Organizarea chimica a celulei

ORGANIZAREA CHIMICA A CELULEI

In celula vie au fost identificate aproximativ 63 din totalul elementelor chimice, dintre care esentiale pentru viata sunt aproximativ 20. In functie de proportia in care iau parte la formarea celulelor, elementele chimice se pot clasifica in:

macroelemente (elemente majore) prezente in proportie de 98%:

- oxigen (66%)

- hidrogen (10%)

- carbon (18%)

- azot (3,5%)

microelemente (elemente putin abundente) prezente in proportie de 2%:

- calciu (1,2%)

- sulf (0,9%)

- potasiu (0,15%)

- sodiu (0,15%)

- clor (0,1%)

- magneziu (0,1%)

ultramicroelemente prezente in proportie redusa, de 0,01%:

- iod

- fier

- mangan

- zinc

- cobalt, etc.

Macroelementele intra in compozitia glucidelor, lipidelor si proteinelor, avand si rol plastic.

Micro- si ultramicroelementele au fost denumite oligoelemente deoarece participa in proportii atat de mici in viata celulei. Totusi, absenta acestora din sol si apa produce o serie de boli la plante si animale numite endemii biogeochimice.

Elementele chimice care intra in alcatuirea celulelor nu sunt independente ci sub forma de compusi sau substante, impartindu-se in doua mari categorii, si anume: substante anorganice (apa si substantele minerale) si substante organice (glucide, lipide, proteine, acizi nucleici). Proportia in care aceste elemente constitutive apar in celula variaza cu specia, tipul celulei, starea functionala si varsta.

Unitatea de alcatuire a lumii vii este dovedita prin faptul ca toate fiintele vii sunt alcatuite din aceleasi tipuri de substante chimice, majoritatea organismelor continandu-le in proportii similare.

Exprimand valorile la nivelul intregului organism se poate aprecia urmatoarea compozitie: apa - 70%, proteine - 15%, acizi nucleici - 7%, glucide - 3%, lipide - 2%, ioni anorganici -1 %. De remarcat insa ca la scara celulara exista diferente considerabile.

Substantele anorganice

Apa reprezinta cel mai raspandit element, atat in natura cat si in organismele vii (plante si animale), avand rolul cel mai important in desfasurarea tuturor reactiilor biochimice si fizico-chimice ale vietii.

Celulele contin in medie 60 - 90% apa. Celulele tinere, cele cu activitate intensa si cele care intra in diviziune prezinta un continut mai mare de apa in comparatie cu celulele batrane sau cu activitate metabolica mai redusa.

Extragerea apei din celule, prin diferite procedee, determina suspendarea, dar nu si suprimarea proceselor vitale. Conservarea prin deshidratare a unor bacterii, seminte sau celule umane a suspendat procesele vitale pentru mai multe mii de ani, revitalizarea lor fiind posibila dupa hidratarea treptata si controlata in laboratoare speciale (de exemplu, ouale congelate de la o specie de crevete, Artemia, au generat embrioni normali dupa decongelare si crestere in conditii normale).

Apa din celula prezinta doua surse:

exogena, care patrunde din mediul extracelular;

endogena, care rezulta in urma reactiilor metabolice.

In celula, apa se gaseste sub doua forme:

apa libera (95%), cu rol de: dizolvant, de mediu de dispersie si de sediu al proceselor metabolice;

apa legata (5%) care, prin legaturi de hidrogen sau alte forte este legata de proteine, lipide sau alte componente celulare.

Pe langa apa intracelulara (55%) exista si apa extracelulara (45%), care participa la formarea plasmei, limfei, lichidului interstitial, lichidului cefalorahidian, lichidelor din cavitatile seroase si osoase si a secretiilor diges­tive.

Rolulurile apei in celula sunt urmatoarele:

este solventul biologic, universal pentru compusii organici si sarurile minerale;

influenteaza reactiile chimice din celule, prin disociere in ioni;

moleculele de apa se pot lega intre ele prin legaturi de hidrogen asigurand o ecranare termica (structurile celulare se protejeaza impotriva distrugerilor termice care pot sa apara in urma eliberarilor bruste de caldura din reactiile exoterme);

asigura transportul anumitor substante din celula in mediul extracelular si invers.

Proiect: Dezvoltarea prenatala si nasterea - factorii ce influenteaza dezvoltarea Eseu: Bazele moleculare ale apoptozei

Substantele minerale se gasesc sub forma de ioni liberi, saruri minerale sau sub forma de combinatii cu substantele organice.

Ionii liberi (Na⁺, K⁺, Ca²⁺, Mg²⁺, PO₄^2-, SO₄^2-, Cl^-, CO₃^2-, NO₃^-) se gasesc dizolvati in diferite compartimente celulare si sunt deosebit de importanti pentru mentinerea presiunii osmotice si a echilibrului acido-bazic. Acestia influenteaza activitatea enzimelor, permeabilitatea, excitabilitatea, contractilitatea, vascozitatea citoplasmei, diviziunea celulara etc., concentratia lor fiind mentinuta in limite stranse.

Ionii legati de anumite substante organice se intalnesc in structura unor heteroproteine, de ex: Fe²⁺ in hemoglobina, Mg²⁺ in clorofila etc.

Sarurile minerale, mai ales sub forma de carbonati si fosfati, se intalnesc in structura dintilor si a oaselor.

Substantele organice

Glucidele (hidratii de carbon) sunt alcatuite din carbon, hidrogen si oxigen, raportul higrogen/oxigen fiind de 2:1, ca si in cazul moleculei de apa. Raspandirea glucidelor in celulele vii este universala, rolul lor in viata organismelor fiind foarte important.

Dupa criteriul de a se hidroliza, glucidele se impart in doua clase: oze si ozide,.

Ozele (monozaharidele sau zaharurile simple), contin o singura unitate carbonilica (sunt deci nehidroxidabile). Dupa natura gruparii carbonil din molecula, se clasifica in aldoze si cetoze, iar dupa numarul atomilor de carbon se impart in trioze, pentoze, hexoze, heptoze, octoze.

Ozidele sunt glucide care pot fi hidrolizate sub actiunea enzimelor sau a acizilor diluati, cu formarea de monozaharide si se clasifica in: holozide si heterozide. Holozidele rezulta din condensarea a doua sau mai multe monozaharide. Dupa numarul moleculelor de monozaharide se pot clasifica in oligozaharide (oligozide) - care contin 2 - 4 molecule de monozaharide identice sau diferite, legate covalent, si polizaharide - care contin un numar mare de unitati monozaharidice (de ordinul sutelor sau miilor), pe care le pot elibera prin hidroliza. Heterozidele sunt formate din monozaharide si componente neglucidice numite aglicon.

Dintre monozaharidele cu un rol deosebit in structura celulei sunt riboza si dezoxiriboza (pentoze), care intra in alcatuirea acizilor nucleici si glucoza (hexoza), care este cel mai important furnizor de energie.

Glucoza, cel mai important monozaharid pentru biochimia celulei se depoziteaza numai sub forma de polimer. Forma polimerizata a glucozei in celulele vegetale este amidonul, cu rol energetic, constituind sursa de energie necesara activitatilor vitale si celuloza, care intra in structura peretilor celulelor vegetale, asigurandu-le forma si stabilitatea. Forma polimerizata a glucozei in celulele animale este glicogenul. Acest polimer are o structura foarte ramificata ceea ce permite enzimelor sa actioneze simultan la toate capetele ramificatiilor eliberand rapid glucoza in cazul scaderii concentratiei acesteia din sange.

Dintre polizaharide, importanti pentru celula sunt glicozaminoglicanii rezultati din polimerizarea unor monomeri care sunt derivati aminati ai unor monozaharide (glucozamina, galactozamina, acidul glucuronic). Glicozaminoglicanii cu structura acida se intalnesc in granulatiile unor celule conjunctive si sanguine precum si in mediul extracelular unde, datorita capacitatii masive de hidratare, au rol de sustinere, reducere a socurilor, de lubrefiere si in metabolismul general al tesuturilor. Glicozaminoglicanii cu structura neutra formeaza peretii celulari ai capsulelor bacteriene, iar unii intra in structura membranelor celulare ale eritrocitelor, unde formeaza gruparile antigenice responsabile de existenta grupelor de sange.

Glucidele se pot combina cu lipidele formand glicolipide sau cu proteinele, rezultand glicoproteine.

Lipidele sunt substante organice cu functii multiple in viata celulelor, fiind compuse din carbon, hidrogen si oxigen, unele mai continand si azot si fosfor.

Lipidele ajung in celula fie pe cale exogena, fie pe cale endogena (se sintetizeaza din glucide sau din proteine).

Dupa criteriul biologic, lipidele se impart in:

- lipide de rezerva (care, la animale si om, se acumuleaza in tesutul adipos, iar la plante in diferite organe, mai ales in unele seminte sau fructe);

- lipide de constitutie (care intra in structura celulelor);

- lipide circulante (care circula in sange sau in limfa).

Dupa criteriul biochimic, lipidele se clasifica in:

- lipide simple (contin doar carbon, oxigen si hidrogen): gliceridele (esteri ai glicerolului cu acizii grasi), ceridele (esteri ai unor alcooli si acizi grasi, cu glicerina) si steridele (esteri ai sterolilor cu acizii grasi);

- lipide complexe (contin, pe langa elementele chimice mai sus mentionate si altele, ca: fosfor, sulf, azot, etc.): fosfatidele si sfingolipidele;

- lipide combinate cu alti compusi organici: glucolipide (lipide combinate cu glucide) si lipoproteine (lipide combinate cu proteine).

Celula utilizeaza ca sursa de energie acizii grasi cu 16 - 18 atomi de carbon, deoarece au o stabilitate si reactivitate mai mare decat alcoolii sau aminele. Acizii grasi cu mai mult de 18 atomi de carbon sunt insolubili, iar cei sub 16 atomi de carbon sunt prea solubili si distrug membranele.

Pentru celula si implicit pentru organism, lipidele indeplinesc mai mule roluri importante, dupa cum urmeaza:

- furnizeaza multa energie (9,1 kcal, valoare dubla fata de glucide), insa nu sunt prioritare in metabolismul energetic, lipidele fiind metabolizate dupa glucide;

- la animale si om se depoziteaza, mai ales in celulele adipoase monoluculare, ca substante de rezerva;

- intra in structura celulelor participand la formarea membranelor si la asigurarea permeabilitatii acestora, regasindu-se insa si in interiorul celulelor, mai ales la nivelul mitocondriilor;

- lipidele circulante asigura transportul unor substante importante (vitamine liposolubile, hormoni, minerale);

- contribuie la reglarea temperaturii, atat ca donatoare de energie calorica, cat si ca strat izolant subcutanat;

- lipidele subcutanate asigura protectie mecanica si radioactiva;

- protejeaza vasele de sange si terminatiile nervoase;

- intra in structura tecilor neuronale;

- intervin in activitatea endocrina;

- rol reglator (vitamine liposolubile, hormoni steroizi, prostaglandine);

- protejeaza si sustin organele interne (rinichi, ficat, inima, splina), atat in pozitie statica cat si la deplasare sau la zdruncinare (amortizeaza socurile).

Lipidele de rezerva in celule (trigliceridele) apar sub forma unor picaturi in citosol.

Proteinele (numite si protide)au rolul cel mai important in viata celulelor deoarece intra in alcatuirea componentelor celulare si sunt implicate, sub forma enzimelor, in functionarea tuturor sistemelor biologice.

Proteinele sunt substante organice cu structura complexa, macromoleculara, formate pe baza aminoacizilor. Asezarea aminoacizilor in lanturi nu se face hazardant, ci intr-o anumita ordine, specifica fiecarei proteine. Biosinteza proteinelor se realizeaza sub influenta materialului genetic, fiind comandata de catre o gena speciala.

Dupa numarul de aminoacizi din lanturile structurale, proteinele se clasifica in urmatoarele categorii:

- monopeptide (aminoacizi);

- peptide sau protide intermediare (oligopeptide si polipeptide);

- macropeptide (holoproteide, heteroproteide).

Oligopeptidele contin doar cativa aminoacizi, in timp ce polipeptidele prezinta in structura lor un numar mare de aminoacizi.

Macropeptidele sunt substante macromoleculare care au in structura lor doar aminoacizi - holoproteidele - sau care pot avea pe langa acestia si alte substante (glucide, lipide, minerale, acizi anorganici, acizi nucleici, pigmenti), caz in care poarta denumirea de heteroproteide.

Dupa forma macromoleculei, proteinele sunt globulare si fibrilare (se mai numesc si scleoproteide). Protidele globulare sunt sferice, in timp ce proteinele fibrilare prezinta o forma alungita. Intre cele doua tipuri, exista si forme intermediare, numite globuline.

Holoproteidele sau proteinele propriu-zise au o structura globulara, cu exceptia scleroproteinelor. Din aceasta grupa fac parte urmatoarele proteine: albuminele, globulinele, glutaminele, histonele, prolaminele (gliadine), protaminele si scleroproteinele (cum sunt, spre exemplu: colagenul si elastina din tesutul conjunctiv, fibrina din plasma sangvina, cheratina din celulele epidermei, miozina din celulele musculare).

Heteroproteidele contin, pe langa aminoacizi, diferite alte substante, Gruparile prin care proteinele realizeaza cu legaturi cu substantele respective se numesc grupari prosteice. Aceaste legaturi sunt mai puternice in cazul glicoproteinelor si lipoproteinelor si mai slabe in cazul acizilor nucleici din nucleoproteine. Grupul prostetic mareste variabilitatea structurala si functionala a proteinelor. Principalele heteroproteide sunt: metaloproteinele (hemoglobina, citocromul, vitamina B12, etc.), fosfoproteinele (proteine de origine animala; cum este spre exemplu cazeina, care contin fosfor), mucoproteinele (proteine care contin mucopoliglucide), glicoproteinele (proteine de origine animala care contin resturi de glicogen), lipoproteinele (proteine de transport, care fixeaza grasimile, impreuna cu care circula in sange si in limfa) si nucleoproteinele (proteine care contin acizi nucleici).

Proteinele intra in structurile tuturor celulelor vii indeplinind numeroase roluri, multe dintre ele fundamentale, asa cum sunt cele energetice si plastice. Ca functie energetica, proteinele, ca si lipidele, prezinta o importanta secundara, desi pot dezvolta aproximativ aceiasi valoare energetica ca si glucidele. Din punct de vedere plastic, proteinele sunt cele mai importante substante, ele fiind capabile sa inlocuiasca citoplasma uzata, unele indeplinind si functii de sustinere (colagenul, elastina, cheratina etc.)

Proteinele se dovedesc deosebit de active in ceea ce priveste echilibrul acido-bazic si cel hidro-electric.

La nivelul membranelor celulare, proteinele joaca un rol activ in transportul unor substante, mai ales oxigen, dioxid de carbon (hemoglobina si mioglobina), apa si lipide.

Tot la nivel membranar, in special la neuroni, exista anumite proteine care permit trecerea selectiva a unor ioni (Na+, K+) pe de-o parte si de alta a membranei celulare, prin niste canale speciale. Aceste proteine asigura buna functionare a sistemului nervos si a placilor neuromusculare.

Asezarea stratificata a proteinelor precum si capacitatea lor de a se deforma reversibil, confera posibilitatea de miscare (actina, miozina, tubulinele).

Proteinele intra in structura materialului genetic (ADN, ARN), de care depinde toate aspectele particulare ale unui organism, precum si a descendentilor sai.

Alte proteine sunt implicate in controlul ciclului celular, respectiv sunt responsabile de cresterea si diviziunea celulara.

De asemenea, proteinele pot detine un rol important in controlul proceselor metabolice (hormonii proteici si polipeptidici) si in protectia imuna (anticorpii),

Din multitudinea de functii descrise anterior, se desprinde ideea ca proteinele, care se intalnesc in toate celulele organismelor, au anumite particularitati determinate de numarul si compozitia in aminoacizi, ordinea acestora in lanturile polipeptidice si dispozitia lor spatiala.

Proteinenzimele sunt substante care mediaza metabolismul citoplasmatic si cel nuclear, facilitand reactiile chimice la temperaturi scazute. Au actiune reversibila, specificitate de actiune si de substrat, sensibilitate mare la variatii de temperatura, pH si electroliti. Enzimele modifica viteza de reactie fara a se consuma, intervenind atat in descompunerea substantelor complexe in compusi simpli, usor de asimilat, cat si sinteza substantelor asupra carora actioneaza.In celule, enzimele pot fi dispersate in citosol, adsorbite pe diferite structuri sau integrate in citoschelet. De asemenea, dupa locul unde isi exercita rolul exista: endoenzime (actioneaza in interiorul celulei) si exoenzime (sunt eliberate si actioneaza in afara celulei, cum sunt cele produse de acinii pancreasului si a glandelor salivare, de celulele principale din mucoasa gastrica etc.).

Hormonii (lb. greaca: hormao - a excita, a stimula, a activa, a pune in miscare) sunt substante biologic-active secretate in cantitati extrem de mici de celulele endocrine si care patrund prin circuitul sanguin in tot organismul, avand proprietatea de a stimula si coordona functionarea unor organe sau tesuturi-tinta. Din punct de vedere a structurii chimice, ei sunt de doua categorii: hormoni peptidici (hormonii pancreatici - insulina si glucagonul, ai hipofizei posterioare - ocitocina si vasopresina etc) si hormoni steroizi (hormonii tiroidieni si sexuali). Hormonii actioneaza prin modificarea permeabilitatii membranelor celulare sau prin influentarea activitatii enzimelor. Actiunea hormonilor poate fi electiva asupra unui  anumit organ sau se poate repercuta asupra intregului organism, ei intervenind in accelerarea sau diminuarea proceselor de sinteza in celule, precum si in cresterea si inmultirea celulelor.

Vitaminele sunt cofactorii unei singure enzime sau a unui grup de enzime cu care participa in cantitati reduse la sinteze sau la scindari moleculare. Vitaminele, prin moleculele lor, nu elibereaza energie si nu prezinta roluri plastice, dar sunt necesare pentru realizarea in conditii optime a unor procese metabolice.

Deoarece majoritatea vitaminelor nu pot fi sintetizate de catre organism, acesta trebuie sa le primeasca prin hrana, fie ca atare, fie sub forma de provitamine.

Exista 13 vitamine esentiale pentru organism, lipsa lor afectand functionalitatea normala a acestuia.

Vitaminele sunt grupate in doua categorii: liposolubile (A, D, E, K) si hidrosolubile (C, B)

Fiecare vitamina are anumite roluri bine stabilite in structura organismului.

Vitamina A (antixeroftalmica) intra in structura pigmentilor retinieni responsabili de vederea la lumina slaba si distingerea culorilor. De asemenea, este esentiala pentru mentinerea integritatii si sanatatii tegumentelor si mucoaselor, dar are si importanta in mentinerea sanatatii oaselor si dintilor (mai ales in perioada de crestere).

Vitamina B1 (tiamina) se leaga cu diferite proteine si formeaza enzime care metabolizeaza glucidele, cu eliberare consecutiva de energie. Prin urmare, este vitala in procesul fiziologic de crestere si participa la mentinerea functionalitatii optime a sistemului cardiovascular, nervos dar si digestiv.

Vitamina B2 (riboflavina) este parte constitutiva a unor enzime cu rol in eliberarea energiei necesare fiecarei celule, facand-o indispensabila organismului. Este implicata iin cresterea somatica si in formarea hematiilor.

Vitamina B3 (niacina sau PP) prezinta functii in procesele metabolice, avand rol esential in eliberarea energiei din moleculele de glucide, lipide si proteine. De asemenea, vitamina B3 intervine in: scaderea nivelului colesterolului din sange, mentinerea sanatatii pielii si promovarea functionalitatii la randament maxim a structurilor nervoase.

Vitamina B5 (acidul pantotenic) intervine in metabolismul si sinteza glucidelor, proteinelor, lipidelor, in special colesterolului.

Vitamina B6 (piridoxina) face parte din complexe enzimatice implicate in metabolismul proteinelor si aminoacizilor. De asemenea, vitamina B6 prezinta si alte roluri asociate precum stimularea cresterii si dezvoltarii, cresterea capacitatii de aparare impotriva infectiilor sau favorizarea activitatii cerebrale.

Vitamina B7 (biotina) are rol esential in metabolismul proteinelor si glucidelor, in procesul de gluconeogeneza, precum si in producerea unor hormoni si sinteza de colesterol si acizi grasi. De asemenea, intervine in mentinerea in limite normale a glicemiei si promovarea sanatatii fanerelor (par si unghii).

Vitamina B9 (acidul folic) functioneaza in organism in stransa legatura cu vitamina B12, fiind implicata in formarea eritrocitelor. Prezenta ei este necesara si sintezei de ADN.

Vitamina B12 (ciancobalamina) indeplineste roluri in complexele enzimatice asociate diverselor metabolisme. De asemenea, promoveaza reepitelizarea mucoasei tubului digestiv, stimuleaza dezvoltarea si intretine activitatea maduvei rosii hematogene.

Vitamina C (acidul ascorbic) este un antioxidant cu importanta in dezvoltarea normala a dintilor si gingiilor, in procesul de mineralizare a scheletului. Aceasta vitamina promoveaza vindecarea si cicatrizarea plagilor si ranilor tegumentare (prin sinteza de colagen), fortifica sistemul imun, asigurand astfel protectie impotriva infectiilor microbiene si virale. Se implica, de asemenea, in facilitarea absorbtiei fierului si in cresterea rezistentei organismului fata de diverse substante toxice din mediu.

Vitamina D faciliteaza absorbtia calciului si depunerea lui in oase si dinti (asigurand astfel o rezistenta crescuta acestor structuri) si intervine in homeostazia fosforului.

Vitamina E (tocoferol) este o substanta cu importante proprietati antioxidante. Aceasta vitamina are roluri in mentinerea structurii si functiei normale a organelor de reproducere, in asigurarea troficitatii sistemului muscular. Are un efect dovedit hepatoprotector, rol de a stimula proliferarea celulara si de a forma eritrocitele si faciliteaza utilizarea vitaminei K in organism.

Vitamina K, desi nu este o vitamina esentiala, rolul sau in procesul de coagulare (efecte procoagulante) o fac indispensabila organismului. Studii recente demonstreaza ca vitamina K este implicata si in mentinerea rezistentei si integritatii structurilor osoase la organismele in varsta.