A finals del segle XIX es va formar una branca de la biologia anomenada bioquímica. Estudia la composició química d'una cèl·lula viva. La tasca principal de la ciència és el coneixement de les característiques del metabolisme i de l'energia que regulen l'activitat vital de les cèl·lules vegetals i animals.
El concepte de la composició química de la cèl·lula
Com a resultat d'una investigació acurada, els científics han estudiat l'organització química de les cèl·lules i han trobat que els éssers vius tenen més de 85 elements químics en la seva composició. A més, alguns d'ells són obligatoris per a gairebé tots els organismes, mentre que altres són específics i es troben en espècies biològiques específiques. I el tercer grup d'elements químics està present a les cèl·lules de microorganismes, plantes i animals en quantitats força petites. Les cèl·lules contenen elements químics més sovint en forma de cations i anions, dels quals es formen sals minerals i aigua, i es sintetitzen compostos orgànics que contenen carboni: hidrats de carboni, proteïnes, lípids.
Elements orgànics
En bioquímica, aquests inclouen carboni, hidrogen,oxigen i nitrogen. La seva totalitat a la cèl·lula és del 88 al 97% dels altres elements químics que hi ha. El carboni és especialment important. Totes les substàncies orgàniques de la composició de la cèl·lula estan compostes per molècules que contenen àtoms de carboni en la seva composició. Són capaços de connectar-se entre ells, formant cadenes (ramificades i no ramificades), així com cicles. Aquesta capacitat dels àtoms de carboni és la base de la sorprenent varietat de substàncies orgàniques que formen el citoplasma i els orgànuls cel·lulars.
Per exemple, el contingut intern d'una cèl·lula consisteix en oligosacàrids solubles, proteïnes hidròfiles, lípids, diversos tipus d'àcid ribonucleic: ARN de transferència, ARN ribosòmic i ARN missatger, així com monòmers lliures: nucleòtids. El nucli cel·lular té una composició química semblant. També conté molècules d'àcid desoxiribonucleic que formen part dels cromosomes. Tots els compostos anteriors contenen àtoms de nitrogen, carboni, oxigen, hidrogen. Això és una prova de la seva importància especialment important, ja que l'organització química de les cèl·lules depèn del contingut d'elements organogènics que formen les estructures cel·lulars: hialoplasma i orgànuls.
Macro elements i els seus significats
Els elements químics, que també són molt comuns a les cèl·lules de diversos tipus d'organismes, s'anomenen macronutrients en bioquímica. El seu contingut a la cèl·lula és de l'1,2% - 1,9%. Els macroelements de la cèl·lula inclouen: fòsfor, potassi, clor, sofre, magnesi, calci, ferro i sodi. Tots ells fan funcions importants i formen part de diversesorgànuls cel·lulars. Per tant, l'ió fèrric està present a la proteïna de la sang: l'hemoglobina, que transporta oxigen (en aquest cas s'anomena oxihemoglobina), diòxid de carboni (carbohemoglobina) o monòxid de carboni (carboxihemoglobina).
Els ions sodi proporcionen el tipus de transport intercel·lular més important: l'anomenada bomba de sodi-poassi. També formen part del líquid intersticial i del plasma sanguini. Els ions de magnesi estan presents a les molècules de clorofil·la (fotopigment de plantes superiors) i participen en el procés de la fotosíntesi, ja que formen centres de reacció que atrapen fotons d'energia lluminosa.
Els ions de calci proporcionen la conducció dels impulsos nerviosos al llarg de les fibres i també són el component principal dels osteòcits: les cèl·lules òssies. Els compostos de calci estan àmpliament distribuïts al món dels invertebrats, les closques dels quals estan formades per carbonat de calci.
Els ions de clor participen en la recàrrega de les membranes cel·lulars i proporcionen l'aparició d'impulsos elèctrics que subjauen a l'excitació nerviosa.
Els àtoms de sofre formen part de les proteïnes natives i determinen la seva estructura terciària "reticulant" la cadena polipeptídica, donant lloc a la formació d'una molècula de proteïna globular.
Els ions potassi estan implicats en el transport de substàncies a través de les membranes cel·lulars. Els àtoms de fòsfor formen part d'una substància tan important d'energia intensa com l'àcid adenosina trifosfòric, i també són un component important de les molècules d'àcid desoxiribonucleic i ribonucleic, que són les principals substàncies de l'herència cel·lular.
Funcions dels oligoelements a la cèl·lulametabolisme
Uns 50 elements químics que constitueixen menys del 0,1% de les cèl·lules s'anomenen oligoelements. Aquests inclouen zinc, molibdè, iode, coure, cob alt, fluor. Amb un contingut insignificant, fan funcions molt importants, ja que formen part de moltes substàncies biològicament actives.
Per exemple, els àtoms de zinc es troben a les molècules d'insulina (una hormona pancreàtica que regula els nivells de glucosa en sang), el iode és una part integral de les hormones tiroïdals: tiroxina i triiodotironina, que controlen el nivell de metabolisme a la sang. cos. El coure, juntament amb els ions de ferro, està implicat en l'hematopoesi (la formació d'eritròcits, plaquetes i leucòcits a la medul·la òssia vermella dels vertebrats). Els ions de coure formen part del pigment d'hemocianina present a la sang dels invertebrats, com els mol·luscs. Per tant, el color de la seva hemolinfa és blau.
Encara menys contingut a la cèl·lula d'elements químics com el plom, l'or, el brom i la plata. S'anomenen ultramicroelements i formen part de les cèl·lules vegetals i animals. Per exemple, es van detectar ions d'or en grans de blat de moro mitjançant anàlisi química. Els àtoms de brom en grans quantitats formen part de les cèl·lules del tàl de les algues marrons i vermelles, com ara el sargass, el kelp, el fucus.
Tots els exemples i fets anteriors expliquen com s'interconnecten la composició química, les funcions i l'estructura de la cèl·lula. La taula següent mostra el contingut de diversos elements químics a les cèl·lules dels organismes vius.
Característiques generals de les substàncies orgàniques
Les propietats químiques de les cèl·lules de diversos grups d'organismes depenen d'una determinada manera dels àtoms de carboni, la proporció dels quals és més del 50% de la massa cel·lular. Gairebé tota la matèria seca de la cèl·lula està representada per hidrats de carboni, proteïnes, àcids nucleics i lípids, que tenen una estructura complexa i un gran pes molecular. Aquestes molècules s'anomenen macromolècules (polímers) i consisteixen en elements més simples: monòmers. Les substàncies proteiques tenen un paper extremadament important i compleixen moltes funcions, que es comentaran a continuació.
El paper de les proteïnes a la cèl·lula
L'anàlisi bioquímic dels compostos que formen una cèl·lula viva confirma l' alt contingut en substàncies orgàniques com les proteïnes. Hi ha una explicació lògica per a aquest fet: les proteïnes fan diverses funcions i estan implicades en totes les manifestacions de la vida cel·lular.
Per exemple, la funció protectora de les proteïnes és la formació d'anticossos: immunoglobulines produïdes pels limfòcits. Les proteïnes protectores com la trombina, la fibrina i la tromboblastina proporcionen la coagulació de la sang i eviten la seva pèrdua durant lesions i ferides. La composició de la cèl·lula inclou proteïnes complexes de les membranes cel·lulars que tenen la capacitat de reconèixer compostos estranys: antígens. Canvien la seva configuració i informen la cèl·lula del perill potencial (funció de senyalització).
Algunes proteïnes tenen una funció reguladora i són hormones, per exemple, l'oxitocina produïda per l'hipotàlem és reservada per la glàndula pituïtària. D'això asang, l'oxitocina actua sobre les parets musculars de l'úter, fent-lo contraure. La proteïna vasopressina també té una funció reguladora, controlant la pressió arterial.
A les cèl·lules musculars hi ha actina i miosina que es poden contraure, la qual cosa determina la funció motora del teixit muscular. Les proteïnes també tenen una funció tròfica, per exemple, l'albúmina és utilitzada per l'embrió com a nutrient per al seu desenvolupament. Les proteïnes de la sang de diversos organismes, com l'hemoglobina i l'hemocianina, transporten molècules d'oxigen: fan una funció de transport. Si s'utilitzen més substàncies que consumeixen més energia, com els hidrats de carboni i els lípids, la cèl·lula procedeix a descompondre les proteïnes. Un gram d'aquesta substància dóna 17,2 kJ d'energia. Una de les funcions més importants de les proteïnes és la catalítica (les proteïnes enzimàtiques acceleren les reaccions químiques que es produeixen als compartiments del citoplasma). En base a l'anterior, estàvem convençuts que les proteïnes realitzen moltes funcions molt importants i formen part necessàriament de la cèl·lula animal.
Biosíntesi de proteïnes
Considereu el procés de síntesi de proteïnes en una cèl·lula, que es produeix al citoplasma amb l'ajuda d'orgànuls com els ribosomes. Gràcies a l'activitat d'enzims especials, amb la participació d'ions de calci, els ribosomes es combinen en polisomes. Les principals funcions dels ribosomes en una cèl·lula són la síntesi de molècules de proteïnes, que comença amb el procés de transcripció. Com a resultat, es sintetitzen molècules d'ARNm, a les quals s'uneixen polisomes. Aleshores comença el segon procés: la traducció. Transferència d'ARNes combinen amb vint tipus diferents d'aminoàcids i els porten als polisomes, i com que les funcions dels ribosomes en una cèl·lula són la síntesi de polipèptids, aquests orgànuls formen complexos amb l'ARNt, i les molècules d'aminoàcids s'uneixen entre si mitjançant enllaços peptídics, formant un macromolècula de proteïnes.
El paper de l'aigua en els processos metabòlics
Els estudis citològics han confirmat que la cèl·lula, l'estructura i composició de la qual estem estudiant, és de mitjana un 70% d'aigua, i en molts animals que porten una forma de vida aquàtica (per exemple, els celenterats), la seva contingut arriba al 97-98%. Tenint en compte això, l'organització química de les cèl·lules inclou substàncies hidròfiles (capaces de dissoldre) i hidròfobes (repel·lents a l'aigua). En ser un dissolvent polar universal, l'aigua té un paper excepcional i afecta directament no només les funcions, sinó també l'estructura mateixa de la cèl·lula. La taula següent mostra el contingut d'aigua a les cèl·lules de diversos tipus d'organismes vius.
La funció dels hidrats de carboni a la cèl·lula
Com hem vist abans, els hidrats de carboni també són substàncies orgàniques importants: polímers. Aquests inclouen polisacàrids, oligosacàrids i monosacàrids. Els hidrats de carboni formen part de complexos més complexos: glicolípids i glicoproteïnes, a partir dels quals es construeixen les membranes cel·lulars i les estructures supramembrana, com el glicocàlix.
A més del carboni, els hidrats de carboni contenen àtoms d'oxigen i hidrogen, i alguns polisacàrids també contenen nitrogen, sofre i fòsfor. Hi ha molts hidrats de carboni a les cèl·lules vegetals: tubercles de patatacontenen fins a un 90% de midó, les llavors i les fruites contenen fins a un 70% d'hidrats de carboni, i a les cèl·lules animals es troben en forma de compostos com el glicogen, la quitina i la trehalosa.
Els sucres simples (monosacàrids) tenen la fórmula general CnH2nOn i es divideixen en tetroses, trioses, pentoses i hexoses. Els dos últims són els més comuns a les cèl·lules dels organismes vius, per exemple, la ribosa i la desoxiribosa formen part dels àcids nucleics, i la glucosa i la fructosa participen en les reaccions d'assimilació i dissimilació. Els oligosacàrids es troben sovint a les cèl·lules vegetals: la sacarosa s'emmagatzema a les cèl·lules de la remolatxa i la canya de sucre, la m altosa es troba en grans germinats de sègol i ordi.
Els disacàrids tenen un gust dolç i es dissolen bé en aigua. Els polisacàrids, en ser biopolímers, estan representats principalment per midó, cel·lulosa, glicogen i laminarina. La quitina pertany a les formes estructurals dels polisacàrids. La funció principal dels hidrats de carboni a la cèl·lula és l'energia. Com a resultat de la hidròlisi i les reaccions de metabolisme energètic, els polisacàrids es descomponen en glucosa, i després s'oxiden a diòxid de carboni i aigua. Com a resultat, un gram de glucosa allibera 17,6 kJ d'energia i les reserves de midó i glucogen, de fet, són un reservori d'energia cel·lular.
El glicogen s'emmagatzema principalment en el teixit muscular i les cèl·lules hepàtiques, el midó vegetal en tubercles, bulbs, arrels, llavors i en artròpodes com ara aranyes, insectes i crustacis, l'oligosacàrid de trehalosa té un paper important en el subministrament d'energia.
Hidrats de carbonidifereixen dels lípids i proteïnes en la seva capacitat de divisió sense oxigen. Això és extremadament important per als organismes que viuen en condicions de deficiència o absència d'oxigen, com ara els bacteris anaeròbics i els helmints, paràsits d'humans i animals.
Hi ha una altra funció dels hidrats de carboni a la cèl·lula: la construcció (estructural). Rau en el fet que aquestes substàncies són les estructures de suport de les cèl·lules. Per exemple, la cel·lulosa forma part de les parets cel·lulars de les plantes, la quitina forma l'esquelet exterior de molts invertebrats i es troba a les cèl·lules dels fongs, els olisacàrids, juntament amb les molècules de lípids i proteïnes, formen un glicocàlix: un complex epimembranós. Proporciona adhesió: l'adhesió de cèl·lules animals entre si, donant lloc a la formació de teixits.
Lípids: estructura i funcions
Aquestes substàncies orgàniques, que són hidròfobes (insolubles en aigua), es poden extreure, és a dir, extreure de les cèl·lules, mitjançant dissolvents no polars com l'acetona o el cloroform. Les funcions dels lípids en una cèl·lula depenen de quin dels tres grups pertanyen: greixos, ceres o esteroides. Els greixos són els més abundants en tots els tipus de cèl·lules.
Els animals els acumulen al teixit adipós subcutani, el teixit nerviós conté greix en forma de beines de mielina dels nervis. També s'acumula als ronyons, al fetge, als insectes, al cos de greix. Els greixos líquids - olis - es troben a les llavors de moltes plantes: cedre, cacauet, gira-sol, olivera. El contingut de lípids a les cèl·lules oscil·la entre el 5 i el 90% (al teixit adipós).
Esteroides i ceresdifereixen dels greixos perquè no contenen residus d'àcids grassos a les seves molècules. Per tant, els esteroides són hormones de l'escorça suprarenal que afecten la pubertat del cos i són components de la testosterona. També es troben en vitamines (com la vitamina D).
Les principals funcions dels lípids a la cèl·lula són l'energia, la construcció i la protecció. El primer es deu al fet que 1 gram de greix durant la divisió proporciona 38,9 kJ d'energia -molt més que altres substàncies orgàniques- proteïnes i hidrats de carboni. A més, durant l'oxidació d'1 g de greix, s'alliberen gairebé 1,1 g. aigua. És per això que alguns animals, amb un subministrament de greix al cos, poden estar molt de temps sense aigua. Per exemple, els gophers poden hivernar més de dos mesos sense necessitat d'aigua, i un camell no beu aigua quan travessa el desert durant 10-12 dies.
La funció de construcció dels lípids és que formen part integral de les membranes cel·lulars i també formen part dels nervis. La funció protectora dels lípids és que una capa de greix sota la pell al voltant dels ronyons i altres òrgans interns els protegeix de lesions mecàniques. Una funció específica d'aïllament tèrmic és inherent als animals que estan a l'aigua durant molt de temps: balenes, foques, foques. Una capa gruixuda subcutània de greix, per exemple, en una balena blava fa 0,5 m, protegeix l'animal de la hipotèrmia.
La importància de l'oxigen en el metabolisme cel·lular
Els organismes aeròbics, que inclouen la gran majoria d'animals, plantes i humans, utilitzen l'oxigen atmosfèric per a les reaccions del metabolisme energètic,provocant la descomposició de substàncies orgàniques i l'alliberament d'una certa quantitat d'energia acumulada en forma de molècules d'àcid adenosina trifosfòric.
Així, amb l'oxidació completa d'un mol de glucosa, que es produeix a les crestas dels mitocondris, s'alliberen 2800 kJ d'energia, dels quals 1596 kJ (55%) s'emmagatzemen en forma de molècules d'ATP que contenen molècules macroèrgiques. enllaços. Així, la funció principal de l'oxigen a la cèl·lula és la implementació de la respiració aeròbica, que es basa en un grup de reaccions enzimàtiques de l'anomenada cadena respiratòria, que es produeixen als orgànuls cel·lulars: els mitocondris. En els organismes procariotes (bacteris fototròfics i cianobacteris), l'oxidació dels nutrients es produeix sota l'acció de l'oxigen que es difon a les cèl·lules en els excrements interns de les membranes plasmàtiques.
Vam estudiar l'organització química de les cèl·lules, així com els processos de biosíntesi de proteïnes i la funció de l'oxigen en el metabolisme energètic cel·lular.
