Constituientii chimici ai celulei

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 C₆H₁₂O_6. 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^-, NO₃^2-, SO₄^2-, PO₄^3- de care depinde presiunea osmotica, echilibrul acido-bazic si interactiunea enzimatica) sau în combinatii cu proteine.