בסוף המאה ה-19 נוצר ענף בביולוגיה שנקרא ביוכימיה. הוא חוקר את ההרכב הכימי של תא חי. המשימה העיקרית של המדע היא הכרת המאפיינים של חילוף חומרים ואנרגיה המווסתים את הפעילות החיונית של תאי צמחים ובעלי חיים.
המושג של ההרכב הכימי של התא
כתוצאה ממחקר קפדני, מדענים חקרו את הארגון הכימי של תאים ומצאו שליצורים חיים יש יותר מ-85 יסודות כימיים בהרכבם. יתרה מכך, חלקם חובה כמעט לכל האורגניזמים, בעוד שאחרים ספציפיים ונמצאים במינים ביולוגיים ספציפיים. והקבוצה השלישית של יסודות כימיים נמצאת בתאים של מיקרואורגניזמים, צמחים ובעלי חיים בכמויות קטנות למדי. תאים מכילים יסודות כימיים לרוב בצורה של קטיונים ואניונים, מהם נוצרים מלחים מינרלים ומים, ומסונתזות תרכובות אורגניות המכילות פחמן: פחמימות, חלבונים, שומנים.
אלמנטים אורגניים
בביוכימיה אלה כוללים פחמן, מימן,חמצן וחנקן. המכלול שלהם בתא הוא בין 88 ל-97% משאר היסודות הכימיים שבו. פחמן חשוב במיוחד. כל החומרים האורגניים בהרכב התא מורכבים ממולקולות המכילות אטומי פחמן בהרכבן. הם מסוגלים להתחבר זה לזה, ליצור שרשראות (מסועפות ולא מסועפות), כמו גם מחזוריות. היכולת הזו של אטומי פחמן עומדת בבסיס המגוון המדהים של חומרים אורגניים המרכיבים את הציטופלזמה ואת האברונים התאיים.
לדוגמה, התכולה הפנימית של תא מורכבת מאוליגוסכרידים מסיסים, חלבונים הידרופיליים, שומנים, סוגים שונים של חומצה ריבונוקלאית: העברה RNA, RNA ריבוזומי ו-RNA שליח וכן מונומרים חופשיים - נוקלאוטידים. לגרעין התא יש הרכב כימי דומה. הוא מכיל גם מולקולות חומצה דאוקסיריבונוקלאית שהן חלק מהכרומוזומים. כל התרכובות לעיל מכילות אטומים של חנקן, פחמן, חמצן, מימן. זוהי הוכחה למשמעותם החשובה במיוחד, שכן הארגון הכימי של התאים תלוי בתוכן של יסודות אורגניים המרכיבים מבנים תאיים: היאלופלזמה ואברונים.
רכיבי מאקרו והמשמעויות שלהם
יסודות כימיים, הנפוצים מאוד גם בתאים של סוגים שונים של אורגניזמים, נקראים מקרו-נוטריאנטים בביוכימיה. התוכן שלהם בתא הוא 1.2% - 1.9%. מרכיבי המאקרו של התא כוללים: זרחן, אשלגן, כלור, גופרית, מגנזיום, סידן, ברזל ונתרן. כולם מבצעים פונקציות חשובות ומהווים חלק ממגווןאברוני התא. אז, יון הברזל קיים בחלבון הדם - המוגלובין, המעביר חמצן (במקרה זה נקרא אוקסיהמוגלובין), פחמן דו חמצני (קרבוהמוגלובין) או פחמן חד חמצני (קרבוקסיהמוגלובין).
יוני נתרן מספקים את הסוג החשוב ביותר של הובלה בין-תאית: מה שנקרא משאבת נתרן-אשלגן. הם גם חלק מהנוזל הבין-מערכתי ומפלזמת הדם. יוני מגנזיום נמצאים במולקולות כלורופיל (פוטופיגמנט של צמחים גבוהים יותר) ומשתתפים בתהליך הפוטוסינתזה, מכיוון שהם יוצרים מרכזי תגובה הלוכדים פוטונים של אנרגיית אור.
יוני סידן מספקים הולכה של דחפים עצביים לאורך הסיבים, והם גם המרכיב העיקרי של אוסטאוציטים - תאי עצם. תרכובות סידן מופצות באופן נרחב בעולם חסרי החוליות, שקליפתם מורכבת מסידן פחמתי.
יוני כלור מעורבים בטעינה מחדש של ממברנות התא ומספקים את התרחשותם של דחפים חשמליים העומדים בבסיס עירור עצבי.
אטומי הגופרית הם חלק מחלבונים מקומיים וקובעים את המבנה השלישוני שלהם על ידי "הצלבה" של שרשרת הפוליפפטיד, וכתוצאה מכך נוצרת מולקולת חלבון כדורית.
יוני אשלגן מעורבים בהובלת חומרים על פני ממברנות התא. אטומי זרחן הם חלק מחומר כה חשוב עתיר אנרגיה כמו חומצה טרי-פוספורית אדנוזין, ומהווים גם מרכיב חשוב של מולקולות דאוקסיריבונוקלאית וחומצה ריבונוקלאית, שהן החומרים העיקריים של התורשה התאית.
פונקציות של יסודות קורט בסלולרחילוף חומרים
כ-50 יסודות כימיים המהווים פחות מ-0.1% בתאים נקראים יסודות קורט. אלה כוללים אבץ, מוליבדן, יוד, נחושת, קובלט, פלואור. עם תוכן לא משמעותי, הם מבצעים פונקציות חשובות מאוד, מכיוון שהם חלק מחומרים פעילים ביולוגית רבים.
לדוגמה, אטומי אבץ נמצאים במולקולות של אינסולין (הורמון הלבלב המווסת את רמות הגלוקוז בדם), יוד הוא חלק בלתי נפרד מהורמוני בלוטת התריס - תירוקסין וטריודוטירונין, השולטים ברמת המטבוליזם בגוף. גוּף. נחושת, יחד עם יוני ברזל, מעורבת בהמטופואזה (יצירת אריתרוציטים, טסיות דם וליקוציטים במח העצם האדום של בעלי חוליות). יוני נחושת הם חלק מפיגמנט ההמוציאנין הקיים בדם של חסרי חוליות, כגון רכיכות. לכן, צבע ההמולימפה שלהם הוא כחול.
אפילו פחות תכולה בתא של יסודות כימיים כמו עופרת, זהב, ברום, כסף. הם נקראים אולטרה-מיקרו-אלמנטים ומהווים חלק מתאי צמחים ובעלי חיים. לדוגמה, יוני זהב זוהו בגרעיני תירס בניתוח כימי. אטומי ברום בכמויות גדולות הם חלק מתאי התלוס של אצות חומות ואדומות, כגון סרגאסום, אצה, פוקוס.
כל הדוגמאות והעובדות לעיל מסבירות כיצד ההרכב הכימי, הפונקציות והמבנה של התא קשורים זה בזה. הטבלה שלהלן מציגה את התוכן של יסודות כימיים שונים בתאים של אורגניזמים חיים.
מאפיינים כלליים של חומרים אורגניים
תכונות כימיות של תאים מקבוצות שונות של אורגניזמים תלויות באופן מסוים באטומי פחמן, שחלקם הוא יותר מ-50% ממסת התא. כמעט כל החומר היבש של התא מיוצג על ידי פחמימות, חלבונים, חומצות גרעין ושומנים, בעלי מבנה מורכב ומשקל מולקולרי גדול. מולקולות כאלה נקראות מקרומולקולות (פולימרים) ומורכבות מיסודות פשוטים יותר - מונומרים. חומרי חלבון ממלאים תפקיד חשוב ביותר וממלאים תפקידים רבים, עליהם יידונו להלן.
תפקידם של חלבונים בתא
ניתוח ביוכימי של התרכובות המרכיבות תא חי מאשר את התכולה הגבוהה של חומרים אורגניים כמו חלבונים שבו. יש הסבר הגיוני לעובדה זו: חלבונים מבצעים פונקציות שונות ומעורבים בכל הביטויים של החיים התאיים.
לדוגמה, תפקיד ההגנה של חלבונים הוא יצירת נוגדנים - אימונוגלובולינים המיוצרים על ידי לימפוציטים. חלבונים מגנים כגון תרומבין, פיברין ותרומבובלסטין מספקים קרישת דם ומונעים את אובדנו במהלך פציעות ופצעים. הרכב התא כולל חלבונים מורכבים של ממברנות תאים בעלי יכולת לזהות תרכובות זרות - אנטיגנים. הם משנים את התצורה שלהם ומודיעים לתא על סכנה אפשרית (פונקציית איתות).
לחלק מהחלבונים יש תפקיד רגולטורי והם הורמונים, למשל, אוקסיטוצין המיוצר על ידי ההיפותלמוס שמור בבלוטת יותרת המוח. מזה ועדדם, אוקסיטוצין פועל על דפנות השרירים של הרחם, וגורם לו להתכווץ. לחלבון וזופרסין יש גם תפקיד מווסת, בקרה על לחץ הדם.
בתאי שריר יש אקטין ומיוזין שיכולים להתכווץ, מה שקובע את התפקוד המוטורי של רקמת השריר. לחלבונים יש גם פונקציה טרופית, למשל, אלבומין משמש את העובר כחומר מזין להתפתחותו. חלבוני דם של אורגניזמים שונים, כמו המוגלובין והמוציאנין, נושאים מולקולות חמצן - הם מבצעים תפקיד הובלה. אם חומרים עתירי אנרגיה כמו פחמימות ושומנים מנוצלים במלואם, התא ממשיך לפרק חלבונים. גרם אחד של חומר זה נותן 17.2 קילו-ג'יי אנרגיה. אחד התפקידים החשובים ביותר של חלבונים הוא קטליטי (חלבוני אנזים מאיצים תגובות כימיות המתרחשות בתאים של הציטופלזמה). בהתבסס על האמור לעיל, היינו משוכנעים שחלבונים ממלאים תפקידים רבים וחשובים והם בהכרח חלק מתא החי.
ביוסינתזה של חלבונים
קחו בחשבון את תהליך סינתזת החלבון בתא, המתרחש בציטופלזמה בעזרת אברונים כמו ריבוזומים. הודות לפעילותם של אנזימים מיוחדים, בהשתתפות יוני סידן, ריבוזומים משולבים לפוליזומים. התפקידים העיקריים של הריבוזומים בתא הם סינתזה של מולקולות חלבון, שמתחיל בתהליך השעתוק. כתוצאה מכך, נוצרות מולקולות mRNA, שאליהן מחוברים פוליזומים. ואז מתחיל התהליך השני - תרגום. העבר RNAsמתאחדים עם עשרים סוגים שונים של חומצות אמינו ומביאים אותם לפוליזומים, ומכיוון שתפקידי הריבוזומים בתא הם סינתזה של פוליפפטידים, האברונים הללו יוצרים קומפלקסים עם tRNA, ומולקולות חומצות אמינו נקשרות זו לזו על ידי קשרים פפטידים, ויוצרות מקרומולקולת חלבון.
תפקיד המים בתהליכים מטבוליים
מחקרים ציטולוגיים אישרו את העובדה שהתא, שאת המבנה וההרכב שלו אנחנו חוקרים, הוא בממוצע 70% מים, ובבעלי חיים רבים המנהלים אורח חיים מימי (למשל, coelenterates), התוכן מגיע ל-97-98%. עם זאת בחשבון, הארגון הכימי של התאים כולל חומרים הידרופיליים (המסוגלים להתמוסס) והידרופוביים (דוחי מים). בהיותם ממס קוטבי אוניברסלי, המים ממלאים תפקיד יוצא דופן ומשפיעים ישירות לא רק על הפונקציות, אלא גם על מבנה התא. הטבלה שלהלן מציגה את תכולת המים בתאים של סוגים שונים של אורגניזמים חיים.
תפקוד הפחמימות בתא
כפי שגילינו קודם, פחמימות הן גם חומרים אורגניים חשובים - פולימרים. אלה כוללים פוליסכרידים, אוליגוסכרידים וחד סוכרים. פחמימות הן חלק ממתחמים מורכבים יותר - גליקוליפידים וגליקופרוטאינים, שמהם בנויים קרומי תאים ומבנים על-ממברניים, כמו גליקוקליקס.
בנוסף לפחמן, הפחמימות מכילות אטומי חמצן ומימן, וחלק מהפוליסכרידים מכילים גם חנקן, גופרית וזרחן. בתאי הצמח יש הרבה פחמימות: פקעות תפוחי אדמהמכילים עד 90% עמילן, זרעים ופירות מכילים עד 70% פחמימות, ובתאים של בעלי חיים הם נמצאים בצורה של תרכובות כמו גליקוגן, כיטין וטרהלוז.
סוכרים פשוטים (חד סוכרים) הם בעלי הנוסחה הכללית CnH2nOn והם מחולקים לטטרוזות, טריוזות, פנטוזות והקסוזות. שני האחרונים הם הנפוצים ביותר בתאים של אורגניזמים חיים, למשל, ריבוז ודאוקסיריבוז הם חלק מחומצות גרעין, וגלוקוז ופרוקטוז לוקחים חלק בתגובות הטמעה והתפזרות. אוליגוסכרידים נמצאים לעתים קרובות בתאי צמחים: סוכרוז מאוחסן בתאים של סלק סוכר וקני סוכר, מלטוז נמצא בדגנים מונבטים של שיפון ושעורה.
לדיסוכרים יש טעם מתוק והם מתמוססים היטב במים. פוליסכרידים, בהיותם ביו-פולימרים, מיוצגים בעיקר על ידי עמילן, תאית, גליקוגן ולמינרין. כיטין שייך לצורות המבניות של פוליסכרידים. התפקיד העיקרי של הפחמימות בתא הוא אנרגיה. כתוצאה מתגובות הידרוליזה ומטבוליזם אנרגטי, פוליסכרידים מתפרקים לגלוקוז, ואז הוא מתחמצן לפחמן דו חמצני ומים. כתוצאה מכך, גרם אחד של גלוקוז משחרר 17.6 קילו-ג'יי של אנרגיה, ומאגרי עמילן וגליקוגן, למעשה, הם מאגר של אנרגיה תאית.
גליקוגן מאוחסן בעיקר ברקמת שריר ובתאי כבד, עמילן צמחי בפקעות, פקעות, שורשים, זרעים, ובפרוקי רגליים כמו עכבישים, חרקים וסרטנים, אוליגוסוכר טרהלוז ממלא תפקיד מרכזי באספקת האנרגיה.
פחמימותנבדלים מלפידים וחלבונים ביכולתם לחשוף ללא חמצן. זה חשוב ביותר עבור אורגניזמים החיים בתנאים של מחסור או היעדר חמצן, כמו חיידקים אנאירוביים והלמינתים - טפילים של בני אדם ובעלי חיים.
ישנה פונקציה נוספת של פחמימות בתא - בנייה (מבנית). זה טמון בעובדה שחומרים אלה הם המבנים התומכים של תאים. למשל, תאית היא חלק מדפנות התא של צמחים, כיטין יוצר את השלד החיצוני של חסרי חוליות רבים ונמצא בתאי פטרייה, אוליסכרידים, יחד עם מולקולות שומנים וחלבונים, יוצרים גליקוקליקס - קומפלקס אפיממברנה. הוא מספק הידבקות - היצמדות של תאי בעלי חיים זה לזה, המובילה להיווצרות רקמות.
ליפידים: מבנה ופונקציות
החומרים האורגניים הללו, שהם הידרופוביים (בלתי מסיסים במים), ניתנים לחילוץ, כלומר, להפיק מתאיים, באמצעות ממיסים לא קוטביים כמו אצטון או כלורופורם. תפקידי השומנים בתא תלויים לאיזו משלוש הקבוצות הם שייכים: שומנים, שעווה או סטרואידים. השומנים הם הנפוצים ביותר בכל סוגי התאים.
בעלי חיים צוברים אותם ברקמת השומן התת עורית, רקמת העצבים מכילה שומן בצורה של מעטפות מיאלין של עצבים. הוא מצטבר גם בכליות, בכבד, בחרקים - בגוף השומן. שומנים נוזליים - שמנים - נמצאים בזרעים של צמחים רבים: ארז, בוטנים, חמניות, זית. תכולת השומנים בתאים נעה בין 5 ל-90% (ברקמת השומן).
סטרואידים ושעווהשונים משומנים בכך שאינם מכילים שאריות חומצות שומן במולקולות שלהם. אז, סטרואידים הם הורמונים של קליפת יותרת הכליה המשפיעים על ההתבגרות של הגוף ומהווים מרכיבים של טסטוסטרון. הם נמצאים גם בוויטמינים (כגון ויטמין D).
הפונקציות העיקריות של שומנים בתא הם אנרגיה, בנייה והגנה. הראשון נובע מהעובדה ש-1 גרם שומן במהלך הפיצול נותן 38.9 קילו-ג'יי של אנרגיה - הרבה יותר מחומרים אורגניים אחרים - חלבונים ופחמימות. בנוסף, במהלך החמצון של 1 גרם שומן משתחררים כמעט 1.1 גרם. מים. זו הסיבה שבעלי חיים מסוימים, שיש להם אספקת שומן בגופם, יכולים להיות ללא מים במשך זמן רב. לדוגמה, גופרים יכולים לישון במשך יותר מחודשיים מבלי להזדקק למים, וגמל אינו שותה מים כשהוא חוצה את המדבר במשך 10–12 ימים.
תפקיד הבנייה של שומנים הוא שהם חלק בלתי נפרד מקרומי התא, ומהווים גם חלק מהעצבים. תפקיד ההגנה של שומנים הוא ששכבת שומן מתחת לעור מסביב לכליות ואיברים פנימיים אחרים מגינה עליהם מפני פגיעה מכנית. פונקציית בידוד תרמי ספציפית טבועה בבעלי חיים השוהים במים זמן רב: לווייתנים, כלבי ים, כלבי ים פרווה. שכבת שומן תת עורית עבה, למשל, בלווייתן כחול היא 0.5 מ', היא מגינה על החיה מהיפותרמיה.
חשיבות החמצן במטבוליזם התאי
אורגניזמים אירוביים, הכוללים את הרוב המכריע של בעלי חיים, צמחים ובני אדם, משתמשים בחמצן אטמוספרי לתגובות חילוף החומרים באנרגיה,מוביל לפירוק של חומרים אורגניים ולשחרור כמות מסוימת של אנרגיה שנצברה בצורה של מולקולות של חומצה טרי-פוספורית אדנוזין.
לכן, עם החמצון המוחלט של שומה אחת של גלוקוז, המתרחשת על גבי הקריסטות של המיטוכונדריה, משתחררים 2800 קילו-ג'יי של אנרגיה, מתוכם 1596 קילו-ג'יי (55%) מאוחסנים בצורה של מולקולות ATP המכילות מאקרו-אירגיות. קשרים. לפיכך, התפקיד העיקרי של החמצן בתא הוא יישום נשימה אירובית, המבוססת על קבוצה של תגובות אנזימטיות של שרשרת הנשימה כביכול, המתרחשות באברונים התאיים - המיטוכונדריה. באורגניזמים פרוקריוטים - חיידקים פוטוטרופיים וציאנובקטריה - חמצון של חומרים מזינים מתרחש תחת פעולת החמצן המתפזר לתאים על הצמחים הפנימיים של ממברנות הפלזמה.
למדנו את הארגון הכימי של התאים, כמו גם את תהליכי הביוסינתזה של חלבונים ואת תפקוד החמצן במטבוליזם של אנרגיה תאית.
