng một lượng năng lượng nhất định được tích lũy dưới dạng phân tử của axit adenosine triphosphoric.
Như vậy, với quá trình oxy hóa hoàn toàn một mol gluco, xảy ra ở các mấu của ti thể, 2800 kJ năng lượng được giải phóng, trong đó 1596 kJ (55%) được lưu trữ dưới dạng các phân tử ATP có chứa macroergic trái phiếu. Như vậy, chức năng chính của oxy trong tế bào là thực hiện hô hấp hiếu khí, dựa trên một nhóm các phản ứng enzym của chuỗi hô hấp, xảy ra trong bào quan của tế bào - ty thể. Ở các sinh vật nhân sơ - vi khuẩn quang dưỡng và vi khuẩn lam - quá trình oxy hóa các chất dinh dưỡng xảy ra dưới tác động của oxy khuếch tán vào tế bào trên các tế bào phát triển bên trong của màng sinh chất.
Chúng tôi đã nghiên cứu tổ chức hóa học của tế bào, cũng như các quá trình sinh tổng hợp protein và chức năng của oxy trong quá trình chuyển hóa năng lượng tế bào.
