19-р зууны сүүлчээр биохими хэмээх биологийн салбар үүссэн. Энэ нь амьд эсийн химийн найрлагыг судалдаг. Шинжлэх ухааны гол үүрэг бол ургамал, амьтны эсийн амин чухал үйл ажиллагааг зохицуулдаг бодисын солилцоо, энергийн шинж чанарыг мэдэх явдал юм.
Эсийн химийн найрлагын тухай ойлголт
Эрдэмтэд нарийн судалгааны үр дүнд эсийн химийн зохион байгуулалтыг судалж, амьд биетийн найрлагад 85 гаруй химийн элемент байдгийг тогтоожээ. Түүнээс гадна тэдгээрийн зарим нь бараг бүх организмд зайлшгүй шаардлагатай байдаг бол зарим нь өвөрмөц бөгөөд тодорхой биологийн төрөл зүйлд байдаг. Гурав дахь бүлгийн химийн элементүүд нь бичил биетэн, ургамал, амьтны эсэд маш бага хэмжээгээр агуулагддаг. Эсүүд нь ихэвчлэн катион ба анион хэлбэрээр химийн элементүүдийг агуулдаг бөгөөд тэдгээрээс эрдэс давс, ус үүсдэг ба нүүрстөрөгч агуулсан органик нэгдлүүд: нүүрс ус, уураг, липидүүд нийлэгддэг.
Органоген элементүүд
Биохимид нүүрстөрөгч, устөрөгч,хүчилтөрөгч ба азот. Тэдний эсэд агуулагдах хэмжээ нь бусад химийн элементүүдийн 88-97% байдаг. Нүүрстөрөгч нь ялангуяа чухал юм. Эсийн найрлага дахь бүх органик бодисууд нь найрлагадаа нүүрстөрөгчийн атом агуулсан молекулуудаас бүрддэг. Тэд бие биетэйгээ холбогдож, гинж (салбарласан ба салаалаагүй), мөн мөчлөг үүсгэдэг. Нүүрстөрөгчийн атомуудын энэхүү чадвар нь цитоплазм болон эсийн органеллуудыг бүрдүүлдэг гайхалтай олон төрлийн органик бодисуудын үндэс юм.
Жишээ нь эсийн дотоод агууламж нь уусдаг олигосахарид, гидрофил уураг, липид, янз бүрийн төрлийн рибонуклеины хүчил: дамжуулах РНХ, рибосомын РНХ ба элч РНХ, түүнчлэн чөлөөт мономерууд - нуклеотидуудаас бүрддэг. Эсийн цөм нь ижил төстэй химийн найрлагатай байдаг. Мөн энэ нь хромосомын нэг хэсэг болох дезоксирибонуклеины хүчлийн молекулуудыг агуулдаг. Дээрх бүх нэгдлүүд нь азот, нүүрстөрөгч, хүчилтөрөгч, устөрөгчийн атомуудыг агуулдаг. Энэ нь тэдний онцгой чухал ач холбогдлын нотолгоо юм, учир нь эсийн химийн зохион байгуулалт нь эсийн бүтцийг бүрдүүлдэг органоген элементүүд болох гиалоплазм ба органеллуудаас хамаардаг.
Макро элементүүд ба тэдгээрийн утга
Янз бүрийн төрлийн организмын эсүүдэд маш түгээмэл байдаг химийн элементүүдийг биохимид макронутриент гэж нэрлэдэг. Тэдний эс дэх агууламж 1.2% - 1.9% байна. Эсийн макроэлементүүдэд: фосфор, кали, хлор, хүхэр, магни, кальци, төмөр, натри орно. Тэд бүгд чухал үүрэг гүйцэтгэдэг бөгөөд төрөл бүрийн нэг хэсэг юмэсийн органелл. Тиймээс төмрийн ион нь цусны уураг - гемоглобин, хүчилтөрөгч (энэ тохиолдолд үүнийг оксигемоглобин гэж нэрлэдэг), нүүрстөрөгчийн давхар исэл (карбогемоглобин) эсвэл нүүрстөрөгчийн дутуу исэл (карбоксигемоглобин) тээвэрлэдэг.
Натрийн ионууд нь эс хоорондын тээвэрлэлтийн хамгийн чухал төрөл болох натри-калийн шахуургыг хангадаг. Тэд мөн завсрын шингэн ба цусны сийвэнгийн нэг хэсэг юм. Магнийн ионууд нь хлорофилийн молекулуудад (дээд ургамлын фотопигмент) агуулагддаг бөгөөд гэрлийн энергийн фотонуудыг барьж авдаг урвалын төвүүдийг үүсгэдэг тул фотосинтезийн үйл явцад оролцдог.
Кальцийн ионууд нь утаснуудын дагуу мэдрэлийн импульс дамжуулдаг бөгөөд остеоцит - ясны эсийн үндсэн бүрэлдэхүүн хэсэг юм. Кальцийн нэгдлүүд нь бүрхүүл нь кальцийн карбонатаас тогтдог сээр нуруугүй амьтдын ертөнцөд өргөн тархсан байдаг.
Хлорын ионууд нь эсийн мембраныг цэнэглэхэд оролцдог бөгөөд мэдрэлийн өдөөлтийг үүсгэдэг цахилгаан импульс үүсгэдэг.
Хүхрийн атомууд нь уугуул уургийн нэг хэсэг бөгөөд полипептидийн гинжийг "хөндлөн холбох" замаар гуравдагч бүтцийг нь тодорхойлдог бөгөөд үүний үр дүнд бөмбөрцөг уургийн молекул үүсдэг.
Калийн ионууд нь эсийн мембранаар бодис тээвэрлэхэд оролцдог. Фосфорын атомууд нь аденозин трифосфорын хүчил зэрэг эрчим хүч их шаарддаг бодисын нэг хэсэг бөгөөд эсийн удамшлын үндсэн бодис болох дезоксирибонуклеин ба рибонуклеины хүчлийн молекулуудын чухал бүрэлдэхүүн хэсэг юм.
Эс дэх ул мөр элементийн үүрэгбодисын солилцоо
Эсийн 0,1%-иас бага хувийг эзэлдэг 50 орчим химийн элементийг микроэлемент гэж нэрлэдэг. Үүнд цайр, молибден, иод, зэс, кобальт, фтор орно. Ач холбогдол багатай, тэдгээр нь биологийн идэвхт бодисуудын нэг хэсэг учраас маш чухал үүрэг гүйцэтгэдэг.
Жишээлбэл, инсулины молекулуудад цайрын атомууд (цусан дахь глюкозын түвшинг зохицуулдаг нойр булчирхайн даавар) агуулагддаг, иод нь бамбай булчирхайн даавар - тироксин, трииодотиронин, бие дэх бодисын солилцооны түвшинг зохицуулдаг салшгүй хэсэг юм. бие. Зэс нь төмрийн ионуудтай хамт гематопоэз (сээр нуруутан амьтдын улаан ясны чөмөгт эритроцит, ялтас, лейкоцит үүсэх) оролцдог. Зэсийн ионууд нь нялцгай биет гэх мэт сээр нуруугүй амьтдын цусанд байдаг гемоцианины пигментийн нэг хэсэг юм. Тиймээс тэдний гемолимфийн өнгө нь цэнхэр өнгөтэй байна.
Хар тугалга, алт, бром, мөнгө зэрэг химийн элементүүдийн эсэд бүр ч бага агууламжтай. Тэдгээрийг хэт микроэлемент гэж нэрлэдэг бөгөөд ургамал, амьтны эсийн нэг хэсэг юм. Тухайлбал, эрдэнэ шишийн үрэнд химийн шинжилгээгээр алтны ион илэрсэн. Их хэмжээний бромын атомууд нь саргас, бор замаг, фукус зэрэг бор, улаан замагны таллусын эсийн нэг хэсэг юм.
Дээрх бүх жишээ, баримтууд нь эсийн химийн найрлага, үйл ажиллагаа, бүтэц хоорондоо хэрхэн уялдаатай байдгийг тайлбарлаж байна. Доорх хүснэгтэд амьд организмын эс дэх янз бүрийн химийн элементүүдийн агуулгыг харуулав.
Органик бодисын ерөнхий шинж чанар
Организмын янз бүрийн бүлгийн эсийн химийн шинж чанар нь эсийн массын 50 гаруй хувийг эзэлдэг нүүрстөрөгчийн атомаас тодорхой хэмжээгээр хамаардаг. Эсийн бараг бүх хуурай бодис нь нарийн төвөгтэй бүтэцтэй, том молекул жинтэй нүүрс ус, уураг, нуклейн хүчил, липидээр илэрхийлэгддэг. Ийм молекулуудыг макромолекулууд (полимерууд) гэж нэрлэдэг бөгөөд энгийн элементүүд - мономеруудаас бүрддэг. Уургийн бодисууд нь маш чухал үүрэг гүйцэтгэдэг бөгөөд олон үүрэг гүйцэтгэдэг бөгөөд үүнийг доор авч үзэх болно.
Эс дэх уургийн үүрэг
Амьд эсийг бүрдүүлдэг нэгдлүүдийн биохимийн шинжилгээ нь уураг зэрэг органик бодисуудын өндөр агууламжтай болохыг баталж байна. Энэ баримтын логик тайлбар бий: уураг нь янз бүрийн үүрэг гүйцэтгэдэг бөгөөд эсийн амьдралын бүхий л илрэлүүдэд оролцдог.
Жишээ нь уургийн хамгаалалтын функц нь лимфоцитоор үүсгэгддэг иммуноглобулин болох эсрэгбие үүсгэх явдал юм. Тромбин, фибрин, тромбобластин зэрэг хамгаалалтын уураг нь цусыг бүлэгнүүлж, гэмтэл, шархны үед цус алдахаас сэргийлдэг. Эсийн найрлагад гадны нэгдлүүд болох антигенийг таних чадвартай эсийн мембраны нарийн төвөгтэй уураг орно. Тэд тохиргоогоо өөрчилж, үүрэнд болзошгүй аюулын талаар мэдээлдэг (дохио өгөх функц).
Зарим уураг нь зохицуулах үүрэгтэй бөгөөд гормонууд байдаг, жишээлбэл, гипоталамусаас үүссэн окситоциныг гипофиз булчирхайд хадгалдаг. Түүнээсцус, окситоцин нь умайн булчингийн хананд үйлчилж, түүнийг агшихад хүргэдэг. Уураг вазопрессин нь цусны даралтыг зохицуулах, зохицуулах үүрэгтэй.
Булчингийн эсэд агших чадвартай актин ба миозин байдаг бөгөөд энэ нь булчингийн эд эсийн хөдөлгөөний үйл ажиллагааг тодорхойлдог. Уургууд нь трофик функцтэй байдаг, жишээлбэл, альбумин нь үр хөврөлийг хөгжүүлэхэд шим тэжээл болгон ашигладаг. Гемоглобин, гемоцианин зэрэг янз бүрийн организмын цусны уураг нь хүчилтөрөгчийн молекулуудыг зөөвөрлөж, тээвэрлэх үүргийг гүйцэтгэдэг. Хэрэв нүүрс ус, өөх тос зэрэг эрчим хүч их шаарддаг бодисыг бүрэн ашиглаж чадвал эс нь уураг задалдаг. Энэ бодисын нэг грамм нь 17.2 кЖ энерги өгдөг. Уургийн хамгийн чухал функцүүдийн нэг нь катализатор (ферментийн уураг нь цитоплазмын хэсгүүдэд тохиолддог химийн урвалыг хурдасгадаг) юм. Дээр дурдсан зүйлс дээр үндэслэн уураг нь маш олон чухал үүрэг гүйцэтгэдэг бөгөөд амьтны эсийн зайлшгүй бүрэлдэхүүн хэсэг гэдэгт бид итгэлтэй байсан.
Уургийн биосинтез
Рибосом гэх мэт органеллуудын тусламжтайгаар цитоплазмд тохиолддог эсийн уургийн нийлэгжилтийн үйл явцыг авч үзье. Тусгай ферментийн үйл ажиллагааны ачаар кальцийн ионуудын оролцоотойгоор рибосомууд полисом болж нэгтгэгддэг. Эсийн рибосомын үндсэн үүрэг бол транскрипцийн процессоос эхэлдэг уургийн молекулуудын нийлэгжилт юм. Үүний үр дүнд мРНХ молекулууд нийлэгжиж, полисомууд холбогддог. Дараа нь хоёр дахь процесс эхэлнэ - орчуулга. РНХ шилжүүлэххорин өөр төрлийн амин хүчлүүдтэй нийлж, тэдгээрийг полисом болгон авчрах ба эс дэх рибосомын үүрэг нь полипептидийн нийлэгжилт учраас эдгээр органеллууд нь тРНХ-тэй нэгдэл үүсгэж, амин хүчлийн молекулууд бие биетэйгээ пептидийн холбоогоор холбогдож уургийн макромолекул.
Бодисын солилцооны үйл явцад усны үүрэг
Цитологийн судалгаагаар бидний судалж буй эд эсийн бүтэц, найрлага нь дунджаар 70% ус байдаг бөгөөд усны амьдралын хэв маягийг эрхэлдэг олон амьтдын (жишээ нь, coelenterates), түүний агуулга 97-98% хүрдэг. Үүнийг харгалзан эсийн химийн зохион байгуулалтад гидрофиль (уусгах чадвартай) ба гидрофобик (усны зэвүүн) бодисууд орно. Бүх нийтийн туйлын уусгагч болох ус нь онцгой үүрэг гүйцэтгэдэг бөгөөд зөвхөн үйл ажиллагаа төдийгүй эсийн бүтцэд шууд нөлөөлдөг. Доорх хүснэгтэд янз бүрийн төрлийн амьд организмын эс дэх усны агууламжийг харуулав.
Эс дэх нүүрс усны үүрэг
Бидний өмнө нь олж мэдсэнээр нүүрс ус нь бас чухал органик бодис болох полимер юм. Үүнд полисахарид, олигосахарид, моносахарид орно. Нүүрс ус нь илүү нарийн төвөгтэй нэгдэл болох гликолипид ба гликопротейнүүдийн нэг хэсэг бөгөөд тэдгээрээс эсийн мембран, гликокаликс зэрэг дээд мембраны бүтэц үүсдэг.
Нүүрс ус нь нүүрстөрөгчөөс гадна хүчилтөрөгч, устөрөгчийн атом агуулдаг ба зарим полисахаридууд нь азот, хүхэр, фосфор агуулдаг. Ургамлын эсэд маш их нүүрс ус байдаг: төмсний булцуу90% хүртэл цардуул, үр, жимсэнд 70% хүртэл нүүрс ус агуулагддаг ба амьтны эсэд гликоген, хитин, трегалоз зэрэг нэгдлүүд хэлбэрээр агуулагддаг.
Энгийн сахар (моносахарид) нь CnH2nOn ерөнхий томьёотой бөгөөд тетроз, триоз, пентоз, гексос гэж хуваагддаг. Сүүлийн хоёр нь амьд организмын эсүүдэд хамгийн түгээмэл байдаг, жишээлбэл, рибоз ба дезоксирибоз нь нуклейн хүчлүүдийн нэг хэсэг бөгөөд глюкоз ба фруктоз нь шингээх, задлах урвалд оролцдог. Олигосахаридууд нь ихэвчлэн ургамлын эсэд байдаг: сахароз нь чихрийн нишингэ, чихрийн нишингийн эсүүдэд, мальтоза нь хөх тариа, арвайн соёолсон үр тарианд агуулагддаг.
Дисахарид нь чихэрлэг амттай бөгөөд усанд сайн уусдаг. Биополимер болох полисахаридууд нь ихэвчлэн цардуул, целлюлоз, гликоген, ламинаринаар илэрхийлэгддэг. Хитин нь полисахаридын бүтцийн хэлбэрт хамаардаг. Эс дэх нүүрс усны гол үүрэг бол эрчим хүч юм. Гидролиз ба энергийн солилцооны урвалын үр дүнд полисахаридууд нь глюкоз болж задардаг бөгөөд дараа нь нүүрстөрөгчийн давхар исэл, ус болж исэлддэг. Үүний үр дүнд нэг грамм глюкоз нь 17.6 кЖ энерги ялгаруулдаг ба цардуул болон гликогенийн нөөц нь эсийн энергийн нөөц юм.
Гликоген нь гол төлөв булчингийн эд, элэгний эсэд, хүнсний ногооны цардуулыг булцуу, булцуу, үндэс, үрэнд, аалз, шавьж, хавч зэрэг үе хөлт амьтдад хадгалагддаг, трегалоз олигосахарид нь эрчим хүчний хангамжид гол үүрэг гүйцэтгэдэг.
Нүүрс усхүчилтөрөгчгүй задлах чадвараараа липид, уурагаас ялгаатай. Энэ нь хүчилтөрөгчийн дутагдал эсвэл дутагдалтай нөхцөлд амьдардаг, тухайлбал, хүн, амьтны шимэгч болох агааргүй бактери, гельминт зэрэг организмд маш чухал юм.
Эс дэх нүүрс усны өөр нэг үүрэг байдаг - барих (бүтцийн). Энэ нь эдгээр бодисууд нь эсийн тулгуур бүтэц байдагт оршино. Жишээлбэл, целлюлоз нь ургамлын эсийн хананы нэг хэсэг бөгөөд хитин нь олон сээр нуруугүй амьтдын гаднах араг ясыг бүрдүүлдэг бөгөөд мөөгөнцрийн эсүүдэд олисахаридууд нь липид ба уургийн молекулуудтай хамт гликокаликс - эпимембран цогцолбор үүсгэдэг. Энэ нь наалдацыг хангадаг - амьтны эсүүд хоорондоо наалдаж, эд эс үүсэхэд хүргэдэг.
Липидүүд: бүтэц, үүрэг
Гидрофобик (усанд уусдаггүй) эдгээр органик бодисыг ацетон эсвэл хлороформ зэрэг туйлшралгүй уусгагч ашиглан эсээс гаргаж авах боломжтой. Эсийн липидийн үйл ажиллагаа нь өөх тос, лав, стероид гэсэн гурван бүлгийн алинд нь хамаарахаас хамаарна. Өөх тос нь бүх төрлийн эсэд хамгийн их байдаг.
Амьтад тэдгээрийг арьсан доорх өөхний эдэд хуримтлуулдаг, мэдрэлийн эдэд мэдрэлийн миелин бүрхүүл хэлбэрээр өөх тос агуулагддаг. Энэ нь бөөр, элэг, шавьж, өөхөн биед хуримтлагддаг. Шингэн өөх тос - тос нь олон ургамлын үрэнд байдаг: хуш, газрын самар, наранцэцэг, чидун. Эс дэх липидийн агууламж 5-90% (өөхний эдэд) байдаг.
Стероид ба лавмолекулдаа тосны хүчлийн үлдэгдэл агуулаагүй гэдгээрээ өөх тосноос ялгаатай. Тиймээс стероидууд нь бэлгийн бойжилтод нөлөөлдөг бөөрний дээд булчирхайн даавар бөгөөд тестостероны бүрэлдэхүүн хэсэг юм. Тэд мөн витаминд агуулагддаг (жишээлбэл, Д витамин).
Эс дэх липидийн үндсэн үүрэг нь эрчим хүч, барилга барих, хамгаалах үйлчилгээ юм. Эхнийх нь хуваагдах явцад 1 грамм өөх тос нь 38.9 кЖ энерги өгдөг - бусад органик бодисууд - уураг, нүүрс уснаас хамаагүй их байдагтай холбоотой юм. Үүнээс гадна 1 г өөх тосыг исэлдүүлэх явцад бараг 1.1 г ялгардаг. ус. Тийм ч учраас зарим амьтад биедээ өөх тос ихтэй тул удаан хугацаанд усгүй байж болно. Жишээлбэл, гоферууд ус шаардахгүйгээр хоёр сараас дээш хугацаагаар өвөлждөг ба тэмээ цөлийг гатлахад 10-12 хоног ус уудаггүй.
Липидийн барилгын үйл ажиллагаа нь эсийн мембраны салшгүй хэсэг бөгөөд мэдрэлийн нэг хэсэг юм. Липидийн хамгаалалтын функц нь бөөр болон бусад дотоод эрхтнүүдийн эргэн тойронд арьсан доорх өөхний давхарга нь тэдгээрийг механик гэмтлээс хамгаалдаг. Тусгай дулаан тусгаарлах функц нь усанд удаан хугацаагаар байдаг амьтдад өвөрмөц шинж чанартай байдаг: халим, далайн хав, үслэг далайн хав. Цэнхэр халимны зузаан арьсан доорх өөхний давхарга нь 0.5 м бөгөөд энэ нь амьтныг гипотермиас хамгаалдаг.
Эсийн бодисын солилцоонд хүчилтөрөгчийн ач холбогдол
Амьтан, ургамал, хүний дийлэнх хэсгийг багтаасан аэробик организмууд эрчим хүчний солилцооны урвалд агаар мандлын хүчилтөрөгчийг ашигладаг.органик бодисыг задалж, аденозин трифосфорын хүчлийн молекул хэлбэрээр хуримтлагдсан тодорхой хэмжээний энерги ялгарахад хүргэдэг.
Тиймээс митохондрийн талстууд дээр үүсдэг нэг моль глюкоз бүрэн исэлдэснээр 2800 кЖ энерги ялгарч, үүний 1596 кЖ (55%) нь макроэргик агуулсан ATP молекул хэлбэрээр хадгалагдана. бонд. Тиймээс эс дэх хүчилтөрөгчийн гол үүрэг нь эсийн органелл - митохондри дахь амьсгалын замын гинжин хэлхээний ферментийн урвалын бүлэгт суурилсан аэробик амьсгалыг хэрэгжүүлэх явдал юм. Прокариот организмд - фототроф бактери ба цианобактерид шим тэжээлийн исэлдэлт нь плазмын мембраны дотоод ургалт дээрх эсүүдэд тархах хүчилтөрөгчийн нөлөөн дор явагддаг.
Бид эсийн химийн зохион байгуулалт, уургийн биосинтезийн үйл явц, эсийн энергийн солилцоо дахь хүчилтөрөгчийн үүргийг судалсан.
