Krajem 19. stoljeća nastala je grana biologije pod nazivom biokemija. Proučava kemijski sastav žive stanice. Glavni zadatak znanosti je poznavanje karakteristika metabolizma i energije koje reguliraju vitalnu aktivnost biljnih i životinjskih stanica.
Koncept kemijskog sastava stanice
Kao rezultat pažljivog istraživanja, znanstvenici su proučavali kemijsku organizaciju stanica i otkrili da živa bića imaju više od 85 kemijskih elemenata u svom sastavu. Štoviše, neki od njih su obvezni za gotovo sve organizme, dok su drugi specifični i nalaze se u određenim biološkim vrstama. I treća skupina kemijskih elemenata prisutna je u stanicama mikroorganizama, biljaka i životinja u prilično malim količinama. Stanice sadrže kemijske elemente najčešće u obliku kationa i aniona iz kojih nastaju mineralne soli i voda, a sintetiziraju se i organski spojevi koji sadrže ugljik: ugljikohidrati, proteini, lipidi.
Organogeni elementi
U biokemiji to uključuje ugljik, vodik,kisik i dušik. Njihova ukupnost u stanici je od 88 do 97% ostalih kemijskih elemenata u njoj. Ugljik je posebno važan. Sve organske tvari u sastavu stanice sastavljene su od molekula koje u svom sastavu sadrže atome ugljika. Sposobni su se međusobno povezati, tvoreći lance (razgranate i nerazgranate), kao i cikluse. Ova sposobnost atoma ugljika temelji se na nevjerojatnoj raznolikosti organskih tvari koje čine citoplazmu i stanične organele.
Na primjer, unutarnji sadržaj stanice sastoji se od topljivih oligosaharida, hidrofilnih proteina, lipida, raznih vrsta ribonukleinske kiseline: prijenosne RNA, ribosomske RNA i glasničke RNA, kao i slobodnih monomera - nukleotida. Stanična jezgra ima sličan kemijski sastav. Sadrži i molekule deoksiribonukleinske kiseline koje su dio kromosoma. Svi navedeni spojevi sadrže atome dušika, ugljika, kisika, vodika. To je dokaz njihovog posebno važnog značaja, jer kemijska organizacija stanica ovisi o sadržaju organogenih elemenata koji čine stanične strukture: hijaloplazma i organela.
Makro elementi i njihova značenja
Kemijski elementi, koji su također vrlo česti u stanicama raznih vrsta organizama, u biokemiji se nazivaju makronutrijentima. Njihov sadržaj u stanici je 1,2% - 1,9%. Makroelementi stanice uključuju: fosfor, kalij, klor, sumpor, magnezij, kalcij, željezo i natrij. Svi oni obavljaju važne funkcije i dio su raznihstanične organele. Dakle, željezni ion je prisutan u proteinu krvi - hemoglobinu, koji prenosi kisik (u ovom slučaju se zove oksihemoglobin), ugljični dioksid (karbohemoglobin) ili ugljični monoksid (karboksihemoglobin).
Natrijevi ioni osiguravaju najvažniju vrstu međustaničnog transporta: takozvanu natrij-kalijevu pumpu. Također su dio intersticijske tekućine i krvne plazme. Magnezijevi ioni prisutni su u molekulama klorofila (fotopigment viših biljaka) i sudjeluju u procesu fotosinteze, jer tvore reakcijske centre koji hvataju fotone svjetlosne energije.
Ioni kalcija osiguravaju provođenje živčanih impulsa duž vlakana, a ujedno su i glavna komponenta osteocita - koštanih stanica. Spojevi kalcija su široko rasprostranjeni u svijetu beskralježnjaka, čije se školjke sastoje od kalcijevog karbonata.
Ioni klora sudjeluju u punjenju staničnih membrana i osiguravaju pojavu električnih impulsa koji su u osnovi živčane ekscitacije.
Atomi sumpora dio su prirodnih proteina i određuju njihovu tercijarnu strukturu "poprečnim povezivanjem" polipeptidnog lanca, što rezultira stvaranjem globularne proteinske molekule.
Kalijevi ioni sudjeluju u transportu tvari kroz stanične membrane. Atomi fosfora dio su tako važne energetski intenzivne tvari kao što je adenozin trifosforna kiselina, a također su važna komponenta molekula deoksiribonukleinske i ribonukleinske kiseline, koje su glavne tvari stanične nasljednosti.
Funkcije elemenata u tragovima u stanicimetabolizam
Oko 50 kemijskih elemenata koji čine manje od 0,1% u stanicama nazivaju se elementi u tragovima. To uključuje cink, molibden, jod, bakar, kob alt, fluor. Uz neznatan sadržaj, obavljaju vrlo važne funkcije, jer su dio mnogih biološki aktivnih tvari.
Na primjer, atomi cinka nalaze se u molekulama inzulina (hormona gušterače koji regulira razinu glukoze u krvi), jod je sastavni dio hormona štitnjače - tiroksina i trijodtironina, koji kontroliraju razinu metabolizma u tijelo. Bakar, zajedno s ionima željeza, sudjeluje u hematopoezi (stvaranje eritrocita, trombocita i leukocita u crvenoj koštanoj srži kralježnjaka). Ioni bakra dio su pigmenta hemocijanina prisutnog u krvi beskralježnjaka, kao što su mekušci. Stoga je boja njihove hemolimfe plava.
Još manje sadržaja u ćeliji takvih kemijskih elemenata kao što su olovo, zlato, brom, srebro. Zovu se ultramikroelementi i dio su biljnih i životinjskih stanica. Primjerice, kemijskom analizom otkriveni su zlatni ioni u zrnu kukuruza. Atomi broma u velikim količinama dio su stanica steljke smeđih i crvenih algi, kao što su sargassum, kelp, fucus.
Svi gornji primjeri i činjenice objašnjavaju kako su kemijski sastav, funkcije i struktura stanice međusobno povezani. Donja tablica prikazuje sadržaj različitih kemijskih elemenata u stanicama živih organizama.
Opće karakteristike organskih tvari
Kemijska svojstva stanica različitih skupina organizama na određeni način ovise o atomima ugljika, čiji je udio veći od 50% mase stanice. Gotovo svu suhu tvar stanice predstavljaju ugljikohidrati, proteini, nukleinske kiseline i lipidi koji imaju složenu strukturu i veliku molekularnu masu. Takve molekule nazivaju se makromolekule (polimeri) i sastoje se od jednostavnijih elemenata – monomera. Proteinske tvari igraju izuzetno važnu ulogu i obavljaju mnoge funkcije, o čemu će biti riječi u nastavku.
Uloga proteina u stanici
Biokemijska analiza spojeva koji čine živu stanicu potvrđuje visok sadržaj takvih organskih tvari kao što su proteini u njoj. Za ovu činjenicu postoji logično objašnjenje: proteini obavljaju različite funkcije i uključeni su u sve manifestacije staničnog života.
Na primjer, zaštitna funkcija proteina je stvaranje antitijela - imunoglobulina koje proizvode limfociti. Zaštitni proteini poput trombina, fibrina i tromboblastina osiguravaju zgrušavanje krvi i sprječavaju njezin gubitak tijekom ozljeda i rana. Sastav stanice uključuje složene proteine staničnih membrana koji imaju sposobnost prepoznavanja stranih spojeva – antigena. Mijenjaju svoju konfiguraciju i obavještavaju ćeliju o potencijalnoj opasnosti (signalna funkcija).
Neki proteini imaju regulatornu funkciju i hormoni su, na primjer, oksitocin koji proizvodi hipotalamus rezervirana je u hipofizi. Od toga dokrvi, oksitocin djeluje na mišićne stijenke maternice, uzrokujući njenu kontrakciju. Protein vazopresin također ima regulatornu funkciju, kontrolira krvni tlak.
U mišićnim stanicama postoje aktin i miozin koji se mogu kontrahirati, što određuje motoričku funkciju mišićnog tkiva. Proteini također imaju trofičku funkciju, na primjer, albumin koristi embrij kao hranjivu tvar za svoj razvoj. Proteini krvi raznih organizama, poput hemoglobina i hemocijanina, nose molekule kisika – obavljaju transportnu funkciju. Ako se energetski intenzivnije tvari kao što su ugljikohidrati i lipidi u potpunosti iskoriste, stanica nastavlja s razgradnjom proteina. Jedan gram ove tvari daje 17,2 kJ energije. Jedna od najvažnijih funkcija proteina je katalitička (enzimski proteini ubrzavaju kemijske reakcije koje se odvijaju u odjeljcima citoplazme). Na temelju navedenog, uvjerili smo se da proteini obavljaju mnoge vrlo važne funkcije i da su nužno dio životinjske stanice.
Biosinteza proteina
Razmotrimo proces sinteze proteina u stanici, koji se odvija u citoplazmi uz pomoć organela kao što su ribosomi. Zahvaljujući aktivnosti posebnih enzima, uz sudjelovanje kalcijevih iona, ribosomi se spajaju u polisome. Glavne funkcije ribosoma u stanici su sinteza proteinskih molekula, koja počinje procesom transkripcije. Kao rezultat, sintetiziraju se molekule mRNA na koje se vežu polisomi. Tada počinje drugi proces – prevođenje. Prijenos RNAspajaju se s dvadeset različitih vrsta aminokiselina i dovode ih do polisoma, a budući da su funkcije ribosoma u stanici sinteza polipeptida, te organele tvore komplekse s tRNA, a molekule aminokiselina se međusobno vežu peptidnim vezama, tvoreći proteinska makromolekula.
Uloga vode u metaboličkim procesima
Citološke studije potvrdile su činjenicu da se stanica, čiju strukturu i sastav proučavamo, sastoji od u prosjeku 70% vode, a kod mnogih životinja koje vode vodeni način života (npr. sadržaj doseže 97-98 %. Imajući to na umu, kemijska organizacija stanica uključuje hidrofilne (sposobne za otapanje) i hidrofobne (vodoodbojne) tvari. Kao univerzalno polarno otapalo, voda ima iznimnu ulogu i izravno utječe ne samo na funkcije, već i na samu strukturu stanice. Donja tablica prikazuje sadržaj vode u stanicama različitih vrsta živih organizama.
Funkcija ugljikohidrata u stanici
Kao što smo ranije saznali, ugljikohidrati su također važne organske tvari - polimeri. To uključuje polisaharide, oligosaharide i monosaharide. Ugljikohidrati su dio složenijih kompleksa - glikolipida i glikoproteina, od kojih se grade stanične membrane i supramembranske strukture, poput glikokaliksa.
Ugljikohidrati osim ugljika sadrže atome kisika i vodika, a neki polisaharidi također sadrže dušik, sumpor i fosfor. U biljnim stanicama ima puno ugljikohidrata: gomolji krumpirasadrže do 90% škroba, sjemenke i plodovi sadrže do 70% ugljikohidrata, a u životinjskim stanicama nalaze se u obliku spojeva poput glikogena, hitina i trehaloze.
Jednostavni šećeri (monosaharidi) imaju opću formulu CnH2nOn i dijele se na tetroze, trioze, pentoze i heksoze. Posljednje dvije su najčešće u stanicama živih organizama, na primjer, riboza i deoksiriboza su dio nukleinskih kiselina, a glukoza i fruktoza sudjeluju u reakcijama asimilacije i disimilacije. Oligosaharidi se često nalaze u biljnim stanicama: saharoza je pohranjena u stanicama šećerne repe i šećerne trske, m altoza se nalazi u proklijalim zrnima raži i ječma.
Disaharidi imaju slatki okus i dobro se otapaju u vodi. Polisaharidi, kao biopolimeri, uglavnom su zastupljeni škrobom, celulozom, glikogenom i laminarinom. Hitin pripada strukturnim oblicima polisaharida. Glavna funkcija ugljikohidrata u stanici je energija. Kao rezultat hidrolize i reakcija energetskog metabolizma, polisaharidi se razgrađuju do glukoze, a zatim se oksidiraju u ugljični dioksid i vodu. Kao rezultat toga, jedan gram glukoze oslobađa 17,6 kJ energije, a zalihe škroba i glikogena, zapravo, su rezervoar stanične energije.
Glikogen se uglavnom pohranjuje u mišićnom tkivu i stanicama jetre, biljni škrob u gomoljima, lukovicama, korijenima, sjemenkama, a u člankonošcima kao što su pauci, kukci i rakovi, trehalozni oligosaharid igra glavnu ulogu u opskrbi energijom.
Ugljikohidratirazlikuju se od lipida i proteina po svojoj sposobnosti cijepanja bez kisika. To je iznimno važno za organizme koji žive u uvjetima nedostatka ili odsutnosti kisika, kao što su anaerobne bakterije i helminti - paraziti ljudi i životinja.
Postoji još jedna funkcija ugljikohidrata u stanici - građevna (strukturna). Leži u činjenici da su te tvari potporne strukture stanica. Na primjer, celuloza je dio staničnih stijenki biljaka, hitin čini vanjski kostur mnogih beskralježnjaka i nalazi se u stanicama gljivica, olisaharidi, zajedno s lipidnim i proteinskim molekulama, tvore glikokaliks - epimembranski kompleks. Osigurava adheziju - prianjanje životinjskih stanica jedna na drugu, što dovodi do stvaranja tkiva.
Lipidi: struktura i funkcije
Ove organske tvari, koje su hidrofobne (netopive u vodi), mogu se ekstrahirati, odnosno ekstrahirati iz stanica, korištenjem nepolarnih otapala kao što su aceton ili kloroform. Funkcije lipida u stanici ovise o tome kojoj od tri skupine pripadaju: masti, voskovi ili steroidi. Masti su najzastupljenije u svim tipovima stanica.
Životinje ih nakupljaju u potkožnom masnom tkivu, živčano tkivo sadrži masnoću u obliku mijelinskih ovojnica živaca. Također se nakuplja u bubrezima, jetri, u kukcima - u masnom tijelu. Tekuće masti – ulja – nalaze se u sjemenkama mnogih biljaka: cedra, kikirikija, suncokreta, masline. Sadržaj lipida u stanicama kreće se od 5 do 90% (u masnom tkivu).
Steroidi i voskovirazlikuju se od masti po tome što u svojim molekulama ne sadrže ostatke masnih kiselina. Dakle, steroidi su hormoni kore nadbubrežne žlijezde koji utječu na pubertet tijela i sastavni su dio testosterona. Također se nalaze u vitaminima (kao što je vitamin D).
Glavne funkcije lipida u stanici su energetska, građevna i zaštitna. Prvi je zbog činjenice da 1 gram masti tijekom cijepanja daje 38,9 kJ energije – puno više od ostalih organskih tvari – proteina i ugljikohidrata. Osim toga, tijekom oksidacije 1 g masti oslobađa se gotovo 1,1 g. voda. Zato neke životinje, imajući zalihe masti u tijelu, mogu dugo biti bez vode. Na primjer, gofovi mogu hibernirati više od dva mjeseca bez potrebe za vodom, a deva ne pije vodu kada prelazi pustinju 10-12 dana.
Gradna funkcija lipida je da su sastavni dio staničnih membrana, a također su i dio živaca. Zaštitna funkcija lipida je da sloj masti ispod kože oko bubrega i drugih unutarnjih organa štiti ih od mehaničkih ozljeda. Specifična funkcija toplinske izolacije svojstvena je životinjama koje su dugo u vodi: kitovima, tuljanima, krznama. Debeli sloj potkožne masti, na primjer, kod plavog kita iznosi 0,5 m, štiti životinju od hipotermije.
Važnost kisika u staničnom metabolizmu
Aerobni organizmi, koji uključuju veliku većinu životinja, biljaka i ljudi, koriste atmosferski kisik za reakcije metabolizma energije,što dovodi do razgradnje organskih tvari i oslobađanja određene količine energije nakupljene u obliku molekula adenozin trifosforne kiseline.
Tako se potpunom oksidacijom jednog mola glukoze, koja se događa na kristama mitohondrija, oslobađa 2800 kJ energije, od čega se 1596 kJ (55%) pohranjuje u obliku ATP molekula koje sadrže makroergijske obveznice. Dakle, glavna funkcija kisika u stanici je provedba aerobnog disanja, koje se temelji na skupini enzimskih reakcija takozvanog respiratornog lanca, koje se odvijaju u staničnim organelama - mitohondrijima. U prokariotskim organizmima - fototrofnim bakterijama i cijanobakterijama - oksidacija hranjivih tvari događa se pod djelovanjem kisika koji difundira u stanice na unutarnjim izraslinama plazma membrane.
Proučavali smo kemijsku organizaciju stanica, kao i procese biosinteze proteina i funkciju kisika u metabolizmu stanične energije.
