Constituientii
chimici ai celulei
Celula
este compusa dintr-un set restrâns de elemente
chimice, dintre care patru: C,
N, O, H alcatuiesc structuri care reprezinta aproximativ 99% din
greutatea unei celule vii. Cea mai abundenta substanta
chimica din celulele vii este apa,
care reprezinta 70% din greutatea acestora si reprezinta mediul
în care se desfasoara majoritatea reactiilor intracelulare,
în dependenta de proprietatile speciale ale moleculelor de
apa: caracterul polar, capacitatea de a forma legaturi de hidrogen
si tensiunea superficiala mare. În
celule predomina elementele chimice usoare, solubile în apa.
Atomul de carbon predomina în structura chimica a celulelor, are o
masa atomica mica (12), dar formeaza patru legaturi covalente
puternice cu alti atomi, generând un numar infinit de mare de
molecule simple pâna la extrem de complexe (pot contine pâna la
30 de atomi de C) . N, O, H au de
asemenea masa atomica mica (14, 16, 1) si sunt capabili de
a forma legaturi covalente puternice. Viata este posibila
datorita combinatiei dintre stabilitatea legaturilor covalente
în conditiile fiziologice si capacitatea catalizatorilor biologici
(denumiti enzime) de a rupe si reface aceste legaturi covalente
în mod cont 838c26i rolat, specific în anumite molecule. Setul de molecule cu
functia biologica specifica fiecareia dintre ele,
odata stabilit în celula ancestrala, s-a conservat, cu variatii,
de-a lungul bilioanelor de ani de evolutie celulara. Câteva combinatii simple de atomi cum este gruparea metil, hidroxil,
carboxil si amino sunt larg raspândite în moleculele biologice.
Aceste grupari au proprietati fizice si chimice care
determina caracteristicile moleculelor din care fac parte, determinante
pentru functiile moleculare din celula. Unele dintre aceste molecule
sunt molecule mici, libere în
solutie, în mediul intracelular, unde o parte din ele formeaza o
categorie de intermediari din care are loc sinteza macromoleculelor, altele
sunt intermediari esentiali în caile metabolice sau compusi de
înmagazinare a energiei. Aceste molecule organice mici reprezinta o zecime
din totalul moleculelor organice din celula, dar sunt foarte multe, de
ordinul a o mie de tipuri diferite, însa fiind sintetizate din si
degradate în compusi comuni, având caracteristici chimice comune, pot fi
clasificate în patru clase de molecule organice mici: monozaharide, acizi
grasi, aminoacizi si nucleotide. Cele mai simple glucide,
monozaharidele, sunt compusi cu formula (CH2O)n,
unde n=3-7. Glucoza, de exemlu are formula C6H12O6. Monozaharidele
exista sub forma liniara, dar în solutii monozaharidele cu
5 sau 6 atomi de carbon pot forma un inel heterociclic tip furan-pentaciclu sau
piran-hexaciclu. În forma liniara, poate aparea interactiunea
gruparii aldehidice sau cetonice cu o grupare hidroxil a aceleiasi
molecule, pentru a forma heterociclul. Carbonul gruparii aldehidice sau
cetonice poate lega un carbon ce
poarta o grupare hidroxil a altui monozaharid, formând dizaharid.
Aditia mai multor monozaharide în acelasi mod conduce la formarea
macromoleculelor polizaharidice. Pentozele, monozaharide cu 5 atomi de C
cuprind ribozele, componentele ribonucleotidelor si acizilor ribonucleici
si dezoxiribozele, componente ale dezoxiribonucleotidelor si acidului
dezoxiribonucleic. Hexozele sunt monozaharide cu 6 atomi de carbon si ar
fi de mentionat, glucoza în forma libera este o sursa
vitala de energie, energia si caracterul reducator sunt
înmagazinate sub forma de compusi intermediari (ATP si
respectiv, NADH). Glicoliza este o cale amfibolica, având
semnificatie functionala energetica preponderenta în
tesutul muscular în contractie, tesutul nervos si
eritrocite si o semnificatie biosintetica prin compusii
intermediari pe care îi genereaza. Manoza, o alta hexoza,
intra în constitutia glicoproteinelor sanguine umane. Poliglucidele
pot fi omogene, constituite dintr-un singur tip de oze, cum este glicogenul,
format numai din resturi de glucoza, unica forma de depozitare a
glucidelor în lumea animala în hepatocite, celulele musculare si în cantitate
mai mica si în alte celule. Heteropoliglucidele dau prin
hidroliza amestecuri de monozaharide si/sau derivati ai lor, la
care se pot adauga proteine sau lipide. Cuprind glicozaminoglicanii,
numiti si mucopolizaharide întâlniti în special în structura
tesutului conjunctiv (acidul hialuronic-substanta fundamentala a
tesutului conjunctiv si cartilaginos, în corpul vitros si în
lichidul sinovial, acizii condroitinsulfurici, keratansulfatul, heparina), iar
glicozaminoglicanii legati covalent de proteine formeaza
proteoglicanii numiti si mucoproteine din substanta
fundamentala a tesutului conjunctiv sau din mucoase si
lipopolizaharidele de pe suprafata externa a peretelui celular al
bacteriilor Gram-negative (endotoxine). Lanturi mai scurte, dar complexe
constituite din unitati monozaharidice sunt asadar legate de
proteine formând glicoproteine sau din lipide, formând glicolipide. Lipidele
au trei componente: lipidele simple- acizii grasi, lipidele complexe-
fosfolipide si glicolipide si lipidele de rezerva-
trigliceridele. Acizii grasi au roluri fundamentale în celule: energetic,
biosintetic, structural. Acizii grasi sunt catabolizati în celule
prin β-oxidarea mitocondriala, proces cu rol predominant energetic,
cu randament dublu fata de al glicolizei. Acizii grasi sunt
eliberati prin degradarea trigliceridelor, proces intensificat de factori
hormonali, inanitie, frig sau compusi toxici. Prin generarea de acetil-CoA, intermediar în
procese biosintetice, rolul lor devine dublu, dar cel mai important rol este
cel structural, prin sinteza pornind de la acizi grasi a fosfolipidelor
membranare. Fosfogliceridele sunt formate din glicerol esterificat cu 2
molecule de AG, si o molecula de acid fosforic. În
consecinta, fiecare molecula de fosfolipid are o coada
hidrofoba constituita din lanturile de AG si un cap
hidrofil polar, format din restul de acid fosforic, structura care
sta la baza arhitecturii de bistrat lipidic al membranelor biologice.
Prostaglandinele, modulatori ai actiunilor hormonale, ai transmisiei
nervoase si ai schimburilor ionice celulare se formeaza din acizi
grasi nesaturati. Sterolii au care reprezentant principal
colesterolul, component structural fundamental al celulelor animale, în special
la nivelul membranelor. Hormonii steroidici (sexuali, corticosteroizi) au
precursor comun colesterolul.Vitaminele D sunt compusi de origine
steroida. Exista 20 de aminoacizi
universal raspânditi, care intra curent în structura
proteinelor. Exista AA care nu intra în structura proteinelor, au rol
metabolic sau structural important, de exemplu acidul γ-aminobutiric
(GABA), mediator la nivelul SNC, 5-hidroxitriptofanul, precursor al
serotoninei, ornitina si citrulina- sinteza ureei, etc. Caracteristica comuna a acestei clase de
constituienti chimici ai celulei este prezenta unui grup carboxil
si a unui grup amino, ambele grupari fiind legate de acelasi
atom de carbon denumit α. Sunt subunitati ale moleculelor
proteice care sunt polimeri lungi, liniari, constitutiti din aminoacizi
legati prin legaturi peptidice între gruparea carboxil a unui AA
si gruparea amino a AA urmator. Aminoacizii pe care organismul uman
nu îi poate sinteza din lipsa unor echipamente enzimatice corespunzatoare
sau a lipsei unor precursori disponibili, poarta denumirea de AA esentiali. Proteinele sunt
compusi macromoleculari, formati din mai multe lanturi
polipeptidice, fiecare lant polipeptidic fiind alcatuit din câteva
zeci pâna la câteva sute de AA. Proteinele reprezinta 55-85% din
greutatea uscata a celulei, pot fi clasificate dupa structura
chimica, functia biologica, solubilitate, forma si
împachetarea moleculara, numarul catenelor polipeptidice. Dupa
structura chimica, sunt proteine simple (holoproteine), care cuprind
scleroproteinele- colageni, elastine, keratine, sferoproteine- albumine,
globuline, protamine, histone, gliadine, gluteline si heteroproteine sau
proteine conjugate- metaloproteine (contin fier, cupru, zinc, mangan,
cobalt, molibden, magneziu, cu rol de depozitare sau de transport al acestor
metale sau enzime), fosfoproteine, lipoproteine cu grupare prostetica AG,
gliceride, fosfolipide, colesterol, nucleoproteinele, cromoproteinele
porfirinice (hemoglobina, citocromii, citocromoxidaza, catalaza, peroxidaza),
neporfirinice (rodopsina, flavoproteinele) si glicoproteinele care au ca
grupare prostetica glucide (monozaharide, acidul glucuronic, aminoglucide-
glucozamina, galactozamina, derivati ai monozaharidelor- acidul
neuraminic, sialic). Glicoproteinele
acide, cu vâscozitate mare, sunt componente esentiale ale tesutului
conjunctiv: mucoproteinele cu acid mucoitinsulfuric, condroproteinele cu acid
condroitinsulfuric, hialoproteinele cu acid hialuronic, sialoproteinele cu acid
sialic. Glicoproteinele neutre se gasesc în plasma sanguina
(haptoglobina, factorii grupelor sanguine, orosomucoidul), în tractul
intestinal- factorul intrinsec: absorbtia vitaminei B12, în
constitutia unoer enzime (transferaze), în constitutia unor hormoni
(LH, FSH, TSH). Proteinele
îndeplinesc urmatoarele functii biologice: formeaza structuri de
rezistenta-colagen, keratina, sunt proteine contractile- actina,
miozina cu rol în contractia musculara, catalizeaza reactii
biochimice- enzimele, transporta oxigenul- pigmentii respiratori( hemoglobina,
mioglobina), transporta informatie- hormonii proteici,
receptioneaza informatie- receptorii membranari, intervin în
mecanismul imun- imunoglobulinele, sistemul complement, regleaza expresia
genica- represorii, activatorii, factorii de reglare, histone, sunt substante
toxice- toxinele bacteriene. Nucleotidele sunt
unitatile structurale fundamentale ale acizilor nucleici, fiind
alcatuite dintr-o baza azotata purinica sau
pirimidinica, o pentoza (riboza- constituent al ARN si
dezoxiriboza- constituient al ADN) si acid fosforic. Nucleotidele
îndeplinesc urmatoarele functii biologice: rol în metabolismul
energetic, ATP fiind cea mai importanta forma de înmagazinare a
energiei, accesibila direct celulei. Alti compusi macroergici
sunt: GTP, CTP, UTP, etc.; sunt mediatori fiziologici, AMP ciclic este
,,al doilea mesager" în mecanismul de actiune al hormonilor
nesteroizi, rol de ,,al doilea mesager" are si GMP ciclic, ADP este
mediator în agregarea plachetelor sanguine, adenozina produce dilatarea vaselor
coronariene, reglând circulatia sanguina cardiaca; prin
policondensarea nucleotidelor se formeaza acizii nucleici; intra
în structura unor coenzime: NAD(P), FAD,
CoA, etc.; intra în alcatuirea unor intermediari activati
în metabolismul celular: UDP-glucoza (biosinteza glicogenului), UDP-galactoza
(biosinteza glicoproteinelor), CDP-colina si CDP-colamina (biosinteza
lipidelor); sunt efectori alosterici, regleaza activitatea unor
enzime. Acizii
nucleici sunt macromolecule cu structura liniara (polinucleotide),
formate prin policondensarea mononucleotidelor, legatura dintre nucleotide
fiind formata prin esterificarea gruparii hidroxi din pozitia 3´
a pentozei cu restul fosforic din pozitia 5´ a
nucleotidului urmator. În functie de natura pentozei, acizii nucleici
se clasifica în acid ribonucleici care contin riboza si
acid dezoxiribonucleici, care contin dezoxiriboza. Bazele azotate ale
ADN sunt: adenina, citozina, guanina si timina, iar ARN contine:
adenina, citozina, guanina si uracilul. ADN
este purtatorul informatiei ereditare, alcatuieste genomul
tuturor organismelor procariote si eucariote, precum si al
dezoxivirusurilor. Cantitatea de ADN din celulele unei specii este
constanta. La procariote ADN este localizat în cromozomul bacterian dar
si extracromozomal, în episomi si plasmide. La eucariote, ADN se
gaseste preponderent în nucleu, este ADN cromozomial si în
cantitati mici în mitocondrii. Cu cât organismele sunt mai evoluate,
cantitatea de ADN este mai mare: la dezoxiribovirusuri 5x10-6 pg/
celula, la mamifere 6pg/ celula. Lungimea extinsa a moleculei de
ADN la virusurile tumorigene este de 1,5 μm, iar la mamifere lungimea este
de 2m. Cele 6 miliarde de nucleotide din celula mamiferelor corespund la peste
1 milion de gene, din care doar 10% codifica proteine si doar câteva
mii sunt transcrise. Structura unui cromozom contine o molecula de
ADN dublu helix , ADN monocatenar fiind prezent în structura unor
dezoxiribovirusuri. ARN
sunt clasificati în trei tipuri majore: ARN mesager (2-4% din totalul de
ARN celular), ARN de transfer (16-18%), ARN ribozomal (80%), la care se
adauga ARN nuclear heterogen, ARN viral si ARN viroidal. ARNm
reprezinta o copie a catenei codogene a ADN, ARNt este localizat cu
precadere în citosol si are rolul de a transporta aminoacizii din citosol
la ribozom în cursul biosintezei proteinelor. Exista peste 60 de specii
moleculare de ARNt , fiecarui AA din cei 20 corespunzându-i cel putin
unul sau mai multe tipuri de ARNt. ARN ribozomal este reprezentat la eucariote
de ARNr 5S, ARNr 5,8S, ARNr 28S în subunitatea ribozomala mare si de
ARNr de 18S în subunitatea ribozomala mica. ARN nuclear heterogen
este reprezentat de un ansamblu format din ARN premesageri, ARN ribozomali
imaturi, alte specii de ARN. Moleculele mici de ARN nuclear si nucleolar
formate din 100-180 nucleotide, participa la reglarea fenomenului de
transcriptie. ARN viral este o molecula monocatenara
liniara sau circulara sau dublu catenara liniara. În
celule se gasesc si alte elemente chimice putin abundente
(0,02-0,1%): P, S, Cl, Na, K, Ca, Mg si oligoelemente (<0,02%): Fe, Cu,
Zn, Se, însa lipsa acestor elemente este puternic resimtita de
organism, determinând afectiuni severe. Substantele minerale se
gasesc în organism sub forma disociata (cationii de exemplu Na+,
K+, Mg2+,
Ca2+ si anionii cum sunt Cl-, HCO3-,
NO32-, SO42-, PO43-
de care depinde presiunea osmotica, echilibrul acido-bazic si
interactiunea enzimatica) sau în combinatii cu proteine.