عناصر شیمیایی در سلول های موجودات زنده. ثبات ترکیب شیمیایی چقدر است؟

ترکیب شیمیایی سلول ها

عناصر ماکرو، نقش آنها در سلول حدود 70 عنصر از سیستم تناوبی عناصر D.I. مندلیف در سلول های موجودات مختلف یافت شد، اما تنها 24 مورد از آنها اهمیت مشخصی دارند و به طور مداوم در همه انواع سلول ها یافت می شوند.

بیشترین سهم در ترکیب عنصری سلول از اکسیژن، کربن، هیدروژن و نیتروژن تشکیل شده است. اینها به اصطلاح عناصر اساسی یا بیوژنیک هستند. اتم های این عناصر مولکول های تمام مواد آلی سلول ها را تشکیل می دهند. آنها بیش از 95٪ از جرم سلول ها را تشکیل می دهند و محتوای نسبی عناصر در ماده زنده بسیار بیشتر از پوسته زمین است. عناصر اصلی مولکول های آلی نیز شامل فسفر و گوگرد است.

علاوه بر این، کلسیم، منیزیم، پتاسیم، سدیم و کلر (در سلول های جانوری) که به صورت یون در سلول وجود دارد، اهمیت حیاتی دارند. محتوای آنها در سلول به دهم و صدم درصد محاسبه می شود. عناصر ذکر شده گروهی از عناصر کلان را تشکیل می دهند.

یون های کلسیم در تنظیم تعدادی از فرآیندهای سلولی از جمله انقباض عضلانی و سایر عملکردهای حرکتی و همچنین لخته شدن خون نقش دارند. نمک های کلسیم نامحلول در تشکیل استخوان ها و دندان ها، کربنات کلسیم در تشکیل پوسته نرم تنان و تقویت غشای سلولی برخی گونه های گیاهی نقش دارد. غلظت یون های منیزیم برای حفظ یکپارچگی و عملکرد ریبوزوم ها مهم است. علاوه بر این، منیزیم بخشی از کلروفیل است و از عملکرد طبیعی میتوکندری پشتیبانی می کند.

یون های پتاسیم و سدیم در حفظ قدرت یونی معین و ایجاد یک محیط بافر، تنظیم فشار اسمزی در سلول، تعیین ریتم طبیعی فعالیت قلبی و اطمینان از انتقال تکانه های عصبی نقش دارند. کلر به شکل آنیون در ایجاد محیط نمک موجودات جانوری شرکت می کند (برای گیاهان، کلر یک عنصر کمیاب است) و علاوه بر این، گاهی اوقات در ترکیبات آلی نیز قرار می گیرد.

ریز عناصر، نقش آنها در سلول سایر عناصر شیمیایی - مس، منگنز، آهن، کبالت، روی، و همچنین (برای برخی از موجودات) بور، فلوئور، کروم، سلنیوم، آلومینیوم، سیلیکون، مولیبدن و ید - در مقادیر کم (بیش از 0.01٪) موجود است. سلول های توده ای). آنها در گروه میکرو عناصر قرار دارند.

درصد محتوای یک عنصر خاص در بدن به هیچ وجه میزان اهمیت و ضرورت آن را در بدن مشخص نمی کند. برای مثال کبالت بخشی از ویتامین B12، ید بخشی از هورمون‌های تیروکسین و تیرونین و مس بخشی از آنزیم‌هایی است که فرآیندهای ردوکس را کاتالیز می‌کنند. علاوه بر این، مس در انتقال اکسیژن در بافت نرم تنان نقش دارد. آهن بخشی جدایی ناپذیر از مجتمع هایی است که تعدادی از عملکردهای حیاتی را انجام می دهد. به عنوان مثال، هموگلوبین هِم، برخی آنزیم ها و حامل های الکترون (سیتوکروم C) از جمله این موارد است.

تعداد قابل توجهی از آنزیم ها با مکانیسم اثر متنوع حاوی یون های روی، منگنز، کبالت و مولیبدن هستند.

سیلیکون در دیاتوم ها، دم اسب ها، اسفنج ها و نرم تنان یافت می شود. در غضروف ها و رباط های مهره داران، محتوای آن می تواند به چند صدم درصد برسد.

بور بر رشد گیاهان تأثیر می گذارد، فلوئور بخشی از مینای دندان و استخوان است.

حدود 70 عنصر از سیستم تناوبی عناصر D.I. مندلیف در سلول های موجودات مختلف یافت شد، اما تنها 24 عنصر از آنها اهمیت مشخصی دارند و به طور مداوم در همه انواع سلول ها یافت می شوند.

بیشترین سهم در ترکیب عنصری سلول از اکسیژن، کربن، هیدروژن و نیتروژن تشکیل شده است. اینها به اصطلاح هستند پایه اییا مواد مغذی. این عناصر بیش از 95 درصد از جرم سلول ها را تشکیل می دهند و محتوای نسبی آنها در ماده زنده بسیار بیشتر از پوسته زمین است. کلسیم، فسفر، گوگرد، پتاسیم، کلر، سدیم، منیزیم، ید و آهن نیز حیاتی هستند. محتوای آنها در سلول به دهم و صدم درصد محاسبه می شود. عناصر ذکر شده یک گروه را تشکیل می دهند درشت مغذی ها.

سایر عناصر شیمیایی: مس، منگنز، مولیبدن، کبالت، روی، بور، فلوئور، کروم، سلنیوم، آلومینیوم، ید، آهن، سیلیکون - در مقادیر بسیار کم (کمتر از 0.01٪ از جرم سلول) موجود است. آنها متعلق به گروه هستند ریز عناصر.

درصد محتوای یک عنصر خاص در بدن به هیچ وجه میزان اهمیت و ضرورت آن را در بدن مشخص نمی کند. به عنوان مثال، بسیاری از ریز عنصرها بخشی از مواد فعال بیولوژیکی هستند - آنزیم ها، ویتامین ها (کبالت بخشی از ویتامین B 12 است)، هورمون ها (ید بخشی از تیروکسین است) آنها بر رشد و نمو موجودات (روی، منگنز، مس) تأثیر می گذارند. ، خون سازی (آهن، مس)، فرآیندهای تنفس سلولی (مس، روی) و غیره. محتوای و اهمیت عناصر شیمیایی مختلف برای زندگی سلول ها و بدن به طور کلی در جدول آورده شده است:

سلول واحد ابتدایی حیات روی زمین است. تمام خصوصیات یک موجود زنده را دارد: رشد می کند، تولید مثل می کند، مواد و انرژی را با محیط مبادله می کند و به محرک های خارجی واکنش نشان می دهد. آغاز تکامل بیولوژیکی با ظهور اشکال حیات سلولی در زمین همراه است. موجودات تک سلولی سلول هایی هستند که جدا از یکدیگر وجود دارند. بدن همه موجودات چند سلولی - حیوانات و گیاهان - از تعداد بیشتر یا کمتر سلول ها ساخته شده است که نوعی بلوک هستند که یک موجود پیچیده را تشکیل می دهند. صرف نظر از اینکه یک سلول یک سیستم زنده یکپارچه است - یک ارگانیسم جداگانه یا تنها بخشی از آن را تشکیل می دهد، دارای مجموعه ای از ویژگی ها و خواص مشترک برای همه سلول ها است.

ترکیب شیمیایی سلول

حدود 60 عنصر جدول تناوبی مندلیف که در طبیعت بی جان نیز یافت می شود، در سلول ها یافت شد. این یکی از دلایل مشترک بودن طبیعت زنده و بی جان است. در موجودات زنده، فراوان ترین هیدروژن، اکسیژن، کربن و نیتروژن است که حدود 98 درصد از جرم سلول ها را تشکیل می دهند. این به دلیل خواص شیمیایی عجیب هیدروژن، اکسیژن، کربن و نیتروژن است که در نتیجه آنها برای تشکیل مولکول هایی که عملکردهای بیولوژیکی را انجام می دهند مناسب ترین هستند. این چهار عنصر قادر به تشکیل پیوندهای کووالانسی بسیار قوی با جفت شدن الکترون های متعلق به دو اتم هستند. اتم های کربن با پیوند کووالانسی می توانند چارچوب مولکول های آلی بی شماری را تشکیل دهند. از آنجایی که اتم های کربن به راحتی با اکسیژن، هیدروژن، نیتروژن و گوگرد پیوندهای کووالانسی تشکیل می دهند، مولکول های آلی به پیچیدگی و تنوع ساختاری استثنایی دست می یابند.

علاوه بر چهار عنصر اصلی، سلول حاوی مقادیر قابل توجهی (کسری 10 و 100 درصد) آهن، پتاسیم، سدیم، کلسیم، منیزیم، کلر، فسفر و گوگرد است. تمام عناصر دیگر (روی، مس، ید، فلوئور، کبالت، منگنز و غیره) در مقادیر بسیار کم در سلول یافت می شوند و به همین دلیل عناصر کمیاب نامیده می شوند.

عناصر شیمیایی بخشی از ترکیبات معدنی و آلی هستند. ترکیبات معدنی شامل آب، نمک های معدنی، دی اکسید کربن، اسیدها و بازها می باشد. ترکیبات آلی پروتئین ها، اسیدهای نوکلئیک، کربوهیدرات ها، چربی ها (لیپیدها) و لیپوئیدها هستند. علاوه بر اکسیژن، هیدروژن، کربن و نیتروژن، ممکن است عناصر دیگری نیز داشته باشند. برخی از پروتئین ها حاوی گوگرد هستند. فسفر جزء اسیدهای نوکلئیک است. مولکول هموگلوبین شامل آهن است، منیزیم در ساخت مولکول کلروفیل نقش دارد. ریز عناصر، با وجود محتوای بسیار کم در موجودات زنده، نقش مهمی در فرآیندهای زندگی دارند. ید بخشی از هورمون تیروئید است - تیروکسین، کبالت بخشی از ویتامین B 12 است، هورمون قسمت جزایر پانکراس - انسولین - حاوی روی است. در برخی از ماهی ها، مس جای آهن را در مولکول های رنگدانه حامل اکسیژن می گیرد.

مواد معدنی

اب. H 2 O رایج ترین ترکیب موجود در موجودات زنده است. محتوای آن در سلول های مختلف بسیار متفاوت است: از 10٪ در مینای دندان تا 98٪ در بدن یک عروس دریایی، اما به طور متوسط ​​حدود 80٪ وزن بدن را تشکیل می دهد. نقش بسیار مهم آب در حمایت از فرآیندهای حیاتی به دلیل خواص فیزیکوشیمیایی آن است. قطبیت مولکول ها و توانایی تشکیل پیوندهای هیدروژنی آب را به حلال خوبی برای تعداد زیادی از مواد تبدیل می کند. بیشتر واکنش های شیمیایی که در یک سلول اتفاق می افتد فقط در یک محلول آبی می تواند رخ دهد. آب نیز در بسیاری از دگرگونی های شیمیایی دخیل است.

تعداد کل پیوندهای هیدروژنی بین مولکول های آب بسته به t متفاوت است °. در تی ° هنگامی که یخ ذوب می شود، تقریباً 15٪ از پیوندهای هیدروژنی در دمای 40 درجه سانتیگراد - نیمی از بین می رود. پس از انتقال به حالت گازی، تمام پیوندهای هیدروژنی از بین می روند. این موضوع ظرفیت گرمایی ویژه بالای آب را توضیح می دهد. هنگامی که دمای محیط خارجی تغییر می کند، آب به دلیل گسیختگی یا تشکیل جدید پیوندهای هیدروژنی گرما را جذب یا آزاد می کند. به این ترتیب، نوسانات دما در داخل سلول کمتر از محیط می شود. گرمای زیاد تبخیر زمینه ساز مکانیسم کارآمد انتقال حرارت در گیاهان و حیوانات است.

آب به عنوان یک حلال در پدیده اسمز شرکت می کند که نقش مهمی در حیات سلول های بدن دارد. اسمز عبارت است از نفوذ مولکول های حلال از طریق یک غشای نیمه تراوا به محلول یک ماده. غشاهای نیمه تراوا غشاهایی هستند که به مولکول های حلال اجازه عبور می دهند، اما به مولکول های املاح (یا یون ها) اجازه عبور نمی دهند. بنابراین اسمز انتشار یک طرفه مولکول های آب در جهت محلول است.

نمک های معدنی.بیشتر مواد معدنی موجود در سلول ها به شکل نمک در حالت تفکیک یا جامد هستند. غلظت کاتیون ها و آنیون ها در سلول و محیط آن یکسان نیست. سلول حاوی مقدار زیادی پتاسیم و مقدار زیادی سدیم است. در محیط خارج سلولی، مثلاً در پلاسمای خون، در آب دریا، برعکس، سدیم زیاد و پتاسیم کمی وجود دارد. تحریک پذیری سلول به نسبت غلظت یون های Na + ، K + ، Ca 2 + ، Mg 2 + بستگی دارد. در بافت جانوران چند سلولی، K بخشی از ماده چند سلولی است که انسجام سلول ها و آرایش منظم آنها را تضمین می کند. فشار اسمزی در سلول و خواص بافری آن تا حد زیادی به غلظت نمک ها بستگی دارد. بافر توانایی یک سلول برای حفظ واکنش کمی قلیایی محتویات آن در یک سطح ثابت است. بافر در داخل سلول عمدتاً توسط یون های H 2 PO 4 و HPO 4 2- تأمین می شود. در مایعات خارج سلولی و در خون، نقش بافر توسط H 2 CO 3 و HCO 3 - ایفا می شود. آنیون ها یون های H و یون های هیدروکسید (OH -) را به هم متصل می کنند، به همین دلیل واکنش داخل سلول مایعات خارج سلولی تقریباً بدون تغییر باقی می ماند. نمک های معدنی نامحلول (به عنوان مثال، فسفات کلسیم) به بافت استخوانی مهره داران و پوسته نرم تنان استحکام می بخشد.

ماده سلولی آلی

سنجاب هادر بین مواد آلی سلول، پروتئین ها هم از نظر کمیت (10 تا 12 درصد از کل جرم سلول) و هم از نظر اهمیت در رتبه اول قرار دارند. پروتئین ها پلیمرهایی با مولکولی بالا (با وزن مولکولی از 6000 تا 1 میلیون و بالاتر) هستند که مونومرهای آنها اسیدهای آمینه هستند. موجودات زنده از 20 اسید آمینه استفاده می کنند، اگرچه تعداد بیشتری از آنها وجود دارد. ترکیب هر اسید آمینه شامل یک گروه آمینه (-NH 2) که دارای خواص اساسی است و یک گروه کربوکسیل (-COOH) که دارای خواص اسیدی است می باشد. دو اسید آمینه با ایجاد پیوند HN-CO در یک مولکول ترکیب می شوند و یک مولکول آب آزاد می شود. پیوند بین گروه آمینه یک اسید آمینه و کربوکسیل اسید آمینه دیگر پیوند پپتیدی نامیده می شود. پروتئین ها پلی پپتیدهایی هستند که حاوی ده ها و صدها اسید آمینه هستند. مولکول های پروتئین های مختلف از نظر وزن مولکولی، تعداد، ترکیب اسیدهای آمینه و توالی محل آنها در زنجیره پلی پپتیدی با یکدیگر متفاوت هستند. بنابراین واضح است که پروتئین ها بسیار متنوع هستند.

زنجیره ای از واحدهای اسید آمینه که به صورت کووالانسی توسط پیوندهای پپتیدی در یک توالی خاص به هم متصل شده اند، ساختار اولیه پروتئین نامیده می شود. در سلول‌ها، پروتئین‌ها مانند الیاف یا توپ‌های پیچ خورده مارپیچی به نظر می‌رسند. این با این واقعیت توضیح داده می شود که در پروتئین طبیعی زنجیره پلی پپتیدی بسته به ساختار شیمیایی اسیدهای آمینه تشکیل دهنده آن به روشی کاملاً تعریف شده است.

ابتدا زنجیره پلی پپتیدی به شکل مارپیچی تا می شود. جاذبه بین اتم های پیچ های همسایه رخ می دهد و پیوندهای هیدروژنی، به ویژه، بین گروه های NH و CO واقع در پیچ های مجاور ایجاد می شود. زنجیره ای از اسیدهای آمینه که به شکل مارپیچ پیچ خورده است، ساختار ثانویه پروتئین را تشکیل می دهد. در نتیجه تا شدن بیشتر مارپیچ، یک پیکربندی خاص برای هر پروتئین ایجاد می شود که ساختار سوم نامیده می شود. ساختار سوم به دلیل عمل نیروهای منسجم بین رادیکال های آبگریز موجود در برخی از اسیدهای آمینه و پیوندهای کووالانسی بین گروه های SH اسید آمینه سیستئین (پیوندهای S-S) است. تعداد اسیدهای آمینه با رادیکال های آبگریز و سیستئین و همچنین ترتیب آرایش آنها در زنجیره پلی پپتیدی برای هر پروتئین خاص است. در نتیجه، ویژگی های ساختار سوم یک پروتئین توسط ساختار اولیه آن تعیین می شود. پروتئین فعالیت بیولوژیکی را فقط به شکل ساختار سوم از خود نشان می دهد. بنابراین، جایگزینی حتی یک اسید آمینه در یک زنجیره پلی پپتیدی می تواند منجر به تغییر در پیکربندی پروتئین و کاهش یا از دست دادن فعالیت بیولوژیکی آن شود.

در برخی موارد، مولکول های پروتئین با یکدیگر ترکیب می شوند و فقط می توانند عملکرد خود را به صورت کمپلکس انجام دهند. بنابراین، هموگلوبین مجموعه ای از چهار مولکول است و تنها در این شکل است که قادر به اتصال و انتقال اکسیژن است. بر اساس ترکیب آنها، پروتئین ها به دو کلاس اصلی تقسیم می شوند - ساده و پیچیده. پروتئین های ساده فقط از اسیدهای آمینه، اسیدهای نوکلئیک (نوکلئوتیدها)، لیپیدها (لیپوپروتئین ها)، Me (متالوپروتئین ها)، P (فسفوپروتئین ها) تشکیل شده اند.

عملکرد پروتئین ها در یک سلول بسیار متنوع است. یکی از مهمترین آنها عملکرد ساختمانی است: پروتئین ها در تشکیل تمام غشای سلولی و اندامک های سلولی و همچنین ساختارهای درون سلولی نقش دارند. نقش آنزیمی (کاتالیزوری) پروتئین ها بسیار مهم است. آنزیم ها واکنش های شیمیایی رخ داده در سلول را 10 و 100 میلیون بار تسریع می کنند. عملکرد حرکتی توسط پروتئین های انقباضی خاص تامین می شود. این پروتئین ها در تمام انواع حرکاتی که سلول ها و موجودات قادر به انجام آنها هستند نقش دارند: سوسو زدن مژک ها و کوبیدن تاژک ها در تک یاخته ها، انقباض ماهیچه ها در حیوانات، حرکت برگ ها در گیاهان و غیره. عملکرد انتقال پروتئین ها این است که عناصر شیمیایی (مثلاً هموگلوبین O را اضافه می کند) یا مواد فعال بیولوژیکی (هورمون ها) را به بافت ها و اندام های بدن منتقل می کند. عملکرد محافظتی به شکل تولید پروتئین های خاصی به نام آنتی بادی در پاسخ به نفوذ پروتئین ها یا سلول های خارجی به بدن بیان می شود. آنتی بادی ها مواد خارجی را متصل و خنثی می کنند. پروتئین ها به عنوان منبع انرژی نقش مهمی دارند. با تقسیم کامل 1 گرم. 17.6 کیلوژول (~4.2 کیلو کالری) پروتئین آزاد می شود.

کربوهیدرات هاکربوهیدرات ها یا ساکاریدها مواد آلی با فرمول کلی (CH 2 O) n هستند. اکثر کربوهیدرات ها دارای دو برابر تعداد اتم های H نسبت به تعداد اتم های O مانند مولکول های آب هستند. به همین دلیل به این مواد کربوهیدرات می گفتند. در یک سلول زنده، کربوهیدرات ها در مقادیر بیش از 1-2، گاهی اوقات 5٪ (در کبد، در عضلات) یافت می شود. سلول های گیاهی غنی ترین کربوهیدرات ها هستند، جایی که محتوای آنها در برخی موارد به 90٪ جرم ماده خشک (دانه ها، غده های سیب زمینی و غیره) می رسد.

کربوهیدرات ها ساده و پیچیده هستند. کربوهیدرات های ساده مونوساکارید نامیده می شوند. بسته به تعداد اتم های کربوهیدرات در مولکول، مونوساکاریدها تریوز، تتروز، پنتوز یا هگزوز نامیده می شوند. از شش مونوساکارید کربن - هگزوز - مهمترین آنها گلوکز، فروکتوز و گالاکتوز است. گلوکز در خون موجود است (0.1-0.12٪). پنتوزهای ریبوز و دئوکسی ریبوز در اسیدهای نوکلئیک و ATP یافت می شوند. اگر دو مونوساکارید در یک مولکول ترکیب شوند، این ترکیب دی ساکارید نامیده می شود. شکر سفره ای که از نیشکر یا چغندر قند به دست می آید، از یک مولکول گلوکز و یک مولکول فروکتوز، قند شیر - از گلوکز و گالاکتوز تشکیل شده است.

کربوهیدرات های پیچیده ای که از بسیاری از مونوساکاریدها تشکیل می شوند، پلی ساکارید نامیده می شوند. مونومر پلی ساکاریدهایی مانند نشاسته، گلیکوژن، سلولز گلوکز است. کربوهیدرات ها دو وظیفه اصلی را انجام می دهند: ساخت و ساز و انرژی. سلولز دیواره های سلول های گیاهی را تشکیل می دهد. کیتین پلی ساکارید پیچیده به عنوان جزء ساختاری اصلی اسکلت بیرونی بندپایان عمل می کند. کیتین همچنین عملکرد ساختمانی را در قارچ ها انجام می دهد. کربوهیدرات ها نقش منبع اصلی انرژی در سلول را ایفا می کنند. در طی اکسیداسیون 1 گرم کربوهیدرات، 17.6 کیلوژول (~4.2 کیلو کالری) آزاد می شود. نشاسته در گیاهان و گلیکوژن در حیوانات در سلول ها رسوب می کنند و به عنوان ذخیره انرژی عمل می کنند.

اسیدهای نوکلئیک.اهمیت اسیدهای نوکلئیک در یک سلول بسیار زیاد است. ویژگی‌های ساختار شیمیایی آنها امکان ذخیره، انتقال و به ارث بردن اطلاعات مربوط به ساختار مولکول‌های پروتئینی که در هر بافت در مرحله خاصی از رشد فردی سنتز می‌شوند را به سلول‌های دختر فراهم می‌کند. از آنجایی که بیشتر خواص و ویژگی های سلول ها توسط پروتئین ها تعیین می شود، واضح است که پایداری اسیدهای نوکلئیک مهم ترین شرط برای عملکرد طبیعی سلول ها و کل موجودات است. هرگونه تغییر در ساختار سلول ها یا فعالیت فرآیندهای فیزیولوژیکی در آنها و در نتیجه بر فعالیت حیاتی تأثیر می گذارد. مطالعه ساختار اسیدهای نوکلئیک برای درک وراثت صفات در ارگانیسم ها و الگوهای عملکرد سلول های فردی و سیستم های سلولی - بافت ها و اندام ها بسیار مهم است.

2 نوع اسید نوکلئیک وجود دارد - DNA و RNA. DNA پلیمری متشکل از دو مارپیچ نوکلئوتیدی است که برای تشکیل یک مارپیچ دوتایی مرتب شده اند. مونومرهای مولکول های DNA نوکلئوتیدهایی هستند که از یک باز نیتروژن دار (آدنین، تیمین، گوانین یا سیتوزین)، یک کربوهیدرات (دئوکسی ریبوز) و یک باقیمانده اسید فسفریک تشکیل شده اند. بازهای نیتروژنی در مولکول DNA با تعداد نامساوی پیوند H به یکدیگر متصل شده و به صورت جفت قرار گرفته اند: آدنین (A) همیشه در برابر تیمین (T) و گوانین (G) در برابر سیتوزین (C). به طور شماتیک، آرایش نوکلئوتیدها در یک مولکول DNA را می توان به صورت زیر نشان داد:

شکل 1. محل نوکلئوتیدها در یک مولکول DNA

از شکل 1. واضح است که نوکلئوتیدها نه به طور تصادفی، بلکه انتخابی به یکدیگر متصل می شوند. توانایی برهمکنش انتخابی آدنین با تیمین و گوانین با سیتوزین را مکملی می نامند. تعامل مکمل نوکلئوتیدهای خاص با ویژگی های آرایش فضایی اتم ها در مولکول های آنها توضیح داده می شود که به آنها اجازه می دهد نزدیک تر شوند و پیوندهای H را تشکیل دهند. در یک زنجیره پلی نوکلئوتیدی، نوکلئوتیدهای همسایه از طریق یک قند (دئوکسی ریبوز) و یک باقیمانده اسید فسفریک به یکدیگر مرتبط می شوند. RNA نیز مانند DNA پلیمری است که مونومرهای آن نوکلئوتید هستند. بازهای نیتروژنی سه نوکلئوتید همان بازهای تشکیل دهنده DNA هستند (A, G, C). چهارم - اوراسیل (U) - به جای تیمین در مولکول RNA وجود دارد. نوکلئوتیدهای RNA از نظر ساختار کربوهیدراتی که دارند (ریبوز به جای دئوکسی ریبوز) با نوکلئوتیدهای DNA تفاوت دارند.

در زنجیره ای از RNA، نوکلئوتیدها با تشکیل پیوندهای کووالانسی بین ریبوز یک نوکلئوتید و باقیمانده اسید فسفریک نوکلئوتید دیگر به یکدیگر متصل می شوند. ساختار بین RNA دو رشته ای متفاوت است. RNA های دو رشته ای نگهبان اطلاعات ژنتیکی در تعدادی از ویروس ها هستند، به عنوان مثال. آنها عملکرد کروموزوم ها را انجام می دهند. RNA تک رشته ای اطلاعات مربوط به ساختار پروتئین ها را از کروموزوم به محل سنتز آنها منتقل می کند و در سنتز پروتئین شرکت می کند.

انواع مختلفی از RNA تک رشته ای وجود دارد. نام آنها بر اساس عملکرد یا مکان آنها در سلول تعیین می شود. بیشتر RNA موجود در سیتوپلاسم (تا 80-90٪) RNA ریبوزومی (rRNA) است که در ریبوزوم ها وجود دارد. مولکول های rRNA نسبتا کوچک هستند و به طور متوسط ​​از 10 نوکلئوتید تشکیل شده اند. نوع دیگری از RNA (mRNA) که حامل اطلاعاتی در مورد توالی اسیدهای آمینه در پروتئین هایی است که باید به ریبوزوم سنتز شوند. اندازه این RNA ها به طول ناحیه DNA که از آن سنتز شده اند بستگی دارد. RNA های انتقالی چندین عملکرد را انجام می دهند. آنها اسیدهای آمینه را به محل سنتز پروتئین می رسانند، سه گانه و RNA مربوط به اسید آمینه منتقل شده را "تشخیص می دهند" (با اصل مکمل بودن) و جهت گیری دقیق اسید آمینه را روی ریبوزوم انجام می دهند.

چربی ها و لیپوئیدها.چربی ها ترکیباتی از اسیدهای چرب مولکولی بالا و گلیسرول الکل تری هیدریک هستند. چربی ها در آب حل نمی شوند - آنها آبگریز هستند. همیشه مواد پیچیده دیگری مانند چربی آبگریز به نام لیپوئید در سلول وجود دارد. یکی از وظایف اصلی چربی ها انرژی است. در طی تجزیه 1 گرم چربی به CO 2 و H 2 O ، مقدار زیادی انرژی آزاد می شود - 38.9 کیلوژول (~ 9.3 کیلو کالری). محتوای چربی در سلول از 5 تا 15 درصد جرم ماده خشک متغیر است. در سلول های بافت زنده، میزان چربی تا 90 درصد افزایش می یابد. وظیفه اصلی چربی ها در دنیای حیوانی (و تا حدی گیاهی) ذخیره سازی است.

هنگامی که 1 گرم چربی به طور کامل اکسید می شود (به دی اکسید کربن و آب)، حدود 9 کیلو کالری انرژی آزاد می شود. (1 کیلوکالری = 1000 کالری؛ کالری (کالری) یک واحد اضافی سیستمی از مقدار کار و انرژی است که برابر با مقدار گرمای لازم برای گرم کردن 1 میلی لیتر آب در دمای 1 درجه سانتی گراد در فشار اتمسفر استاندارد 101.325 کیلو پاسکال است. کیلو کالری = 4.19 کیلوژول). هنگامی که 1 گرم پروتئین یا کربوهیدرات اکسید می شود (در بدن)، تنها حدود 4 کیلو کالری در گرم آزاد می شود. در انواع موجودات آبزی - از دیاتومه‌های تک سلولی گرفته تا کوسه‌ها - چربی شناور می‌شود و تراکم متوسط ​​بدن را کاهش می‌دهد. چگالی چربی های حیوانی حدود 0.91-0.95 گرم بر سانتی متر مکعب است. تراکم بافت استخوانی مهره داران نزدیک به 1.7-1.8 گرم بر سانتی متر مکعب است و تراکم متوسط ​​اکثر بافت های دیگر نزدیک به 1 گرم بر سانتی متر مکعب است. واضح است که برای "تعادل" یک اسکلت سنگین به مقدار زیادی چربی نیاز دارید.

چربی ها و لیپیدها نیز عملکرد ساختمانی دارند: آنها بخشی از غشای سلولی هستند. به دلیل هدایت حرارتی ضعیف، چربی قادر به انجام یک عملکرد محافظتی است. در برخی از حیوانات (فک ها، نهنگ ها) در بافت چربی زیر جلدی رسوب می کند و لایه ای به ضخامت 1 متر را تشکیل می دهد. در نتیجه، این مواد همچنین وظیفه تنظیم فرآیندهای متابولیک را دارند.

نقش بیولوژیکی عناصر شیمیایی در بدن انسان بسیار متنوع است.

عملکرد اصلی عناصر ماکرو ساختن بافت ها، حفظ فشار اسمزی ثابت، ترکیب یونی و اسید-باز است.

ریز عناصر که بخشی از آنزیم ها، هورمون ها، ویتامین ها، مواد فعال بیولوژیکی به عنوان عوامل کمپلکس کننده یا فعال کننده هستند، در متابولیسم، فرآیندهای تولید مثل، تنفس بافتی و خنثی سازی مواد سمی نقش دارند. ریز عناصر به طور فعال بر فرآیندهای خون سازی، اکسیداسیون - کاهش، نفوذپذیری عروق خونی و بافت ها تأثیر می گذارد. عناصر ماکرو و میکرو - کلسیم، فسفر، فلوئور، ید، آلومینیوم، سیلیکون - تشکیل استخوان و بافت های دندانی را تعیین می کنند.

شواهدی وجود دارد که نشان می دهد محتوای برخی از عناصر در بدن انسان با افزایش سن تغییر می کند. بنابراین، محتوای کادمیوم در کلیه ها و مولیبدن در کبد با افزایش سن افزایش می یابد. حداکثر مقدار روی در دوران بلوغ مشاهده می شود، سپس کاهش می یابد و در سنین بالا به حداقل می رسد. محتوای سایر عناصر کمیاب مانند وانادیوم و کروم نیز با افزایش سن کاهش می یابد.

بسیاری از بیماری‌های مرتبط با کمبود یا تجمع بیش از حد ریز عناصر مختلف شناسایی شده‌اند. کمبود فلوراید باعث پوسیدگی دندان، کمبود ید باعث گواتر بومی و مولیبدن اضافی باعث نقرس بومی می شود. این نوع الگوها با این واقعیت مرتبط است که بدن انسان تعادل غلظت بهینه عناصر بیوژنیک را حفظ می کند - هموستاز شیمیایی. نقض این تعادل به دنبال دارد

کمبود یا بیش از حد یک عنصر می تواند منجر به بیماری های مختلف شود

علاوه بر شش عنصر درشت اصلی - ارگانوژن ها - کربن، هیدروژن، نیتروژن، اکسیژن، گوگرد و فسفر که کربوهیدرات ها، چربی ها، پروتئین ها و اسیدهای نوکلئیک را تشکیل می دهند، عناصر درشت معدنی "غیر آلی" برای تغذیه طبیعی انسان ها و حیوانات ضروری هستند - کلسیم، کلر، منیزیم، پتاسیم، سدیم - و عناصر کمیاب - مس، فلوئور، ید، آهن، مولیبدن، روی، و همچنین، احتمالا (برای حیوانات ثابت شده)، سلنیوم، آرسنیک، کروم، نیکل، سیلیکون، قلع، وانادیم.

کمبود عناصری مانند آهن، مس، فلوئور، روی، ید، کلسیم، فسفر، منیزیم و برخی دیگر در رژیم غذایی منجر به عواقب جدی برای سلامت انسان می شود.

با این حال، باید به خاطر داشت که نه تنها کمبود، بلکه بیش از حد مواد مغذی برای بدن مضر است، زیرا هموستاز شیمیایی مختل می شود. به عنوان مثال، هنگامی که منگنز اضافی همراه با غذا مصرف می شود، سطح مس در پلاسما افزایش می یابد (هم افزایی منگنز و مس) و در کلیه ها کاهش می یابد (آنتاگونیسم). افزایش محتوای مولیبدن در غذاها منجر به افزایش مقدار مس در کبد می شود. روی اضافی در غذا باعث مهار فعالیت آنزیم های حاوی آهن (آنتاگونیسم 2n و Fe) می شود.

اجزای معدنی که در مقادیر ناچیز حیاتی هستند، در غلظت های بالاتر سمی می شوند.

ضرورت حیاتی، کمبود و سمیت یک عنصر شیمیایی در قالب یک منحنی وابستگی "غلظت یک عنصر در محصولات غذایی - واکنش بدن" ارائه شده است (شکل 5.5). بخش تقریباً افقی منحنی (فلات) ناحیه غلظت های مربوط به رشد، سلامت و تولید مثل بهینه را توصیف می کند. وسعت زیاد فلات نه تنها نشان دهنده سمیت کم عنصر، بلکه توانایی بیشتر بدن برای سازگاری با تغییرات قابل توجه در محتوای این عنصر است. در مقابل، یک فلات باریک نشان دهنده سمیت قابل توجه عنصر و انتقال شدید از مقادیر لازم برای بدن به موارد تهدید کننده زندگی است. وقتی از یک فلات فراتر می روید (افزایش غلظت عناصر ریز)، همه عناصر سمی می شوند. در نهایت، افزایش قابل توجهی در غلظت عناصر کمیاب می تواند منجر به مرگ شود.

تعدادی از عناصر (نقره، جیوه، سرب، کادمیوم و غیره) شمارش می شود

آنها سمی هستند، زیرا ورود آنها به بدن حتی در مقادیر کم منجر به پدیده های پاتولوژیک شدید می شود. مکانیسم شیمیایی اثرات سمی برخی از عناصر کمیاب در زیر مورد بحث قرار خواهد گرفت.

عناصر بیوژنیک به طور گسترده در کشاورزی استفاده می شود. افزودن مقادیر کمی از ریز عناصر به خاک - بور، مس، منگنز، روی، کبالت، مولیبدن - به طور چشمگیری عملکرد بسیاری از محصولات را افزایش می دهد. به نظر می رسد که عناصر ریز با افزایش فعالیت آنزیم ها در گیاهان، سنتز پروتئین ها، ویتامین ها، اسیدهای نوکلئیک، قندها و نشاسته را تقویت می کنند. برخی از عناصر شیمیایی تأثیر مثبتی بر فتوسنتز، تسریع رشد و نمو گیاهان و رسیدن بذر دارند. ریز عناصر به خوراک دام اضافه می شود تا بهره وری آنها افزایش یابد.

عناصر مختلف و ترکیبات آنها به طور گسترده ای به عنوان دارو استفاده می شود.

بنابراین، مطالعه نقش بیولوژیکی عناصر شیمیایی، روشن کردن رابطه بین متابولیسم این عناصر و سایر مواد فعال بیولوژیکی - آنزیم ها، هورمون ها، ویتامین ها - به ایجاد داروهای جدید و توسعه رژیم های دوز بهینه برای درمان و پیشگیری کمک می کند. اهداف

همه موجودات زنده، به استثنای ویروس ها، از سلول ها تشکیل شده اند. بیایید بفهمیم که چیست و ساختار آن چیست.

سلول چیست؟

این واحد ساختاری اساسی موجودات زنده است. متابولیسم خودش را دارد. یک سلول همچنین می تواند به عنوان یک ارگانیسم مستقل وجود داشته باشد: نمونه هایی از آن مژگان ها، آمیب ها، کلامیدوموناس ها و غیره هستند. تمام مواد شیمیایی یک سلول عملکرد خاصی در ساختار و متابولیسم آن دارند.

عناصر شیمیایی

حدود 70 عنصر شیمیایی مختلف در سلول وجود دارد، اما اصلی ترین آنها اکسیژن، کربن، هیدروژن، پتاسیم، فسفر، نیتروژن، گوگرد، کلر، سدیم، منیزیم، کلسیم، آهن، روی، مس است. سه مورد اول اساس تمام ترکیبات آلی را نشان می دهد. همه عناصر شیمیایی سلول نقش خاصی دارند.

اکسیژن

مقدار این عنصر 65-75 درصد جرم کل سلول است. این تقریباً بخشی از تمام ترکیبات آلی و همچنین آب است و به همین دلیل محتوای آن بسیار زیاد است. این عنصر عملکرد بسیار مهمی را در سلول های موجودات انجام می دهد: اکسیژن به عنوان یک عامل اکسید کننده در فرآیند تنفس سلولی عمل می کند که در نتیجه آن انرژی سنتز می شود.

کربن

این عنصر مانند هیدروژن در تمام مواد آلی یافت می شود. ترکیب شیمیایی سلول حدود 15-18 درصد از آن را شامل می شود. کربن به شکل CO در فرآیندهای تنظیم عملکرد سلولی شرکت می کند و همچنین به شکل CO2 در فتوسنتز شرکت می کند.

هیدروژن

سلول حاوی تقریباً 8-10 درصد از این عنصر است. بیشترین مقدار آن در مولکول های آب یافت می شود. سلول های برخی از باکتری ها هیدروژن مولکولی را برای سنتز انرژی اکسید می کنند.

پتاسیم

ترکیب شیمیایی سلول حدود 0.15-0.4 درصد از این عنصر شیمیایی را شامل می شود. نقش بسیار مهمی ایفا می کند و در فرآیندهای تولید یک تکانه عصبی شرکت می کند. به همین دلیل استفاده از داروهای حاوی پتاسیم برای تقویت سیستم عصبی توصیه می شود. این عنصر همچنین به حفظ پتانسیل غشایی سلول کمک می کند.

فسفر

مقدار این عنصر در سلول 0.2-1 درصد وزن کل آن است. این بخشی از مولکول های ATP و همچنین برخی از لیپیدها است. فسفر در ماده بین سلولی و در سیتوپلاسم به صورت یون وجود دارد. غلظت بالای آن در سلول های عضلانی و بافت استخوانی مشاهده می شود. علاوه بر این، ترکیبات معدنی که شامل این عنصر هستند توسط سلول برای سنتز مواد آلی استفاده می شود.

نیتروژن

این عنصر به مقدار 2-3 درصد در ترکیب شیمیایی سلول گنجانده شده است. در پروتئین ها، اسیدهای نوکلئیک، اسیدهای آمینه و نوکلئوتیدها یافت می شود.

گوگرد

این بخشی از بسیاری از پروتئین ها است، زیرا در اسیدهای آمینه حاوی گوگرد یافت می شود. در غلظت کم در سیتوپلاسم و ماده بین سلولی به شکل یون وجود دارد.

کلر

حاوی 0.05-0.1٪. خنثی الکتریکی سلول را حفظ می کند.

سدیم

این عنصر در سلول به مقدار 0.02-0.03٪ وجود دارد. عملکردهای مشابه پتاسیم را انجام می دهد و همچنین در فرآیندهای تنظیم اسمزی شرکت می کند.

کلسیم

مقدار این عنصر شیمیایی 0.04-2٪ است. کلسیم در فرآیند حفظ پتانسیل غشایی سلول و اگزوسیتوز، یعنی آزادسازی برخی مواد (هورمون ها، پروتئین ها و غیره) از آن نقش دارد.

منیزیم

ترکیب شیمیایی سلول شامل 0.02-0.03 درصد از این عنصر است. در متابولیسم انرژی و سنتز DNA شرکت می کند، جزء آنزیم ها، کلروفیل است و در ریبوزوم ها و میتوکندری ها یافت می شود.

اهن

مقدار این عنصر 0.01-0.015٪ است. با این حال، مقدار بیشتری از آن در گلبول های قرمز خون وجود دارد، زیرا اساس هموگلوبین است.

فلز روی

در انسولین و همچنین در بسیاری از آنزیم ها موجود است.

فلز مس

این عنصر یکی از اجزای آنزیم های اکسیداتیو است که در سنتز سیتوکروم ها شرکت می کند.

سنجاب ها

اینها پیچیده ترین ترکیبات در سلول هستند که مواد اصلی از آنها تشکیل شده است. آنها از اسیدهای آمینه تشکیل شده اند که به ترتیب خاصی به یک زنجیره متصل می شوند و سپس به شکل یک توپ پیچیده می شوند که شکل آن برای هر نوع پروتئین خاص است. این مواد عملکردهای مهم بسیاری را در زندگی سلولی انجام می دهند. یکی از مهمترین آنها عملکرد آنزیمی است. پروتئین ها به عنوان کاتالیزور طبیعی عمل می کنند و فرآیند واکنش شیمیایی را صدها هزار بار سرعت می بخشند - تجزیه و سنتز هر ماده ای بدون آنها غیرممکن است. هر نوع آنزیم فقط در یک واکنش خاص شرکت می کند و نمی تواند وارد واکنش دیگری شود. پروتئین ها همچنین عملکرد محافظتی دارند. موادی از این گروه که سلول را از ورود پروتئین های خارجی به آن محافظت می کنند، آنتی بادی نامیده می شوند. این مواد همچنین از کل بدن در برابر ویروس ها و باکتری های بیماری زا محافظت می کنند. علاوه بر این، این اتصالات یک عملکرد حمل و نقل را انجام می دهند. این در این واقعیت نهفته است که پروتئین های ناقلی در غشاها وجود دارد که مواد خاصی را به بیرون یا داخل سلول حمل می کنند. عملکرد پلاستیک این مواد نیز بسیار مهم است. آنها ماده اصلی ساختمانی هستند که سلول، غشاها و اندامک های آن از آنها تشکیل شده است. گاهی اوقات پروتئین ها عملکرد انرژی را نیز انجام می دهند - با کمبود چربی ها و کربوهیدرات ها، سلول این مواد را تجزیه می کند.

لیپیدها

این گروه از مواد شامل چربی ها و فسفولیپیدها است. اولی ها منبع اصلی انرژی هستند. آنها همچنین می توانند به عنوان مواد ذخیره در صورت گرسنگی بدن جمع شوند. دومی به عنوان جزء اصلی غشای سلولی عمل می کند.

کربوهیدرات ها

رایج ترین ماده در این گروه گلوکز است. این و کربوهیدرات های ساده مشابه عملکرد انرژی را انجام می دهند. کربوهیدرات ها همچنین شامل پلی ساکاریدها هستند که مولکول های آنها از هزاران مولکول متحد - مونوساکاریدها تشکیل شده است. آنها عمدتاً نقش ساختاری را ایفا می کنند و بخشی از غشاها هستند. پلی ساکاریدهای اصلی سلول های گیاهی نشاسته و سلولز و پلی ساکاریدهای حیوانات گلیکوژن هستند.

اسیدهای نوکلئیک

این گروه از ترکیبات شیمیایی شامل DNA، RNA و ATP است.

DNA

این ماده مهمترین عملکرد را انجام می دهد - مسئول ذخیره سازی و انتقال ارثی اطلاعات ژنتیکی است. DNA در کروموزوم های هسته یافت می شود. ماکرومولکول های این ماده از نوکلئوتیدها تشکیل می شوند که به نوبه خود از یک پایه نیتروژنی تشکیل شده اند که توسط پورین ها و پیریمیدین ها، هیدروکربن ها و باقی مانده های اسید فسفریک نشان داده شده است. آنها در چهار نوع هستند: آدنیل، گوانیل، تیمیدیل و سیتیدیل. نام نوکلئوتید بستگی به این دارد که کدام پورین در ترکیب آن وجود دارد، اینها می توانند آدنین، گوانین، تیمین و سیتوزین باشند. مولکول DNA شکل دو زنجیره ای دارد که به صورت مارپیچی پیچیده شده اند.

RNA

این ترکیب عملکرد پیاده سازی اطلاعات موجود در DNA را از طریق سنتز پروتئین هایی انجام می دهد که ترکیب آنها رمزگذاری شده است. این ماده بسیار شبیه اسید نوکلئیک است که در بالا توضیح داده شد. تفاوت اصلی آنها در این است که RNA از یک زنجیره تشکیل شده است نه دو. نوکلئوتیدهای RNA نیز به جای تیمین و ریبوز حاوی اوراسیل پایه نیتروژنی هستند. بنابراین این ماده از نوکلئوتیدهایی مانند آدنیل، گوانیل، یوریدیل و سیتیدیل تشکیل می شود.

ATP

هر گونه انرژی که توسط سلول های گیاهی در طول فتوسنتز یا توسط حیوانات به دلیل اکسیداسیون چربی ها و کربوهیدرات ها به دست می آید، در نهایت در ATP ذخیره می شود و سلول در صورت نیاز آن را از آن دریافت می کند.