في نهاية القرن التاسع عشر ، تم تشكيل فرع من علم الأحياء يسمى الكيمياء الحيوية. يدرس التركيب الكيميائي للخلية الحية. المهمة الرئيسية للعلم هي معرفة خصائص التمثيل الغذائي والطاقة التي تنظم النشاط الحيوي للخلايا النباتية والحيوانية.
مفهوم التركيب الكيميائي للخلية
نتيجة لبحث دقيق ، درس العلماء التنظيم الكيميائي للخلايا ووجدوا أن الكائنات الحية تحتوي على أكثر من 85 عنصرًا كيميائيًا في تكوينها. علاوة على ذلك ، فإن بعضها إلزامي لجميع الكائنات الحية تقريبًا ، في حين أن البعض الآخر محدد ويوجد في أنواع بيولوجية محددة. والمجموعة الثالثة من العناصر الكيميائية موجودة في خلايا الكائنات الحية الدقيقة والنباتات والحيوانات بكميات صغيرة إلى حد ما. تحتوي الخلايا على عناصر كيميائية في أغلب الأحيان في شكل كاتيونات وأنيونات ، والتي تتكون منها الأملاح المعدنية والمياه ، ويتم تصنيع المركبات العضوية المحتوية على الكربون: الكربوهيدرات والبروتينات والدهون.
العناصر العضوية
في الكيمياء الحيوية وتشمل هذه الكربون ، الهيدروجين ،الأكسجين والنيتروجين. مجموعها في الخلية من 88 إلى 97٪ من العناصر الكيميائية الأخرى فيها. الكربون مهم بشكل خاص. تتكون جميع المواد العضوية في تكوين الخلية من جزيئات تحتوي على ذرات كربون في تكوينها. إنهم قادرون على التواصل مع بعضهم البعض ، وتشكيل سلاسل (متفرعة وغير متفرعة) ، وكذلك دورات. هذه القدرة لذرات الكربون تكمن وراء التنوع المذهل للمواد العضوية التي تشكل السيتوبلازم والعضيات الخلوية.
على سبيل المثال ، يتكون المحتوى الداخلي للخلية من السكريات قليلة الذوبان ، والبروتينات المحبة للماء ، والدهون ، وأنواع مختلفة من الحمض النووي الريبي: نقل الحمض النووي الريبي ، والحمض النووي الريبي الريباسي ، والحمض النووي الريبي المرسال ، وكذلك المونومرات الحرة - النيوكليوتيدات. نواة الخلية لها تركيبة كيميائية مماثلة. يحتوي أيضًا على جزيئات حمض الديوكسي ريبونوكلييك التي تشكل جزءًا من الكروموسومات. تحتوي جميع المركبات المذكورة أعلاه على ذرات من النيتروجين والكربون والأكسجين والهيدروجين. هذا دليل على أهميتها بشكل خاص ، لأن التنظيم الكيميائي للخلايا يعتمد على محتوى العناصر العضوية التي تشكل الهياكل الخلوية: الهيالوبلازم والعضيات.
عناصر ماكرو ومعانيها
العناصر الكيميائية ، والتي هي أيضًا شائعة جدًا في خلايا أنواع مختلفة من الكائنات الحية ، تسمى المغذيات الكبيرة في الكيمياء الحيوية. محتواها في الخلية هو 1.2٪ - 1.9٪. تشمل العناصر الكبيرة للخلية: الفوسفور والبوتاسيوم والكلور والكبريت والمغنيسيوم والكالسيوم والحديد والصوديوم. كل منهم يؤدي وظائف مهمة وجزء من مختلفعضيات الخلية. لذلك ، يوجد أيون الحديدوز في بروتين الدم - الهيموغلوبين ، الذي ينقل الأكسجين (يسمى في هذه الحالة أوكسي هيموغلوبين) ، وثاني أكسيد الكربون (كربوهيموغلوبين) أو أول أكسيد الكربون (كربوكسي هيموغلوبين).
توفر أيونات الصوديوم أهم أنواع النقل بين الخلايا: ما يسمى بمضخة الصوديوم والبوتاسيوم. هم أيضا جزء من السائل الخلالي وبلازما الدم. توجد أيونات المغنيسيوم في جزيئات الكلوروفيل (الصبغ الضوئي للنباتات العليا) وتشارك في عملية التمثيل الضوئي ، لأنها تشكل مراكز تفاعل تحبس فوتونات الطاقة الضوئية.
توفر أيونات الكالسيوم توصيل النبضات العصبية على طول الألياف ، وهي أيضًا المكون الرئيسي للخلايا العظمية - خلايا العظام. تنتشر مركبات الكالسيوم على نطاق واسع في عالم اللافقاريات التي تتكون أصدافها من كربونات الكالسيوم.
تشارك أيونات الكلور في إعادة شحن أغشية الخلايا وتوفر حدوث النبضات الكهربائية التي تكمن وراء الإثارة العصبية.
ذرات الكبريت هي جزء من البروتينات الأصلية وتحدد هيكلها الثالث من خلال "ربط" سلسلة البولي ببتيد ، مما يؤدي إلى تكوين جزيء بروتين كروي.
تشارك أيونات البوتاسيوم في نقل المواد عبر أغشية الخلايا. تعد ذرات الفوسفور جزءًا من مادة مهمة كثيفة الطاقة مثل حمض الأدينوزين ثلاثي الفوسفوريك ، وهي أيضًا عنصر مهم في جزيئات الحمض النووي الريبي ونقص الأكسجين ، والتي تعد المواد الرئيسية للوراثة الخلوية.
وظائف العناصر النزرة في الخليةالتمثيل الغذائي
تسمى حوالي 50 عنصرًا كيميائيًا تشكل أقل من 0.1٪ في الخلايا بالعناصر النزرة. وتشمل الزنك والموليبدينوم واليود والنحاس والكوبالت والفلور. مع محتوى ضئيل ، يؤدون وظائف مهمة للغاية ، حيث أنهم جزء من العديد من المواد النشطة بيولوجيا.
على سبيل المثال ، توجد ذرات الزنك في جزيئات الأنسولين (هرمون البنكرياس الذي ينظم مستويات الجلوكوز في الدم) ، يعتبر اليود جزءًا لا يتجزأ من هرمونات الغدة الدرقية - هرمون الغدة الدرقية وثلاثي يودوثيرونين ، التي تتحكم في مستوى التمثيل الغذائي في الجسم. هيئة. يشارك النحاس مع أيونات الحديد في تكون الدم (تكوين كريات الدم الحمراء والصفائح الدموية وخلايا الدم البيضاء في نخاع العظم الأحمر للفقاريات). أيونات النحاس هي جزء من صبغة الهيموسيانين الموجودة في دم اللافقاريات ، مثل الرخويات. لذلك ، لون الدملمف الخاص بهم هو الأزرق.
محتوى أقل في الخلية من عناصر كيميائية مثل الرصاص والذهب والبروم والفضة. يطلق عليهم العناصر فائقة الصغر وهي جزء من الخلايا النباتية والحيوانية. على سبيل المثال ، تم الكشف عن أيونات الذهب في حبات الذرة عن طريق التحليل الكيميائي. تعد ذرات البروم بكميات كبيرة جزءًا من خلايا ثعبان الطحالب البنية والحمراء ، مثل السرجسوم ، وعشب البحر ، والنقر.
تشرح جميع الأمثلة والحقائق المقدمة سابقًا كيفية ترابط التركيب الكيميائي للخلية ووظائفها وهيكلها. يوضح الجدول أدناه محتوى العناصر الكيميائية المختلفة في خلايا الكائنات الحية.
الخصائص العامة للمواد العضوية
تعتمد الخواص الكيميائية لخلايا مجموعات مختلفة من الكائنات بطريقة معينة على ذرات الكربون ، والتي تزيد نسبتها عن 50٪ من كتلة الخلية. يتم تمثيل معظم المادة الجافة في الخلية بالكربوهيدرات والبروتينات والأحماض النووية والدهون ، والتي لها بنية معقدة ووزن جزيئي كبير. تسمى هذه الجزيئات الجزيئات الكبيرة (البوليمرات) وتتكون من عناصر أبسط - المونومرات. تلعب المواد البروتينية دورًا مهمًا للغاية وتؤدي العديد من الوظائف ، والتي سيتم مناقشتها أدناه.
دور البروتينات في الخلية
التحليل البيوكيميائي للمركبات التي تتكون منها الخلية الحية يؤكد المحتوى العالي لهذه المواد العضوية مثل البروتينات الموجودة فيها. هناك تفسير منطقي لهذه الحقيقة: تؤدي البروتينات وظائف مختلفة وتشارك في جميع مظاهر الحياة الخلوية.
على سبيل المثال ، الوظيفة الوقائية للبروتينات هي تكوين الأجسام المضادة - الغلوبولينات المناعية التي تنتجها الخلايا الليمفاوية. توفر البروتينات الواقية مثل الثرومبين والفيبرين والثرومبوبلاستين تخثر الدم وتمنع فقدانه أثناء الإصابات والجروح. يتضمن تكوين الخلية بروتينات معقدة من أغشية الخلايا التي لديها القدرة على التعرف على المركبات الغريبة - المستضدات. يغيرون تكوينهم ويبلغون الخلية بالخطر المحتمل (وظيفة الإشارة).
بعض البروتينات لها وظيفة تنظيمية وهي هرمونات ، على سبيل المثال ، الأوكسيتوسين الذي تنتجه الغدة النخامية محجوز بواسطة الغدة النخامية. من ذلك إلىالدم ، يعمل الأوكسيتوسين على الجدران العضلية للرحم ، مما يؤدي إلى تقلصه. بروتين فاسوبريسين له أيضًا وظيفة تنظيمية ، حيث يتحكم في ضغط الدم.
يوجد في الخلايا العضلية أكتين وميوسين يمكن أن يتقلص ، وهو ما يحدد الوظيفة الحركية للأنسجة العضلية. للبروتينات أيضًا وظيفة غذائية ، على سبيل المثال ، يستخدم الجنين الألبومين كمغذٍ لتطوره. تحمل بروتينات الدم لكائنات مختلفة ، مثل الهيموجلوبين والهيموسيانين ، جزيئات الأكسجين - تؤدي وظيفة النقل. إذا تم استخدام المزيد من المواد كثيفة الاستهلاك للطاقة مثل الكربوهيدرات والدهون بشكل كامل ، فإن الخلية تشرع في تكسير البروتينات. يعطي جرام واحد من هذه المادة 17.2 كيلو جول من الطاقة. من أهم وظائف البروتينات التحفيز (تعمل بروتينات الإنزيم على تسريع التفاعلات الكيميائية التي تحدث في أجزاء السيتوبلازم). بناءً على ما سبق ، كنا مقتنعين بأن البروتينات تؤدي العديد من الوظائف المهمة جدًا وهي بالضرورة جزء من الخلية الحيوانية.
التخليق الحيوي للبروتين
ضع في اعتبارك عملية تخليق البروتين في الخلية ، والتي تحدث في السيتوبلازم بمساعدة العضيات مثل الريبوسومات. بفضل نشاط الإنزيمات الخاصة ، بمشاركة أيونات الكالسيوم ، يتم دمج الريبوسومات في polysomes. تتمثل الوظائف الرئيسية للريبوسومات في الخلية في تخليق جزيئات البروتين ، والتي تبدأ بعملية النسخ. نتيجة لذلك ، يتم تصنيع جزيئات mRNA ، والتي ترتبط بها polysomes. ثم تبدأ العملية الثانية - الترجمة. نقل الحمض النووي الريبيتتحد مع عشرين نوعًا مختلفًا من الأحماض الأمينية وإحضارها إلى polysomes ، وبما أن وظائف الريبوسومات في الخلية هي تخليق polypeptides ، فإن هذه العضيات تشكل مجمعات مع tRNA ، وترتبط جزيئات الأحماض الأمينية ببعضها البعض عن طريق روابط الببتيد ، مما يشكل جزيء البروتين.
دور الماء في عمليات التمثيل الغذائي
أكدت الدراسات الخلوية حقيقة أن الخلية ، وبنيتها وتكوينها التي ندرسها ، تتكون في المتوسط من 70 ٪ من الماء ، وفي العديد من الحيوانات التي تقود أسلوبًا للحياة المائية (على سبيل المثال ، تجاويف الأمعاء) ، يصل المحتوى إلى 97-98٪. مع وضع هذا في الاعتبار ، فإن التنظيم الكيميائي للخلايا يتضمن مواد محبة للماء (قادرة على الذوبان) وكارهة للماء (طاردة للماء). كونه مذيبًا قطبيًا عالميًا ، يلعب الماء دورًا استثنائيًا ويؤثر بشكل مباشر ليس فقط على الوظائف ، ولكن أيضًا على هيكل الخلية. يوضح الجدول أدناه محتوى الماء في خلايا أنواع مختلفة من الكائنات الحية.
وظيفة الكربوهيدرات في الخلية
كما اكتشفنا سابقًا ، تعتبر الكربوهيدرات أيضًا مواد عضوية مهمة - البوليمرات. وتشمل هذه السكريات والسكريات قليلة السكاريد والسكريات الأحادية. الكربوهيدرات هي جزء من معقدات أكثر تعقيدًا - جليكوليبيدات وبروتينات سكرية ، والتي تُبنى منها أغشية الخلايا والتركيبات فوق الغشاء ، مثل جليكوكاليكس.
بالإضافة إلى الكربون ، تحتوي الكربوهيدرات على ذرات الأكسجين والهيدروجين ، كما تحتوي بعض السكريات أيضًا على النيتروجين والكبريت والفوسفور. يوجد الكثير من الكربوهيدرات في الخلايا النباتية: درنات البطاطستحتوي على ما يصل إلى 90٪ من النشا ، وتحتوي البذور والفواكه على ما يصل إلى 70٪ من الكربوهيدرات ، وتتواجد في الخلايا الحيوانية على شكل مركبات مثل الجليكوجين والكيتين والتريهالوز.
السكريات البسيطة (السكريات الأحادية) لها الصيغة العامة CnH2nOn وتنقسم إلى رباعيات وثلاثيات وخماسية وسداسية. النوعان الأخيران هما الأكثر شيوعًا في خلايا الكائنات الحية ، على سبيل المثال ، الريبوز و deoxyribose هما جزء من الأحماض النووية ، ويشارك الجلوكوز والفركتوز في تفاعلات الاستيعاب والتشوه. غالبًا ما توجد السكريات القليلة في الخلايا النباتية: يتم تخزين السكروز في خلايا بنجر السكر وقصب السكر ، ويوجد المالتوز في حبوب الجاودار والشعير المنبتة.
السكريات لها طعم حلو وتذوب جيدًا في الماء. يتم تمثيل السكريات المتعددة ، كونها بوليمرات حيوية ، بشكل أساسي بالنشا والسليلوز والجليكوجين واللامينارين. ينتمي الكيتين إلى الأشكال الهيكلية للسكريات. الوظيفة الرئيسية للكربوهيدرات في الخلية هي الطاقة. نتيجة للتحلل المائي وتفاعلات استقلاب الطاقة ، تتحلل السكريات المتعددة إلى جلوكوز ، ثم تتأكسد إلى ثاني أكسيد الكربون والماء. نتيجة لذلك ، يطلق غرام واحد من الجلوكوز 17.6 كيلو جول من الطاقة ، واحتياطيات النشا والجليكوجين ، في الواقع ، هي خزان للطاقة الخلوية.
يتم تخزين الجليكوجين بشكل أساسي في أنسجة العضلات وخلايا الكبد ، والنشا النباتي في الدرنات ، والمصابيح ، والجذور ، والبذور ، وفي المفصليات مثل العناكب والحشرات والقشريات ، يلعب تريهالوز السكاريد دورًا رئيسيًا في إمداد الطاقة.
كربوهيدراتتختلف عن الدهون والبروتينات في قدرتها على الانقسام الخالي من الأكسجين. هذا مهم للغاية للكائنات الحية التي تعيش في ظروف نقص الأكسجين أو غيابه ، مثل البكتيريا اللاهوائية والديدان الطفيلية - طفيليات البشر والحيوانات.
هناك وظيفة أخرى للكربوهيدرات في بناء الخلية (هيكلية). يكمن في حقيقة أن هذه المواد هي الهياكل الداعمة للخلايا. على سبيل المثال ، السليلوز هو جزء من جدران الخلايا للنباتات ، ويشكل الكيتين الهيكل العظمي الخارجي للعديد من اللافقاريات ويوجد في الخلايا الفطرية ، والسكريات ، جنبًا إلى جنب مع جزيئات الدهون والبروتينات ، تشكل غليوكوكالكس - مركب فوق الغشاء. يوفر التصاق - التصاق الخلايا الحيوانية ببعضها البعض ، مما يؤدي إلى تكوين الأنسجة.
الدهون: الهيكل والوظائف
يمكن استخلاص هذه المواد العضوية ، وهي كارهة للماء (غير قابلة للذوبان في الماء) ، أي مستخرجة من الخلايا ، باستخدام مذيبات غير قطبية مثل الأسيتون أو الكلوروفورم. تعتمد وظائف الدهون في الخلية على المجموعات الثلاث التي تنتمي إليها: الدهون ، أو الشمع ، أو الستيرويدات. الدهون هي الأكثر وفرة في جميع أنواع الخلايا.
تتراكم الحيوانات في الأنسجة الدهنية تحت الجلد ، وتحتوي الأنسجة العصبية على دهون على شكل أغلفة المايلين للأعصاب. كما أنه يتراكم في الكلى والكبد والحشرات - في الجسم الدهني. توجد الدهون السائلة - الزيوت - في بذور العديد من النباتات: الأرز والفول السوداني وعباد الشمس والزيتون. يتراوح محتوى الدهون في الخلايا من 5 إلى 90٪ (في الأنسجة الدهنية).
المنشطات والشموعتختلف عن الدهون في أنها لا تحتوي على بقايا أحماض دهنية في جزيئاتها. لذلك ، المنشطات هي هرمونات قشرة الغدة الكظرية التي تؤثر على سن البلوغ في الجسم وهي من مكونات هرمون التستوستيرون. توجد أيضًا في الفيتامينات (مثل فيتامين د).
الوظائف الرئيسية للدهون في الخلية هي الطاقة والبناء والحماية. الأول يرجع إلى حقيقة أن 1 جرام من الدهون أثناء التقسيم يعطي 38.9 كيلو جول من الطاقة - أكثر بكثير من المواد العضوية الأخرى - البروتينات والكربوهيدرات. بالإضافة إلى ذلك ، أثناء أكسدة 1 غرام من الدهون ، يتم تحرير ما يقرب من 1.1 غرام. ماء. هذا هو السبب في أن بعض الحيوانات ، التي لديها مخزون من الدهون في أجسامها ، يمكن أن تبقى بدون ماء لفترة طويلة. على سبيل المثال ، يمكن للصغار السبات لأكثر من شهرين دون الحاجة إلى الماء ، ولا يشرب الجمل الماء عند عبور الصحراء لمدة 10-12 يومًا.
وظيفة بناء الدهون هي أنها جزء لا يتجزأ من أغشية الخلايا ، وهي أيضًا جزء من الأعصاب. تتمثل الوظيفة الوقائية للدهون في أن طبقة من الدهون تحت الجلد حول الكلى والأعضاء الداخلية الأخرى تحميها من الإصابة الميكانيكية. وظيفة العزل الحراري المحددة متأصلة في الحيوانات الموجودة في الماء لفترة طويلة: الحيتان ، الفقمة ، فقمات الفراء. طبقة سميكة من الدهون تحت الجلد ، على سبيل المثال ، في الحوت الأزرق 0.5 متر ، تحمي الحيوان من انخفاض درجة حرارة الجسم.
أهمية الأكسجين في التمثيل الغذائي الخلوي
الكائنات الهوائية ، والتي تشمل الغالبية العظمى من الحيوانات والنباتات والبشر ، تستخدم الأكسجين الجوي لتفاعلات التمثيل الغذائي للطاقة ،مما يؤدي إلى تكسير المواد العضوية وإطلاق كمية معينة من الطاقة المتراكمة على شكل جزيئات من حمض الأدينوزين ثلاثي الفوسفوريك.
وهكذا ، مع الأكسدة الكاملة لمول واحد من الجلوكوز ، والذي يحدث على أعراف الميتوكوندريا ، يتم إطلاق 2800 كيلو جول من الطاقة ، منها 1596 كيلو جول (55٪) يتم تخزينها في شكل جزيئات ATP التي تحتوي على جزيئات كبيرة. سندات. وبالتالي ، فإن الوظيفة الرئيسية للأكسجين في الخلية هي تنفيذ التنفس الهوائي ، والذي يعتمد على مجموعة من التفاعلات الأنزيمية لما يسمى بالسلسلة التنفسية ، والتي تحدث في العضيات الخلوية - الميتوكوندريا. في الكائنات بدائية النواة - البكتيريا الضوئية والبكتيريا الزرقاء - تحدث أكسدة العناصر الغذائية تحت تأثير انتشار الأكسجين في الخلايا على النواتج الداخلية لأغشية البلازما.
درسنا التنظيم الكيميائي للخلايا ، وكذلك عمليات التخليق الحيوي للبروتين ووظيفة الأكسجين في استقلاب الطاقة الخلوية.
