Pada akhir abad ke-19, cabang biologi yang disebut biokimia terbentuk. Ini mempelajari komposisi kimia dari sel hidup. Tugas utama ilmu pengetahuan adalah pengetahuan tentang ciri-ciri metabolisme dan energi yang mengatur aktivitas vital sel tumbuhan dan hewan.
Konsep komposisi kimia sel
Sebagai hasil penelitian yang cermat, para ilmuwan telah mempelajari susunan kimiawi sel dan menemukan bahwa makhluk hidup memiliki lebih dari 85 unsur kimia dalam komposisinya. Selain itu, beberapa di antaranya wajib untuk hampir semua organisme, sementara yang lain spesifik dan ditemukan pada spesies biologis tertentu. Dan kelompok ketiga unsur kimia ini terdapat dalam sel mikroorganisme, tumbuhan dan hewan dalam jumlah yang cukup kecil. Sel mengandung unsur kimia paling sering dalam bentuk kation dan anion, dari mana garam mineral dan air terbentuk, dan senyawa organik yang mengandung karbon disintesis: karbohidrat, protein, lipid.
Elemen organogenik
Dalam biokimia ini termasuk karbon, hidrogen,oksigen dan nitrogen. Totalitas mereka di dalam sel adalah dari 88 hingga 97% dari unsur-unsur kimia lain di dalamnya. Karbon sangat penting. Semua zat organik dalam komposisi sel terdiri dari molekul yang mengandung atom karbon dalam komposisinya. Mereka dapat terhubung satu sama lain, membentuk rantai (bercabang dan tidak bercabang), serta siklus. Kemampuan atom karbon ini mendasari keragaman menakjubkan zat organik yang menyusun sitoplasma dan organel seluler.
Misalnya, kandungan internal sel terdiri dari oligosakarida larut, protein hidrofilik, lipid, berbagai jenis asam ribonukleat: RNA transfer, RNA ribosom dan RNA messenger, serta monomer bebas - nukleotida. Inti sel memiliki komposisi kimia yang serupa. Ini juga mengandung molekul asam deoksiribonukleat yang merupakan bagian dari kromosom. Semua senyawa di atas mengandung atom nitrogen, karbon, oksigen, hidrogen. Ini adalah bukti signifikansi yang sangat penting, karena organisasi kimiawi sel bergantung pada kandungan elemen organogenik yang membentuk struktur seluler: hialoplasma dan organel.
Elemen makro dan artinya
Elemen kimia, yang juga sangat umum dalam sel berbagai jenis organisme, disebut makronutrien dalam biokimia. Konten mereka di dalam sel adalah 1,2% - 1,9%. Unsur makro sel meliputi: fosfor, kalium, klorin, belerang, magnesium, kalsium, besi, dan natrium. Semuanya melakukan fungsi penting dan merupakan bagian dari berbagaiorganel sel. Jadi, ion besi hadir dalam protein darah - hemoglobin, yang mengangkut oksigen (dalam hal ini disebut oksihemoglobin), karbon dioksida (karbohemoglobin) atau karbon monoksida (karboksihemoglobin).
Ion natrium menyediakan jenis transportasi antar sel yang paling penting: yang disebut pompa natrium-kalium. Mereka juga merupakan bagian dari cairan interstisial dan plasma darah. Ion magnesium hadir dalam molekul klorofil (fotopigmen tumbuhan tingkat tinggi) dan berpartisipasi dalam proses fotosintesis, karena mereka membentuk pusat reaksi yang menjebak foton energi cahaya.
Ion kalsium menyediakan konduksi impuls saraf di sepanjang serat, dan juga merupakan komponen utama osteosit - sel tulang. Senyawa kalsium tersebar luas di dunia invertebrata, yang cangkangnya terdiri dari kalsium karbonat.
Ion Klorin terlibat dalam pengisian ulang membran sel dan memberikan terjadinya impuls listrik yang mendasari eksitasi saraf.
Atom belerang adalah bagian dari protein asli dan menentukan struktur tersiernya dengan "mengikat silang" rantai polipeptida, menghasilkan pembentukan molekul protein globular.
Ion kalium terlibat dalam pengangkutan zat melintasi membran sel. Atom fosfor adalah bagian dari zat padat energi yang penting seperti asam adenosin trifosfat, dan juga merupakan komponen penting dari molekul asam deoksiribonukleat dan asam ribonukleat, yang merupakan zat utama hereditas seluler.
Fungsi elemen jejak di selulermetabolisme
Sekitar 50 elemen kimia yang menyusun kurang dari 0,1% dalam sel disebut elemen jejak. Ini termasuk seng, molibdenum, yodium, tembaga, kob alt, fluor. Dengan kandungan yang tidak signifikan, mereka melakukan fungsi yang sangat penting, karena mereka adalah bagian dari banyak zat aktif biologis.
Misalnya, atom seng ditemukan dalam molekul insulin (hormon pankreas yang mengatur kadar glukosa darah), yodium merupakan bagian integral dari hormon tiroid - tiroksin dan triiodotironin, yang mengontrol tingkat metabolisme di tubuh. Tembaga, bersama dengan ion besi, terlibat dalam hematopoiesis (pembentukan eritrosit, trombosit dan leukosit di sumsum tulang merah vertebrata). Ion tembaga adalah bagian dari pigmen hemosianin yang ada dalam darah invertebrata, seperti moluska. Oleh karena itu, warna hemolimfa mereka adalah biru.
Bahkan lebih sedikit kandungan dalam sel dari unsur-unsur kimia seperti timbal, emas, brom, perak. Mereka disebut ultramicroelements dan merupakan bagian dari sel tumbuhan dan hewan. Misalnya, ion emas terdeteksi dalam biji jagung dengan analisis kimia. Atom bromin dalam jumlah banyak merupakan bagian dari sel-sel thallus alga coklat dan merah, seperti sargassum, rumput laut, fucus.
Semua contoh dan fakta di atas menjelaskan bagaimana komposisi kimia, fungsi dan struktur sel saling berhubungan. Tabel di bawah ini menunjukkan kandungan berbagai unsur kimia dalam sel organisme hidup.
Karakteristik umum zat organik
Sifat kimia sel dari berbagai kelompok organisme dengan cara tertentu bergantung pada atom karbon, yang proporsinya lebih dari 50% massa sel. Hampir semua bahan kering sel diwakili oleh karbohidrat, protein, asam nukleat dan lipid, yang memiliki struktur kompleks dan berat molekul besar. Molekul semacam itu disebut makromolekul (polimer) dan terdiri dari elemen yang lebih sederhana - monomer. Zat protein memainkan peran yang sangat penting dan melakukan banyak fungsi, yang akan dibahas di bawah ini.
Peran protein dalam sel
Analisis biokimia senyawa yang membentuk sel hidup menegaskan kandungan tinggi zat organik seperti protein di dalamnya. Ada penjelasan logis untuk fakta ini: protein melakukan berbagai fungsi dan terlibat dalam semua manifestasi kehidupan seluler.
Misalnya, fungsi pelindung protein adalah pembentukan antibodi - imunoglobulin yang diproduksi oleh limfosit. Protein pelindung seperti trombin, fibrin dan tromboblastin memberikan pembekuan darah dan mencegah kehilangannya selama cedera dan luka. Komposisi sel termasuk protein kompleks membran sel yang memiliki kemampuan untuk mengenali senyawa asing - antigen. Mereka mengubah konfigurasinya dan memberi tahu sel tentang potensi bahaya (fungsi pensinyalan).
Beberapa protein memiliki fungsi pengaturan dan merupakan hormon, misalnya, oksitosin yang diproduksi oleh hipotalamus dicadangkan oleh kelenjar hipofisis. Dari itu kedarah, oksitosin bekerja pada dinding otot rahim, menyebabkannya berkontraksi. Protein vasopresin juga memiliki fungsi pengaturan, mengontrol tekanan darah.
Dalam sel otot terdapat aktin dan miosin yang dapat berkontraksi, yang menentukan fungsi motorik jaringan otot. Protein juga memiliki fungsi trofik, misalnya albumin digunakan oleh embrio sebagai nutrisi untuk perkembangannya. Protein darah dari berbagai organisme, seperti hemoglobin dan hemosianin, membawa molekul oksigen - mereka melakukan fungsi transportasi. Jika lebih banyak zat padat energi seperti karbohidrat dan lipid dimanfaatkan sepenuhnya, sel akan memecah protein. Satu gram zat ini memberikan energi 17,2 kJ. Salah satu fungsi protein yang paling penting adalah katalitik (protein enzim mempercepat reaksi kimia yang terjadi di kompartemen sitoplasma). Berdasarkan hal di atas, kami yakin bahwa protein melakukan banyak fungsi yang sangat penting dan merupakan bagian dari sel hewan.
Biosintesis protein
Perhatikan proses sintesis protein dalam sel, yang terjadi di sitoplasma dengan bantuan organel seperti ribosom. Berkat aktivitas enzim khusus, dengan partisipasi ion kalsium, ribosom digabungkan menjadi polisom. Fungsi utama ribosom dalam sel adalah sintesis molekul protein, yang diawali dengan proses transkripsi. Akibatnya, molekul mRNA disintesis, yang melekat pada polisom. Kemudian proses kedua dimulai - terjemahan. RNA transferbergabung dengan dua puluh jenis asam amino yang berbeda dan membawanya ke polisom, dan karena fungsi ribosom dalam sel adalah sintesis polipeptida, organel ini membentuk kompleks dengan tRNA, dan molekul asam amino mengikat satu sama lain melalui ikatan peptida, membentuk makromolekul protein.
Peran air dalam proses metabolisme
Studi sitologi telah mengkonfirmasi fakta bahwa sel, struktur dan komposisi yang sedang kita pelajari, rata-rata 70% air, dan pada banyak hewan menjalani cara hidup akuatik (misalnya, coelenterata), konten mencapai 97-98%. Dengan pemikiran ini, organisasi kimia sel mencakup zat hidrofilik (mampu melarutkan) dan hidrofobik (anti air). Menjadi pelarut polar universal, air memainkan peran luar biasa dan secara langsung mempengaruhi tidak hanya fungsi, tetapi juga struktur sel. Tabel di bawah ini menunjukkan kandungan air dalam sel berbagai jenis organisme hidup.
Fungsi karbohidrat dalam sel
Seperti yang kita ketahui sebelumnya, karbohidrat juga merupakan zat organik penting - polimer. Ini termasuk polisakarida, oligosakarida dan monosakarida. Karbohidrat adalah bagian dari kompleks yang lebih kompleks - glikolipid dan glikoprotein, dari mana membran sel dan struktur supra-membran, seperti glikokaliks, dibangun.
Selain karbon, karbohidrat mengandung atom oksigen dan hidrogen, dan beberapa polisakarida juga mengandung nitrogen, belerang dan fosfor. Ada banyak karbohidrat dalam sel tumbuhan: umbi kentangmengandung hingga 90% pati, biji-bijian dan buah-buahan mengandung hingga 70% karbohidrat, dan pada sel hewan ditemukan dalam bentuk senyawa seperti glikogen, kitin dan trehalosa.
Gula sederhana (monosakarida) memiliki rumus umum CnH2nOn dan dibagi menjadi tetrosa, triosa, pentosa dan heksosa. Dua yang terakhir adalah yang paling umum dalam sel organisme hidup, misalnya, ribosa dan deoksiribosa adalah bagian dari asam nukleat, dan glukosa dan fruktosa mengambil bagian dalam reaksi asimilasi dan disimilasi. Oligosakarida sering ditemukan dalam sel tumbuhan: sukrosa disimpan dalam sel bit gula dan tebu, m altosa ditemukan dalam biji gandum dan jelai yang berkecambah.
Disakarida memiliki rasa manis dan larut dengan baik dalam air. Polisakarida, menjadi biopolimer, terutama diwakili oleh pati, selulosa, glikogen dan laminarin. Kitin termasuk dalam bentuk struktural polisakarida. Fungsi utama karbohidrat dalam sel adalah energi. Sebagai hasil dari reaksi hidrolisis dan metabolisme energi, polisakarida dipecah menjadi glukosa, dan kemudian dioksidasi menjadi karbon dioksida dan air. Akibatnya, satu gram glukosa melepaskan energi 17,6 kJ, dan simpanan pati dan glikogen, sebenarnya, merupakan cadangan energi seluler.
Glikogen disimpan terutama di jaringan otot dan sel hati, pati nabati dalam umbi-umbian, umbi, akar, biji, dan pada artropoda seperti laba-laba, serangga dan krustasea, oligosakarida trehalosa memainkan peran utama dalam suplai energi.
Karbohidratberbeda dari lipid dan protein dalam kemampuan mereka untuk pembelahan bebas oksigen. Ini sangat penting bagi organisme yang hidup dalam kondisi kekurangan atau ketiadaan oksigen, seperti bakteri anaerob dan cacing - parasit manusia dan hewan.
Ada fungsi lain dari karbohidrat di dalam sel - membangun (struktural). Itu terletak pada kenyataan bahwa zat-zat ini adalah struktur pendukung sel. Misalnya, selulosa adalah bagian dari dinding sel tumbuhan, kitin membentuk kerangka luar banyak invertebrata dan ditemukan dalam sel jamur, olisakarida, bersama dengan molekul lipid dan protein, membentuk glikokaliks - kompleks epimembran. Ini memberikan adhesi - adhesi sel hewan satu sama lain, yang mengarah ke pembentukan jaringan.
Lipid: struktur dan fungsi
Zat organik ini, yang bersifat hidrofobik (tidak larut dalam air), dapat diekstraksi, yaitu diekstraksi dari sel, menggunakan pelarut non-polar seperti aseton atau kloroform. Fungsi lipid dalam sel tergantung pada yang mana dari tiga kelompok mereka termasuk: lemak, lilin, atau steroid. Lemak adalah yang paling melimpah di semua jenis sel.
Hewan menumpuknya di jaringan adiposa subkutan, jaringan saraf mengandung lemak dalam bentuk selubung mielin saraf. Itu juga terakumulasi di ginjal, hati, pada serangga - di tubuh yang gemuk. Lemak cair - minyak - ditemukan dalam biji banyak tanaman: cedar, kacang tanah, bunga matahari, zaitun. Kandungan lipid dalam sel berkisar antara 5 hingga 90% (dalam jaringan adiposa).
Steroid dan lilinberbeda dari lemak karena tidak mengandung residu asam lemak dalam molekulnya. Jadi, steroid adalah hormon korteks adrenal yang mempengaruhi pubertas tubuh dan merupakan komponen testosteron. Mereka juga ditemukan dalam vitamin (seperti vitamin D).
Fungsi utama lipid dalam sel adalah energi, pembangun dan pelindung. Yang pertama adalah karena fakta bahwa 1 gram lemak selama pemisahan memberikan 38,9 kJ energi - lebih banyak daripada zat organik lainnya - protein dan karbohidrat. Selain itu, selama oksidasi 1 g lemak, hampir 1,1 g dilepaskan. air. Itulah sebabnya beberapa hewan yang memiliki persediaan lemak di dalam tubuhnya dapat bertahan lama tanpa air. Misalnya, penjual dapat hibernasi selama lebih dari dua bulan tanpa membutuhkan air, dan unta tidak minum air saat melintasi gurun selama 10–12 hari.
Fungsi pembangun lipid adalah bahwa mereka merupakan bagian integral dari membran sel, dan juga merupakan bagian dari saraf. Fungsi pelindung lipid adalah bahwa lapisan lemak di bawah kulit di sekitar ginjal dan organ internal lainnya melindungi mereka dari cedera mekanis. Fungsi isolasi termal khusus melekat pada hewan yang berada di air untuk waktu yang lama: paus, anjing laut, anjing laut berbulu. Lapisan lemak subkutan yang tebal, misalnya, pada paus biru setinggi 0,5 m, melindungi hewan dari hipotermia.
Pentingnya oksigen dalam metabolisme sel
Organisme aerobik, yang mencakup sebagian besar hewan, tumbuhan, dan manusia, menggunakan oksigen atmosfer untuk reaksi metabolisme energi,mengarah pada pemecahan zat organik dan pelepasan sejumlah energi yang terakumulasi dalam bentuk molekul asam adenosin trifosfat.
Jadi, dengan oksidasi lengkap satu mol glukosa, yang terjadi pada krista mitokondria, 2800 kJ energi dilepaskan, dimana 1596 kJ (55%) disimpan dalam bentuk molekul ATP yang mengandung makroergik obligasi. Dengan demikian, fungsi utama oksigen dalam sel adalah implementasi respirasi aerobik, yang didasarkan pada sekelompok reaksi enzimatik yang disebut rantai pernapasan, yang terjadi di organel seluler - mitokondria. Pada organisme prokariotik - bakteri fototrofik dan cyanobacteria - oksidasi nutrisi terjadi di bawah aksi oksigen yang berdifusi ke dalam sel pada pertumbuhan internal membran plasma.
Kami mempelajari organisasi kimia sel, serta proses biosintesis protein dan fungsi oksigen dalam metabolisme energi sel.
