À la fin du 19ème siècle, une branche de la biologie appelée biochimie a été formée. Il étudie la composition chimique d'une cellule vivante. La tâche principale de la science est la connaissance des caractéristiques du métabolisme et de l'énergie qui régulent l'activité vitale des cellules végétales et animales.
Le concept de la composition chimique de la cellule
Grâce à des recherches approfondies, les scientifiques ont étudié l'organisation chimique des cellules et découvert que les êtres vivants ont plus de 85 éléments chimiques dans leur composition. De plus, certains d'entre eux sont obligatoires pour presque tous les organismes, tandis que d'autres sont spécifiques et se retrouvent dans des espèces biologiques spécifiques. Et le troisième groupe d'éléments chimiques est présent dans les cellules des micro-organismes, des plantes et des animaux en quantités assez faibles. Les cellules contiennent des éléments chimiques le plus souvent sous forme de cations et d'anions, à partir desquels se forment des sels minéraux et de l'eau, et des composés organiques carbonés sont synthétisés: glucides, protéines, lipides.
Éléments organogènes
En biochimie, cela inclut le carbone, l'hydrogène,l'oxygène et l'azote. Leur totalité dans la cellule est de 88 à 97% des autres éléments chimiques qu'elle contient. Le carbone est particulièrement important. Toutes les substances organiques entrant dans la composition de la cellule sont composées de molécules contenant des atomes de carbone dans leur composition. Ils sont capables de se connecter les uns aux autres, formant des chaînes (ramifiées et non ramifiées), ainsi que des cycles. Cette capacité des atomes de carbone sous-tend l'étonnante variété de substances organiques qui composent le cytoplasme et les organites cellulaires.
Par exemple, le contenu interne d'une cellule est constitué d'oligosaccharides solubles, de protéines hydrophiles, de lipides, de divers types d'acides ribonucléiques: ARN de transfert, ARN ribosomal et ARN messager, ainsi que de monomères libres - nucléotides. Le noyau cellulaire a une composition chimique similaire. Il contient également des molécules d'acide désoxyribonucléique qui font partie des chromosomes. Tous les composés ci-dessus contiennent des atomes d'azote, de carbone, d'oxygène, d'hydrogène. C'est la preuve de leur importance particulièrement importante, puisque l'organisation chimique des cellules dépend de la teneur en éléments organogènes qui composent les structures cellulaires: hyaloplasme et organites.
Éléments macro et leurs significations
Les éléments chimiques, qui sont également très courants dans les cellules de divers types d'organismes, sont appelés macronutriments en biochimie. Leur contenu dans la cellule est de 1,2% - 1,9%. Les macroéléments de la cellule comprennent: le phosphore, le potassium, le chlore, le soufre, le magnésium, le calcium, le fer et le sodium. Tous remplissent des fonctions importantes et font partie de diversorganites cellulaires. Ainsi, l'ion ferreux est présent dans la protéine sanguine - l'hémoglobine, qui transporte l'oxygène (dans ce cas, on l'appelle oxyhémoglobine), le dioxyde de carbone (carbohémoglobine) ou le monoxyde de carbone (carboxyhémoglobine).
Les ions sodium assurent le type de transport intercellulaire le plus important: ce qu'on appelle la pompe sodium-potassium. Ils font également partie du liquide interstitiel et du plasma sanguin. Les ions magnésium sont présents dans les molécules de chlorophylle (photopigment des plantes supérieures) et participent au processus de photosynthèse, car ils forment des centres de réaction qui piègent les photons d'énergie lumineuse.
Les ions calcium assurent la conduction de l'influx nerveux le long des fibres et sont également le principal composant des ostéocytes - les cellules osseuses. Les composés de calcium sont largement répandus dans le monde des invertébrés, dont les coquilles sont composées de carbonate de calcium.
Les ions chlore sont impliqués dans la recharge des membranes cellulaires et fournissent l'apparition d'impulsions électriques qui sous-tendent l'excitation nerveuse.
Les atomes de soufre font partie des protéines natives et déterminent leur structure tertiaire en "réticulant" la chaîne polypeptidique, ce qui entraîne la formation d'une molécule protéique globulaire.
Les ions potassium sont impliqués dans le transport de substances à travers les membranes cellulaires. Les atomes de phosphore font partie d'une substance énergivore aussi importante que l'acide adénosine triphosphorique, et sont également un composant important des molécules d'acide désoxyribonucléique et ribonucléique, qui sont les principales substances de l'hérédité cellulaire.
Fonctions des oligo-éléments dans le cellulairemétabolisme
Environ 50 éléments chimiques qui représentent moins de 0,1 % des cellules sont appelés oligo-éléments. Ceux-ci incluent le zinc, le molybdène, l'iode, le cuivre, le cob alt, le fluor. Avec un contenu insignifiant, ils remplissent des fonctions très importantes, car ils font partie de nombreuses substances biologiquement actives.
Par exemple, les atomes de zinc se trouvent dans les molécules d'insuline (une hormone pancréatique qui régule la glycémie), l'iode fait partie intégrante des hormones thyroïdiennes - la thyroxine et la triiodothyronine, qui contrôlent le niveau de métabolisme dans le corps. Le cuivre, avec les ions de fer, est impliqué dans l'hématopoïèse (la formation d'érythrocytes, de plaquettes et de leucocytes dans la moelle osseuse rouge des vertébrés). Les ions cuivre font partie du pigment hémocyanine présent dans le sang des invertébrés, tels que les mollusques. Par conséquent, la couleur de leur hémolymphe est bleue.
Encore moins de contenu dans la cellule d'éléments chimiques tels que le plomb, l'or, le brome, l'argent. Ils sont appelés ultramicroéléments et font partie des cellules végétales et animales. Par exemple, des ions d'or ont été détectés dans des grains de maïs par analyse chimique. Les atomes de brome en grande quantité font partie des cellules du thalle des algues brunes et rouges, telles que les sargasses, les varechs, les fucus.
Tous les exemples et faits ci-dessus expliquent comment la composition chimique, les fonctions et la structure de la cellule sont interconnectées. Le tableau ci-dessous montre le contenu de divers éléments chimiques dans les cellules des organismes vivants.
Caractéristiques générales des substances organiques
Les propriétés chimiques des cellules de divers groupes d'organismes dépendent d'une certaine manière des atomes de carbone, dont la proportion représente plus de 50% de la masse cellulaire. Presque toute la matière sèche de la cellule est représentée par des glucides, des protéines, des acides nucléiques et des lipides, qui ont une structure complexe et un poids moléculaire élevé. Ces molécules sont appelées macromolécules (polymères) et consistent en des éléments plus simples - des monomères. Les substances protéiques jouent un rôle extrêmement important et remplissent de nombreuses fonctions, qui seront discutées ci-dessous.
Le rôle des protéines dans la cellule
L'analyse biochimique des composés qui composent une cellule vivante confirme la teneur élevée en substances organiques telles que les protéines. Il y a une explication logique à ce fait: les protéines remplissent diverses fonctions et sont impliquées dans toutes les manifestations de la vie cellulaire.
Par exemple, la fonction protectrice des protéines est la formation d'anticorps - les immunoglobulines produites par les lymphocytes. Les protéines protectrices telles que la thrombine, la fibrine et la thromboblastine assurent la coagulation du sang et empêchent sa perte lors de blessures et de blessures. La composition de la cellule comprend des protéines complexes de membranes cellulaires capables de reconnaître des composés étrangers - des antigènes. Ils modifient leur configuration et informent la cellule d'un danger potentiel (fonction de signalisation).
Certaines protéines ont une fonction régulatrice et sont des hormones, par exemple, l'ocytocine produite par l'hypothalamus est réservée par l'hypophyse. D'elle àsang, l'ocytocine agit sur les parois musculaires de l'utérus, provoquant sa contraction. La protéine vasopressine a également une fonction régulatrice, contrôlant la tension artérielle.
Dans les cellules musculaires, il y a de l'actine et de la myosine qui peuvent se contracter, ce qui détermine la fonction motrice du tissu musculaire. Les protéines ont également une fonction trophique, par exemple, l'albumine est utilisée par l'embryon comme nutriment pour son développement. Les protéines sanguines de divers organismes, telles que l'hémoglobine et l'hémocyanine, transportent des molécules d'oxygène - elles remplissent une fonction de transport. Si des substances plus gourmandes en énergie telles que les glucides et les lipides sont pleinement utilisées, la cellule procède à la décomposition des protéines. Un gramme de cette substance donne 17,2 kJ d'énergie. L'une des fonctions les plus importantes des protéines est catalytique (les protéines enzymatiques accélèrent les réactions chimiques se produisant dans les compartiments du cytoplasme). Sur la base de ce qui précède, nous étions convaincus que les protéines remplissent de nombreuses fonctions très importantes et font nécessairement partie de la cellule animale.
Biosynthèse des protéines
Considérez le processus de synthèse des protéines dans une cellule, qui se produit dans le cytoplasme à l'aide d'organites tels que les ribosomes. Grâce à l'activité d'enzymes spéciales, avec la participation d'ions calcium, les ribosomes sont combinés en polysomes. Les principales fonctions des ribosomes dans une cellule sont la synthèse de molécules protéiques, qui commence par le processus de transcription. En conséquence, des molécules d'ARNm sont synthétisées, auxquelles des polysomes sont attachés. Ensuite, le deuxième processus commence - la traduction. ARN de transfertcombiner avec vingt types différents d'acides aminés et les amener à des polysomes, et puisque les fonctions des ribosomes dans une cellule sont la synthèse de polypeptides, ces organites forment des complexes avec l'ARNt, et les molécules d'acides aminés se lient les unes aux autres par des liaisons peptidiques, formant un macromolécule protéique.
Le rôle de l'eau dans les processus métaboliques
Des études cytologiques ont confirmé le fait que la cellule, dont nous étudions la structure et la composition, contient en moyenne 70 % d'eau, et chez de nombreux animaux menant un mode de vie aquatique (par exemple, les coelentérés), sa le contenu atteint 97-98 %. Dans cette optique, l'organisation chimique des cellules comprend des substances hydrophiles (capables de se dissoudre) et hydrophobes (hydrofuges). Solvant polaire universel, l'eau joue un rôle exceptionnel et affecte directement non seulement les fonctions, mais aussi la structure même de la cellule. Le tableau ci-dessous montre la teneur en eau des cellules de différents types d'organismes vivants.
La fonction des glucides dans la cellule
Comme nous l'avons découvert plus tôt, les glucides sont également des substances organiques importantes - les polymères. Ceux-ci comprennent les polysaccharides, les oligosaccharides et les monosaccharides. Les glucides font partie de complexes plus complexes - les glycolipides et les glycoprotéines, à partir desquels les membranes cellulaires et les structures supra-membranaires, telles que le glycocalyx, sont construites.
En plus du carbone, les glucides contiennent des atomes d'oxygène et d'hydrogène, et certains polysaccharides contiennent également de l'azote, du soufre et du phosphore. Il y a beaucoup de glucides dans les cellules végétales: les tubercules de pomme de terrecontiennent jusqu'à 90 % d'amidon, les graines et les fruits contiennent jusqu'à 70 % de glucides et, dans les cellules animales, on les trouve sous forme de composés tels que le glycogène, la chitine et le tréhalose.
Les sucres simples (monosaccharides) ont la formule générale CnH2nOn et sont divisés en tétroses, trioses, pentoses et hexoses. Les deux derniers sont les plus courants dans les cellules des organismes vivants, par exemple, le ribose et le désoxyribose font partie des acides nucléiques, et le glucose et le fructose participent aux réactions d'assimilation et de dissimilation. Les oligosaccharides sont souvent présents dans les cellules végétales: le saccharose est stocké dans les cellules de la betterave à sucre et de la canne à sucre, le m altose se trouve dans les grains germés de seigle et d'orge.
Les disaccharides ont un goût sucré et se dissolvent bien dans l'eau. Les polysaccharides, étant des biopolymères, sont principalement représentés par l'amidon, la cellulose, le glycogène et la laminarine. La chitine appartient aux formes structurelles des polysaccharides. La fonction principale des glucides dans la cellule est l'énergie. À la suite de réactions d'hydrolyse et de métabolisme énergétique, les polysaccharides sont décomposés en glucose, puis oxydés en dioxyde de carbone et en eau. En conséquence, un gramme de glucose libère 17,6 kJ d'énergie, et les réserves d'amidon et de glycogène constituent en fait un réservoir d'énergie cellulaire.
Le glycogène est stocké principalement dans les tissus musculaires et les cellules hépatiques, l'amidon végétal dans les tubercules, les bulbes, les racines, les graines et chez les arthropodes tels que les araignées, les insectes et les crustacés, le tréhalose oligosaccharide joue un rôle majeur dans l'approvisionnement énergétique.
Glucidesdiffèrent des lipides et des protéines par leur capacité de clivage sans oxygène. Ceci est extrêmement important pour les organismes qui vivent dans des conditions de manque ou d'absence d'oxygène, tels que les bactéries anaérobies et les helminthes - parasites des humains et des animaux.
Il y a une autre fonction des glucides dans la cellule - la construction (structurelle). Cela réside dans le fait que ces substances sont les structures de soutien des cellules. Par exemple, la cellulose fait partie des parois cellulaires des plantes, la chitine forme le squelette externe de nombreux invertébrés et se trouve dans les cellules fongiques, les olisaccharides, ainsi que les molécules lipidiques et protéiques, forment un glycocalyx - un complexe épimembranaire. Il fournit l'adhésion - l'adhésion des cellules animales les unes aux autres, conduisant à la formation de tissus.
Lipides: structure et fonctions
Ces substances organiques, hydrophobes (insolubles dans l'eau), peuvent être extraites, c'est-à-dire extraites des cellules, à l'aide de solvants non polaires comme l'acétone ou le chloroforme. Les fonctions des lipides dans une cellule dépendent de l'un des trois groupes auxquels ils appartiennent: les graisses, les cires ou les stéroïdes. Les graisses sont les plus abondantes dans tous les types de cellules.
Les animaux les accumulent dans le tissu adipeux sous-cutané, le tissu nerveux contient de la graisse sous forme de gaines de myéline des nerfs. Il s'accumule également dans les reins, le foie, les insectes - dans le corps gras. Les graisses liquides - les huiles - se trouvent dans les graines de nombreuses plantes: cèdre, arachide, tournesol, olive. La teneur en lipides des cellules varie de 5 à 90 % (dans le tissu adipeux).
Stéroïdes et ciresdiffèrent des graisses en ce qu'elles ne contiennent pas de résidus d'acides gras dans leurs molécules. Ainsi, les stéroïdes sont des hormones du cortex surrénalien qui affectent la puberté du corps et sont des composants de la testostérone. On les trouve également dans les vitamines (telles que la vitamine D).
Les principales fonctions des lipides dans la cellule sont l'énergie, la construction et la protection. Le premier est dû au fait que 1 gramme de graisse lors du fractionnement donne 38,9 kJ d'énergie - bien plus que les autres substances organiques - protéines et glucides. De plus, lors de l'oxydation de 1 g de matière grasse, près de 1,1 g est libéré. l'eau. C'est pourquoi certains animaux, ayant une réserve de graisse dans leur corps, peuvent rester longtemps sans eau. Par exemple, les spermophiles peuvent hiberner pendant plus de deux mois sans avoir besoin d'eau, et un chameau ne boit pas d'eau lorsqu'il traverse le désert pendant 10 à 12 jours.
La fonction de construction des lipides est qu'ils font partie intégrante des membranes cellulaires et font également partie des nerfs. La fonction protectrice des lipides est qu'une couche de graisse sous la peau autour des reins et d'autres organes internes les protège des blessures mécaniques. Une fonction spécifique d'isolation thermique est inhérente aux animaux qui sont longtemps dans l'eau: baleines, phoques, otaries à fourrure. Une épaisse couche de graisse sous-cutanée, par exemple, chez une baleine bleue est de 0,5 m, elle protège l'animal de l'hypothermie.
L'importance de l'oxygène dans le métabolisme cellulaire
Les organismes aérobies, qui comprennent la grande majorité des animaux, des plantes et des humains, utilisent l'oxygène atmosphérique pour les réactions du métabolisme énergétique,conduisant à la dégradation des substances organiques et à la libération d'une certaine quantité d'énergie accumulée sous forme de molécules d'acide adénosine triphosphorique.
Ainsi, avec l'oxydation complète d'une mole de glucose, qui se produit sur les crêtes des mitochondries, 2800 kJ d'énergie sont libérés, dont 1596 kJ (55%) sont stockés sous forme de molécules d'ATP contenant des macroergiques obligations. Ainsi, la fonction principale de l'oxygène dans la cellule est la mise en œuvre de la respiration aérobie, qui repose sur un groupe de réactions enzymatiques de la chaîne dite respiratoire, se produisant dans les organites cellulaires - les mitochondries. Chez les organismes procaryotes - bactéries phototrophes et cyanobactéries - l'oxydation des nutriments se produit sous l'action de l'oxygène se diffusant dans les cellules sur les excroissances internes des membranes plasmiques.
Nous avons étudié l'organisation chimique des cellules, ainsi que les processus de biosynthèse des protéines et la fonction de l'oxygène dans le métabolisme énergétique cellulaire.
