Bazele organizării chimice a celulei

La nivel planetar, materia vie este reprezentată de totalitatea organismelor de pe Terra, ce formeazăbiosfera, alături de litosferă, hidrosferă şi atmosferă.

Din cele 118 elemente chimice cunoscute şi identificate până în prezent, 92 sunt elemente naturale, iar peste 60 au fost regăsite în diferite organisme vii, dar şi în natura anorganică. Din cele 92 de elemente naturale 27 se găsesc în organismele vii, iar 11 dintre ele reprezintă 99,9% din masa celulelor.

Explicaţia constă în faptul că materia vie este rezultatul evoluţiei materiei nevii. Dintre cele 27 de elemente naturale ce se regăsesc în organismele vii, 6 elemente (C, H, O, N, P şi S) reprezintă 99% din masa materiei vii.

Dacă se mai adaugă 5 elemente (Ca, Cl, K, Na şi Mg) se ajunge practic la 99,9% din masa materiei vii. Celelalte 16 elemente (Mn, Fe, Co, Cu, Zn, B, Al, Mo, I, Si, Sn, Ni, Cr, F, Pb şi Se) nu există decât sub formă de urme, adică în cantităţi foarte mici.

Elementele chimice, din punct de vedere cantitativ, sunt împărţite în trei categorii:

macroelemente (abundente) O, C, H, N;
microelemente (mai puţin abundente) Na, K, Cl, P, Ca, Mg, S;
ultramicroelemente (oligoelemente) B, Si, Mn, Fe, Co, Cu, Zn, Mo, Li, Pb, I, Ra, etc.

În grupa elementelor chimice majore intră oxigenul (65%),carbonul (18%),hidrogenul (10%) şi azotul (2,5-3%), cu rol în formarea substanţelor organice şi anorganice din celule.

Grupa microelementelor chimice cuprinde elemente cu rol plastic ce intră în alcătuirea structurilor celulare.

Oligoelementele au un rol preponderent catalitic, influenţând activitatea enzimatică din celulă. Absenţa lor în unele zone geografice, din apă şi sol, produce endemii bio-geo-chimice grave, cu boli la plante, animale şi om.

Substanţele chimice din celulă

Sunt grupate în: substanţele anorganice (apa şi sărurile minerale) şi substanţele organice (proteine, glucide, lipide, hormoni, vitamine).

Proporţia lor variază în funcţie de specie, tip celular, vârstă, stare fiziologică şi de sănătate, însă trebuie făcută distincţie între cantităţile regăsite în organismul intact şi la nivel celular.

Substanţele anorganice din celule

Apa în celule este o componentă esenţială, fiind mediul de dispersie al materiei vii şi de desfăşurare a unor procese fizico-chimice vitale. Apa se găseşte în proporţie de 60-95% în celule, în funcţie de vârsta şi activitatea lor.

Apa manifestă două faze:

Faza neapoasă , în sistemele de membrane celulare complet insolubile în apă, datorită existenţei unui mediu hidrofob la interior;

Faza apoasă apare sub două forme:

apă liberă (circa 95%), cu rol de mediu de dispersie sau dizolvant şi de sediu al proceselor metabolice celulare;
apă legată (circa 5%), care prin legăturile de hidrogen formează compuşii organici din celulă; mai apare sub formă imobilizată printre reţelele de macromolecule din citoplasmă.

În organism, apa poate fi intracelulară (circa 55%) şi extracelulară (circa 45%: lichid interstiţial, secreţii digestive, lichid cefalorahidian, plasmă, limfă, lichide din cavităţile seroase ş.a.).

Ca sursă de provenienţă, apa din organism poate fi de origine endogenă rezultată din reacţiile metabolice proprii, şi apă exogenă introdusă prin alimente.

Sărurile minerale apar sub formă de ioni liberi dispersaţi în diferite compartimente celulare (cationi, anioni), cu rol în menţinerea presiunii osmotice, a stării de hidratare, a echilibrului acido-bazic, influenţează activitatea enzimatică şi unele procese celulare cum ar fi permeabilitatea, excitabilitatea, contractibilitatea, vâscozitatea citoplasmei, diviziunea celulară. Ionii legaţi apar în combinaţii cu diferite substanţe organice (proteine, vitamine) sau sub formă de cloruri, fosfaţi, carbonaţi, bicarbonaţi, sulfaţi ş.a.

Substanţele organice din celule

În celule, substanţele organice sunt molecule ce rezultă din combinarea carbonului cu oxigenul, hidrogenul sau azotul, prin polimerizarea monomerilor, ca unităţi simple, în polimeri, ca unităţi complexe. Substanţele organice prezintă o anumită stabilitate şi pot fi descompuse enzimatic în produşi mai simpli, cu eliberarea energiei depozitate.

Glucidele

Glucidele sunt clasificate în monoglucide şi poliglucide şi servesc ca sursă majoră de energie pentru celulă şi organism. Poliglucidele sunt prezente mai ales sub formă de depozite în celule:

glicogenul în celulele animale şi umane (în hepatocite, condrocite, celule musculare ş.a.);
la plante, depozitarea glucidelor se face sub formă de amidon, cu aspect microscopic de granule;
celuloza din peretele celular al plantelor are legături P-glucozidice ce îi conferă o mare rezistenţă la degradare;
chitina din exoscheletul artropodelor, carapacea crustaceelor şi pereţii celulelor fungice.

Lipidele

Lipidele sunt importante pentru celule, fiind o sursă foarte preţioasă de energie, au rol plastic la nivelul membranelor celulei şi un rol reglator prin vitamine, hormoni steroizi şi prostaglandine. Lipidele simple apar sub formă de acizi graşi, cu rol în metabolismul de biosinteză şi de depozitare, fiind foarte reactivi.

Lipidele complexe apar sub formă de:

fosfolipide (în citomembrane),
sfingolipide (în teaca de mielină a nervilor)
cerebrozide (în neuroni)
gangliozide (în plasmalemă).

Lipidele de rezervă sau trigliceridele, apar sub formă de picături (diametru de 0,2-5 pm) sau incluzii lipidice în citoplasmă adipocitelor (diametru de 80-180 pm), nu îndeplinesc nici o funcţie structurală, dar au avantajul de a furniza cel mai bun randament caloric (energie de oxidare) pe unitate de masă.

Proteinele

Proteinele sunt molecule mari, ce au la bază subunităţi de aminoacizi, cu structuri tridimensionale specifice lanţului polipeptidic.

Cu toate că există 24 de tipuri de acizi aminaţi identificaţi, doar 20 apar mai frecvent în structura proteinelor. În celule există o mare varietate de proteine, sintetizarea lor fiind dirijată genetic în funcţie de specializarea activităţilor celulare. Chimic, proteinele pot fi clasificate în:

proteine simple sau holoproteine: histone, protamine, albumine, globuline, scleroproteine (colagen, fibrinogen, keratină, miozină),
proteine complexe sau heteroproteine: nucleoproteine (acizi nucleici), cromoproteine (hemoglobina şi mioglobina).

Marea majoritate a proteinelor îndeplinesc în celulă un rol plastic, participând la formarea membranelor, a citoscheletului ş.a.

Enzimele

În celulele vii toate reacţiile biochimice au loc cu o facilitate şi rapiditate remarcabile, datorită intervenţiei unor biocatalizatori specifici, numiţi enzime. Practic, fiecare reacţie chimică este catalizată de o enzimă specifică, adesea în prezenţa unuia sau a mai multor cofactori sau coenzime.

Enzimele mai intervin în reglare, transport, locomoţie etc., dar îşi pot pierde rapid forma particulară şi puterea catalitică prin denaturare, când sunt supuse acţiunii unor factori fizici sau chimici destabilizatori. În celule, enzimele sunt fie dispersate în citoplasmă, fieadsorbite pe substraturi citoplasmatice sau nucleare, fie integrate în membrane, citoschelet.

Exoenzimele pot avea acţiune în exteriorul celulei în care s-au format (enzime din pancreasul exocrin, din glandele salivare, din glandele intestinale), iar endoenzimele au acţiune în interiorul celulei în care s-au format (enzime din lizozomi, din membrane).

Hormonii

Hormonii sunt produşi mai ales de celule specializate din glandele endocrine, dar şi de celule ce aparţin sistemului neuro-endocrin-difuz.

Ei au acţiune selectivă asupra unor organe şi, în general, asupra organismului, fiind vehiculaţi pe cale sanguină, favorizează sinteza unor substanţe vitale pentru celule, creşterea şi înmulţirea celulelor, influenţează activitatea unor sisteme enzimatice (ca acceleratori sau moderatori de reacţii), acţionează prin permeabilizarea membranelor fiind specifici pentru fiecare tip de receptor membranar, pot avea efect de deblocare declanşând transmiterea informaţiei prin ARNm pentru sinteza de proteine specifice.

Vitaminele

Vitaminele sunt componenţi organici necesari pentru creşterea normală a organismelor şi menţinerea funcţiilor metabolice, sunt cofactori pentru una sau mai multe enzime şi participă în cantităţi mici la procesele de sinteză sau de scindare moleculară.

Organismul trebuie să-şi procure vitaminele din surse exogene, care sunt sintetizate apoi mai ales la nivelul ficatului, din precursori proveniţi din alimente. Vitaminele sunt importante pentru transformarea energiei şi în reglarea proceselor metabolice. Vitaminele se clasifică în:

vitamine liposo-lubile (A, D, E, F, K)
vitamine hidrosolubile (Bi, B₂, B ₃, B5, B6, B12, C,).

Bioenergia

Organismele vii necesită consum constant de energie pentru a-şi menţine structurile şi pentru a-şi desfăşura normal procesele metabolice complexe. Pentru susţinerea acestor procese vitale sunt necesare reacţii biochimice cuplate astfel încât energia eliberată sub formă de ATP de o reacţie să fie încorporată în produşii unei alte reacţii.

Bioenergia ia în considerare fluxul de energie în cadrul sistemelor vii. Organismele îşi menţin structurile superior ordonate şi activităţile vitale printr- un consum constant de energie, obţinută mai ales din mediul înconjurător.

Fluxul de energie în sistemele vii se supune primei şi celei de-a doua legi a termodinamicii. Conform primei legi din termodinamică, energia poate fi transformată dintr-o formă în alta, dar ea nu poate fi creată sau distrusă. Această lege mai este numită legea de conservare a energiei. Ca rezultat al transformării energiei, conform celei de-a doua legi a termodinamicii, universul devine din ce în ce mai dezorganizat, cu un grad de dezorganizare numit entropie, ce îşi măreşte valoarea odată cu transformările de energie dintr-un sistem viu dat.

Pentru activităţile vitale poate fi utilizată numai energia aflată într-o stare organizată, numită energie liberă. Astfel, în timp ce entropia creşte prin orice transformare de energie, valoarea energiei libere disponibilă scade. Ca rezultat al entropiei mărite, descrise de cea de-a doua legea, sistemele tind să treacă din stări cu energie liberă mai ridicată în stări cu energie liberă mai scăzută.

Legarea chimică a atomilor în molecule se supune legilor termodinamicii. De exemplu, în glucoză atomii sunt organizaţi în molecule organice complexe, au mai multă energie liberă (mai puţină entropie) decât şase molecule separate, fiecare cu bioxid de carbon şi apă. Totuşi, pentru a se converti bioxidul de carbon şi apa în glucoză este necesară prezenţa energiei. De exemplu, la plante, convertirea energiei provenită de la soare are loc prin procesul de fotosinteză.

Reacţiile chimice ce necesită o absorbţie de energie sunt numite reacţii endergonice, în urma cărora produşii lor vor conţine mai multă energie liberă decât reactanţii, cu alte cuvinte o parte din energia adăugată va fi conţinută în moleculele produsului. De exemplu, se poate dovedi că glucoza conţine mai multă energie liberă decât bioxidul de carbon şi apa care o formează, prin combustia glucozei înapoi la bioxid de carbon şi apă. Această reacţie eliberează energie sub formă de căldură.

Reacţiile ce convertesc moleculele cu mai multă energie liberă în molecule cu mai puţină energie liberă, sunt numite reacţii exergonice. În celulele unui organism, cantitatea de energie eliberată printr-o reacţie exergonică este aceeaşi, indiferent dacă energia este eliberată într-o singură reacţie de combustie sau în mai multe reacţii intermediare controlate enzimatic.

Pentru a rămâne în viaţă, o celulă trebuie să-şi menţină starea de joasă entropie, superior organizată pe seama energiei libere provenită din mediul extracelular. Celula, ca atare, conţine numeroase enzime ce catalizează reacţiile exergonice, utilizând substraturi proprii sau provenite din mediul extern ei.

Energia eliberată prin aceste reacţii exergonice va fi utilizată pentru a-şi conduce procesele ce necesită energie, adică pentru reacţiile endergonice. În acest fel, reacţiile de eliberare a energiei sunt cuplate cu reacţiile ce necesită consum de energie (ex., formarea ATP din ADP şi Pi).

Energia eliberată prin desfacerea ATP-ului este utilizată pentru a activa procese consumatoare de energie, cum ar fi reacţii de sinteză, contracţia musculară, termoreglarea ş.a., când ATP-ul este numit cărăuşul universal de energie (universal energy carrier).

Metabolismul celular

Metabolismul celular reprezintă totalitatea reacţiilor biochimice ce se desfăşoară într-o celulă.

În celulă există mai multe clase de molecule organice produse printr-o secvenţă de reacţii chimice, fiecare reacţie fiind catalizată de o enzimă specifică. Secvenţa de reacţii formează o cale metabolică, iar molecula de la capătul căii este numită produs final (ex, un aminoacid specific sau o nucleotidă).

Compuşii produşi printr-o reacţie şi consumaţi prin următoarea reacţie sunt numiţi intermediari sau metaboliti şi vor conduce spre obţinerea produsului final. În multe cazuri, căile metabolice reprezintă un pas intermediar în formarea unor molecule specifice.

Luate împreună, reacţiile celulare constituie o extraordinară diversitate de conversii moleculare, reprezentate de un număr semnificativ de căi variate, interconectate una de cealaltă în puncte diferite.

Toate reacţiile sunt catalizate enzimatic, cu mecanisme celulare specifice de control metabolic. În general, există două direcţii pe care le urmează căile metabolice celulare:

direcţie, numită catabolism, conduce către desfacerea majorităţii moleculelor complexe în unele mai simple. Scindarea compuşilor cu greutăţi moleculare mari are două scopuri: fac disponibile materiile prime din care pot fi sintetizate alte molecule şi asigură o mare cantitate de energie necesară activităţilor celulare.
cealaltă direcţie, numită anabolism, conduce către un sens invers al reacţiilor biochimice, adică cel de sinteză a majorităţii compuşilor complecşi.