הארגון הכימי של תאים: חומרים אורגניים, מקרו מיקרואלמנטים

בסוף המאה ה -19 היא יצרה ענף הביולוגיה שנקרא ביוכימיה. היא לומדת את ההרכב הכימי של תאים חיים. המשימה העיקרית של מדע - ידע המוזרויות של חילוף חומרים ואנרגיה, ויסות פונקציות חיוניות של תאים בצמחים ובבעלי חיים.

הקונספט של ההרכב הכימי של תאים

כתוצאה מחקר מקיף על ידי מדענים ארגון כימי של תאים נחקרה ונמצא כי היצורים החיים מורכבים יותר 85 יסודות כימיים. וחלק מהם נדרש כמעט לכל האורגניזמים, ואילו אחרים הם ספציפיים המתרחשים מינים ספציפיים. קבוצה שלישית של יסודות כימיים הנמצאים בתאים של מיקרואורגניזמים, צמחים ובעלי חיים בכמויות קטנות מספיק. אלמנטים כימיים של התא הם בדרך כלל בצורה של קטיונים ואניונים שממנו המלח ומים מינרליים נוצרים, ותרכובות פחמן אורגניות מסונתזות: פחמימות, חלבונים, שומנים.

אלמנטים organogenic

בביוכימיה, אלה כוללים פחמן, מימן, חמצן וחנקן. הסט שלהם הוא בתא של 88 ל -97% של יסודות כימיים האחרים נוכח בו. חשוב במיוחד הוא פחמן. כל החומרים האורגניים בהרכב של תאים מורכבים מולקולות המכילות פחמן אטומי הרכב שלה. הם יכולים להיות מחוברים כדי ליצור שרשרת (מסועף unbranched), כמו גם מחזורית. אטומי פחמן יכולת זו היא העומדת ביסוד המגוון המרשים של חומרים אורגניים הכלולים הציטופלסמה התא אברונים.

לדוגמא, את התוכן הפנימי של התא מורכב oligosaccharide מסיס, חלבונים הידרופילי, שומנים, סוגים שונים של RNA: RNA העברה, רנ"א ריבוזומלי ו- RNA שליח, כמו גם מונומרים בחינם - נוקלאוטידים. כזה הרכב כימי יש גרעין תא. כמו כן מכיל מולקולה של חומצה דאוקסיריבונוקלאית, חלק הכרומוזומים. כל המתחמים הנ"ל נמצאים אטומי הרכבו של חנקן, פחמן עם חמצן, מימן. זוהי הוכחת החשיבות המיוחדת שלהם, שכן ארגון כימי של התא תלוי בתוכן של אלמנטים ביוגני שמרכיבים מבנים הסלולר: hyaloplasm האברונים.

Macronutrients ומשמעותן

אלמנטים כימיים, אשר גם הם נפוצים מאוד בתאים מסוגים שונים של אורגניזמים, ביוכימיה נקראים macronutrients. התוכן שלהם בתא הוא 1.2% - 1.9%. By macroelements תאים כוללים: זרחן, אשלגן, כלור, גופרית, מגנזיום, סידן, ברזל, נתרן. לכולם יש פונקציות חשובות הם חלק אברונים בתא השונה. לפיכך, יון ברזל נמצא החלבון בדם - המוגלובין, אשר נושא את החמצן (ובמקרה זה נקרא oxyhaemoglobin), פחמן דו-חמצני (karbogemoglobin) או פחמן דו-חמצני (carboxyhaemoglobin).

יוני נתרן לספק טופס חשוב של תחבורה אינטר: משאבת אשלגן-נתרן שנקרא. הם גם הם חלק פלזמת נוזל ודם הביניים. יוני מגנזיום נוכח מולקולות כלורופיל (צמחים גבוהים פיגמנטית) והם מעורבים בתהליך הפוטוסינתזה, כמו גם מרכזי התגובה טופס כי פוטונים מלכודת של אנרגיית אור.

יוני סידן לספק הולכה של פולסים עצביים לאורך סיבי והם המרכיב העיקרי של osteocytes - תאי העצם. תרכובות סידן נפוצות בחיות חסרות חוליות שעולמה קונכיות מורכבות של סידן פחם.

יונים כלוריד מעורבים שיטעינו את קרום התא ולספק את המראה של פולסים חשמליים של הגירוי העצבי הבסיסי.

את אטומי הגופרית הם חלק מחלבון הילידים ולגרום "התפרים" שרשרת פוליפפטיד המבנה שליישונים שלהם, וכך נוצרים מולקולת חלבון כדורית.

יוני אשלגן מעורב להובלת חומרים דרך קרומי תאים. אטום זרחן הוא חלק של חומרים עתירי אנרגיה חשוב זה כמו אדנוזין אדנוזין, והוא מהווה מרכיב חשוב של המולקולות של חומצות דוקסיריבונוקלאית ו ריבונוקלאית, אשר הן תורשת תא חומרים העיקרית.

פונקצית Trace במטבוליזם הסלולר

אודות 50 יסודות כימיים המהווים פחות מ 0.1% בתאים, הנקרא מיקרו. אלה כוללים אבץ, מוליבדן, יוד, נחושת, קובלט, פלואור. עם תחזוקה נמוכה הם מבצעים תפקיד חשוב מאוד, כחלק חומרים פעילים ביולוגית רבים.

לדוגמא, אטומי האבץ נמצאים מולקולת האינסולין (רמת הגלוקוז בדם מסדיר הורמון לבלב), יוד היא מרכיב של הורמוני בלוטת תריס - תירוקסין triiodothyronine שליטה על רמת חילוף חומרים בגוף. נחושת, יחד עם יוני ברזל מעורב hematopoiesis (היווצרות תאי דם אדומים, טסיות ותאי דם לבנים במח העצם של החוליות). יוני נחושת כלולים הפיגמנט hemocyanin הנמצאים בדם של חסרי חוליות, רכיכות כאלה. לכן, את הצבע של כחול hemolymph שלהם.

עוד פחות תוכן היסודות הכימיים כגון התא כגון עופרת, זהב, ברום, כסף. הם נקראים ultromikroelementami וחלק התאים בצמחים ובבעלי חיים. לדוגמא, ב יוני זהב חדקונית כימי ניתוח התירס אותר. אטומי ברום במספר רב של תאים הכלולים thalli של אצות חומות ואדומות, כגון Sargassum, Laminaria, fucus.

כל בעבר דוגמאות ועובדות אלה מסבירים כיצד הרכב כימי בזו, תפקוד ומבנה של תאים. הטבלה להלן מציגה את תכולת יסודות כימיים שונים בתאים של אורגניזמים חיים.

מאפיינים כלליים של תרכובות אורגניות

התכונות הכימיות של תאים של קבוצות שונות של אורגניזמים בצורה מסוימת תלויה אטומי פחמן, אשר מהווים יותר מ 50% של מסת התא. כמעט כל עניין התא היבש מיוצג פחמימות, חלבונים, חומצות גרעין ושומנים, אשר יש מבנה מורכב משקל מולקולרי גבוה. מולקולות אלה נקראות מקרומולקולות (פולימרים) ו מורכבים מרכיבים פשוטים - מונומרים. חומרי חלבון לשחק תפקיד חשוב מאוד לבצע מגוון של פונקציות, אשר נדונו להלן.

תפקידו של חלבונים בתא

ניתוח ביוכימיים של תרכובות נכנסות לתוך תא חי, מאשר תכול גבוהה של חומרים אורגניים כגון חלבונים. לעובדה זו יש הסבר הגיוני: חלבונים לבצע מגוון של פונקציות ומעורבים בכל ההיבטים של חיי התא.

לדוגמא, הפונקציה המגנה של חלבונים הוא היווצרות נוגדנים - נוגדנים המיוצרת על ידי לימפוציטים. חלבונים מגנים כגון כגון תרומבין, פיברין tromboblastin לספק קרישת דם ולמנוע האובדן שלה טראומה ופגיעה. הרכב המורכב של התא כולל את חלבוני קרום שיש את היכולת לזהות תרכובות זרות - אנטיגנים. הם לשנות את תצורת תא הדו"ח שלהם של מפגעים פוטנציאליים (פונקציית השעון המעורר).

חלבונים מסוימים יש פונקציה רגולטוריים הם הורמונים, כגון אוקסיטוצין, המיוצרים על ידי ההיפותלמוס, יותרת המוח שמורה. ההליך ממנו לתוך הדם, האוקסיטוצין פועל על קיר שריר הרחם, גורם להפחתה שלה. חלבון וזופרסין משמש גם פונקציה רגולטוריות על ידי שליטה בלחץ הדם.

תאי השריר הנם יקטינו שרירן, מסוגלים להתכווץ, גורמת התפקוד המוטורי של רקמת שריר. עבור חלבונים, פונקציה אופיינית ו טרופית, לדוגמה, העובר אלבומין המשמש כחומר מזין לפיתוח. חלבונים בדם של אורגניזמים שונים, כגון המוגלובין hemocyanin, מולקולות חמצן מועברות - להפעיל פונקצית תחבורה. אם יותר חומרים לצרוך אנרגיה כגון פחמימות ושומנים, המשמשים באופן מלא, התא מתחיל לפרק חלבונים. גרם אחד של חומר זה 17 נותן 2 kJ של אנרגיה. אחד התפקידים החשובים ביותר של חלבונים הוא קטליטי (חלבונים, אנזימים לזרז תגובות כימיות בתאים ציטופלסמית). בהתבסס על האמור לעיל, ראינו כי יש החלבונים מספר פונקציות מאוד חשובות חלק הכרחי של התא החי.

ביוסינתזה חלבון

קח למשל את תהליך הסינתזה של חלבונים בתא, אשר מתרחש בציטופלסמה באמצעות אברונים כגון ריבוזומים. הודות לפעילות של אנזימים ספציפיים, בהשתתפות יוני הסידן הריבוזום לשלב כדי polysomes. תפקידיה העיקריים של ריבוזומים בתא - הסינתזה של מולקולות חלבון, החל תהליך השעתוק. כתוצאה זה מסונתזת מולקולות mRNA, שאליו מחוברים polysomes. ואז מתחיל במשפט השני - שידור. RNA לאגד התחבורה עשרים סוגים שונים של חומצות אמינו ולהביא אותם אל polysomes, ומאז פונקציה של ריבוזומים בתא - סינתזה של פוליפפטידים, אברונים אלה ליצירת קומפלקסים עם tRNA, ומולקולות חומצה אמינו מקושרים יחד על ידי קשרים פפטידיים להקים מקרומולקולה חלבון.

תפקידו של מים במטבוליזם

מחקרי ציטולוגיה אשרו את העובדה כי מבנה התא ואת הרכב שבו אנחנו לומדים, בממוצע מי 70%, וב בעלי חיים רבים, מובילים דרך מים של חיים (למשל, coelenterates) תוך מגיעים 97-98%. לאור ארגון כימי זה של תאים כולל הידרופילי (שמסוגל למוסס) ו הידרופובי חומר (דוחה מים). כתוצאה ממס קוטבי אוניברסלי, למים תפקיד מכריע ויש לו השפעה ישירה לא רק על התפקוד, אלא גם במבנה מאוד של תאים. הטבלה שלהלן מציגה את תכולת מי סוגי תאים של אורגניזמים חיים.

הפונקציה של פחמימות בתא

כפי שהסברנו קודם לכן, לכימיקלים אורגניים חשובים - פולימרים - הם גם פחמימות. אלה כוללים סוכרים, אוליגוסכרידים בסיס סוכר. פחמימות הן חלק של מערכות מורכבות יותר - glycolipids ו גליקופרוטאינים, אשר בנויים ממברנות התאים ומבנה nadmembrannye, למשל, glycocalyx.

יתרה מזאת הפחמן הפחמימות כולל אטומי מימן החמצון, וכמה סוכרים מכילים יותר חנקן, גופרית וזרחן. התאים של פחמימות צמח רבות: תפוח אדמת פקעות להכיל עד 90% עמילן זרעים תכולים פחמימות פרות עד 70%, ותאי בעלי חיים נמצאים בצורה של תרכובות כגון גליקוגן, כיטין ו trehalose.

סוכרים פשוטים (מונוסכרידים) יש את הנוסחה הכללית CnH2nOn ומחולקת tetroses, triose, פנטוז ו hexose. השניים האחרונים הם הנפוצים ביותר בתאים של אורגניזמים חיים, למשל, ריבוז ו deoxyribose הם חלק חומצות גרעין, ו גלוקוז ופרוקטוז מעורבים התגובות של התבוללות dissimilation. אוליגוסכרידים קרובות נמצאים בתאי צמח: סוכרוז מאוחסן בתאי סלק סוכר וקני סוכר, מלטוז הכלול caryopses מונבט שיפון ושעורה.

יש Disaccharides טעם מתוק והם מסיסים בקלות במים. סוכרים, להיות biopolymers כוללת בעיקר עמילן, תאית, גליקוגן laminarin. הצורות המבניות כוללות כיטין סוכרים. התפקיד העיקרי של פחמימות בתא - האנרגיה. כתוצאה התגובות הידרוליזה המטבוליזם האנרגיה ביקע פוליסכרידים לגלוקוז, והוא מחומצן ואז פחמן דו חמצני ומים. כתוצאה מכך, גרם אחד של משחרר גלוקוז 17.6 kJ של אנרגיה, ורזרבות של עמילן וגליקוגן, הם בעצם מאגר אנרגיה תאי.

גליקוגן הוא מופקד בעיקר בתאי שריר כבדים, עמילן ירקות - ב פקעות, פקעות, שורשים, זרעים ופרוקי רגליים, כגון עכבישים, חרקים וסרטנים, תפקידה המרכזי של אספקת האנרגיה ממלא trehalose oligosaccharide.

פחמימות הן שונות שומנים וחלבונים, היכולת השפלה anoxic. זה חשוב מאוד עבור אורגניזמים חיים בתנאים של מחסור או העדר החמצן, כגון חיידקים אנאירוביים, ו helminths - טפיל של בני אדם ובעלי חיים.

יש פונקציה נוספת של פחמימות בתא - הבנייה (המבנית). זה טמון בעובדה כי חומרים אלה תומכים מבנים של תאים. לדוגמא, תאי הוא חלק מרכיבי דופן התא של צמחים, כיטין מהווה שלד חיצוני ועוד רבים חסרי חוליות מתרחשות בתאים פטרייתיים, olisaharidy יחד עם שומני מולקולות חלבונים מהווים glycocalyx - קומפלקס nadmembranny. הוא מספק הדבקה - בין תאי בעלי חי התקבצות, אשר מוביל להיווצרות של רקמה.

ליפידים: מבנה ותפקוד

חומרים אורגניים אלו, אשר נמצאים הידרופובי (מים מסיסים) ניתן להסיר, דהיינו שחולצו מן התאים על ידי ממסים פולריים, כגון אצטון או כלורופורם. פונקציה של שומנים בתא תלוי איזה מבין שלושת הקבוצות הם שייכים: שומנים, שעוות או סטרואידים. שומנים הם הנפוצים ביותר בכל סוגי התאים.

בעלי חיים לצבור אותם ברקמת השומן התת עורית, רקמה עצבית מכילה שומן בצורה של מעטפת המיאלין של עצבים. כמו כן מצטבר הכליות, הכבד, חרקים - בגוף שומן. שומנים נוזלים - שמנים - למצוא את הזרעים של צמחים רבים: אורן, בוטנים, חמניות, זית. תוכן השומנים בתאי נע בין 5 ל -90% (ברקמת השומן).

סטרואידים ושעוות נבדלים שומנים כי אין להם את המולקולות של שאריות חומצת שומן. אז, סטרואידים - זה הורמוני קליפת יותרת כליה, משפיעי התבגרות הגוף שהם מרכיבים של טסטוסטרון. הם גם חלק של ויטמינים (לדוגמה, ויטמין D).

עיקר תפקידם של שומנים בתא - הוא האנרגיה, הבנייה והגנה. הראשונה היא בשל העובדה כי 1 גרם של שומן בתוך המחשוף נותן 38.9 kJ של אנרגיה - הרבה יותר מאשר חומרים אורגניים אחרים - חלבונים ופחמימות. יתר על כן, ב החמצון של 1D השומן הוא עומד כמעט 1.1 ג. מים. זו הסיבה שחלק מבעלי החיים הם בעלי מניות של שומן בגוף יכול להיות זמן רב ללא מים. לדוגמא, ומכרסמים יכולים להיות רדומים במשך יותר מחודשים, ללא צורך במים, ואינו שותים גמלי מי מעברי הדרך המדבר במשך 10-12 ימים.

בניית פונקצית שומנים טמונה בעובדה כי הם מהווים חלק אינטגרלי של קרום תא, כמו גם חלק מן העצב. הפונקציה מגן של ליפידים מורכב בעובדה כי שכבת השומן מתחת לעור סביב הכליות ואיברים פנימיים אחרים מגינה עליהם מפני פגיעה מכנית. פונקצית בידוד תרמית ספציפית טבועה החיות במשך זמן רב להיות בתוך המים: לווייתנים, כלבי ים, דובי ים. שכבת השומן התת עורית עבה, למשל, הלווייתן הכחול הוא 0.5 מ ', הוא מגן על בעלי חיים מהיפותרמיה.

חמצן ערך במטבוליזם הסלולר

אורגניזמים אירוביים, אשר כוללים את הרוב המכריע של בעלי חיים, צמחים ואדם, באמצעות חמצן אטמוספרי לתגובות חילוף אנרגיה מובילה המחשוף של חומרים אורגניים הקצאת כמות מסוימת של אנרגיה שנצברה בצורה של מולקולות של אדנוזין אדנוזין.

לפיכך, חמצון מלא של חפרפרת אחת של גלוקוז המתרחשת cristae המיטוכונדריה, 2800 kJ של אנרגיה מוקצה, מתוכם 1596 kJ (55%) מאוחסן בצורה של מולקולות ATP המכיל חיבור macroergic. לכן, הפונקציה העיקרית של חמצן בתא - יישום הנשימה אירובית, אשר מבוססת על קבוצה של תגובות אנזימטיות שנקראה שרשרת נשימה המתרחשת אברונים - המיטוכונדריה. באורגניזמים פרוקריוטים - חיידקי phototrophic ו כחוליות - חמצון של חומרים מזינים מתרחש תחת השפעת החמצן לשדר לתוך תאי הבליטות הפנימיות של קרומי פלזמה.

יש לנו ארגון כימי של תאים נחקרה, כמו גם את תהליכי ייצור חלבונים, פונקציה חמצנית במטבוליזם האנרגיה בתאים.