BIOCHIMIE = Ramură a biologiei care se ocupă cu studiul fenomenelor chimice ce se petrec în organismele vii; chimie biologică

1. Compoziţia chimică şi organizarea materiei vii

1.1. Compoziţia chimica generală a organismelor

Compuşii chimici care se găsesc în organismele vii sunt foarte complecşi şi diferiţi. Alături de moleculele de apă şi dioxidul de carbon, care au o masa moleculară mică, se găsesc molecule gigant a căror masă moleculara se măsoară cu sutele de mii şi milioane de daltoni * (moleculele de proteine şi acizi nucleici).

Moleculele compuşilor care alcătuiesc materia vie poartă denumirea de biomolecule. Ele condiţionează organizarea biochimică structurală şi funcţională specifică tuturor organismelor vii.

Biomoleculele pot fi:- anorganice: apa şi sărurile minerale;- organice: proteine, lipide, glucide, enzime, hormoni etc.

La rândul lor, biomoleculele reprezintă combinaţii ale elementelor chimice prezente în materia vie şi care poartă denumirea de bioelemente.

1.1.1.Bioelemente

Materia vie este formată din aceleaşi elemente chimice care există şi în natura anorganică, iar organismele vii preiau în mod selectiv din mediul înconjurător substanţele chimice necesare desfăşurării activităţilor lor vitale.

Fiecare substanţă care intră în alcătuirea materiei vii are o anumită constituţie care este caracterizată în primul rând prin natura şi proporţia diferitelor elemente chimice care o compun şi în al doilea rând, de modul de aranjare sau de legare al atomilor în moleculă.

În compoziţia materiei vii intră următoarele elemente :

a) C, H, O, N, S, P, Cl, Ca, Mg, K, Na, care se găsesc în proporţie mare şi formează 99% din masa organismelor, din care cauză se numesc şi elemente plastice. Ele reprezintă macroelementele ;

b) Fe, I, F, B, Cu, Zn, Co, Mn, Si, Mo, Va, Ba, Li etc., care se găsesc în cantitate mică însă, sub 1% din total. Unele din aceste elemente apar în cantităţi extrem de mici, în limitele unei sutimi sau miimi de miligram pentru fiecare ; ele sunt numite microelemente şi îndeplinesc, în general, un rol biocatalitic. Microelementele intră în alcătuirea unor enzime, hormoni şi participă astfel la reglarea proceselor biochimice care au loc în organism.

Pe plan general, numai 21 de elemente sunt totdeauna prezente în materia vie, denumite şi bioelemente sau elemente esenţiale, care au fost împărţite în trei grupe în funcţie de concentraţia lor în organisme :

Grupa I : elemente abundente (prezente în proporţie de 60% din totalul atomilor) : C, H, O şi N.

Grupa II : elemente puţin abundente (prezente în proporţie de 0,02-0,1 atomi%) : Na, Mg, P, S, Cl, Ca, K.

* ) 1 Dalton = masa unui atom de hidrogen = 1,67 x 10-24

It is defined as one twelfth of the rest mass of an unbound neutral atom of carbon-12 in its nuclear and electronic ground state,[1] and has a value of 1.660538921(73)×10−27 kg.[2

Grupa III : elemente rare (prezente în proporţie mai mică de 0,02 atomi%) : Si, B, Fe, Cu, Mn, Zn, Va, I, Ni, Co.

În toţi compuşii existenţi în materia vie, carbonul joacă un rol predominant, datorită poziţiei centrale pe care o ocupă în sistemul periodic al elementelor, adică configuraţiei sale electronice (structurii sale cuantice) care-i permite să realizeze combinaţii atât cu elementele electronegative (oxigen, sulf, azot, fosfor, clor), cât şi cu elemente electropozitive (hidrogen). Acest element mai posedă proprietatea de a se combina cu el însuşi, participând astfel la formarea de edificii moleculare din ce în ce mai complexe atât prin lungimea şi ramificarea catenelor ce iau naştere, cât şi prin formarea de cicluri şi heterocicluri.

Atomii de H şi O, alături de atomul de C, formează primii constituenţi elementari ai materiei vii. Atomul de N este, de asemenea, un element esenţial, dearece alături de C, H, şi O intră în compoziţia substanţelor proteice, adică a compuşilor care reprezintă structurile moleculare cele mai importante ale materiei vii. Atomii de C, H, O şi N sunt înzestraţi cu o proprietate comună şi anume pot stabili legături covalente prin distribuirea de perechi de electroni.

Elementele mai puţin abundente (P, S, Ca, Mg) iau parte ca elemente de construcţie în alcătuirea moleculelor ce intră în alcătuirea organismelor vii, iar Cl, Na şi K s-au dovedit şi ele indispensabile vieţii.

Elementele rare participă în concentraţii extrem de mici în procesele metabolice celulare fundamentale în calitate de componenţi ai numeroase enzime, sau de activatori ai acestora. Ca urmare, absenţa lor ar determina perturbări grave ale metabolismului celular.

Dacă se examinează locul, din sistemul periodic al elementelor, pe care-l ocupă elementele ce intră frecvent în alcătuirea materiei vii, se constată că aproape toate fac parte din primele patru perioade ale acestui sistem ; ca o consecinţă, natura vie este aproape toată constituită din atomi uşori, care dau compuşi puţin complecşi, solubili în apă, ce permit circulaţia şi schimburile nutritive din celule.

Cea mai mare parte din compuşii atomilor uşori sunt rău conducători de căldură şi electricitate şi au o căldură specifică ridicată. Datorită acestor proprietăţi, compuşii celulari sunt instabili, instabilitate necesară desfăşurării proceselor metabolice.

1.1.2. Biomolecule anorganice

Acestea sunt reprezentate de apă şi sărurile minerale.

Apa este cel mai important lichid pentru viaţă. Este importantă nu numai pentru faptul că este principalul constituent din punct de vedere cantitativ al organismelor vii, ea depăşind, de cele mai multe ori, totalul celorlalţi constituenţi, dar prezintă importanţă şi pentru faptul că ia parte la organizarea structurală a sistemelor biologice şi la activitatea metabolică a acestora.Datorită structurii sale moleculare simetrice, în care fiecare atom de oxigen este centrul unui tetraedru, apa are o serie de proprietăţi fizico-chimice propice vieţii:

- capacitate calorică mare, ce face să-şi păstreze timp îndelungat temperatura constantă, utilă proceselor metabolice ;

- căldură specifică aproape constantă, între +270C şi +400C ;- formează cu uşurinţă legături de hidrogen ;- disociază uşor în (H3O)+ şi (HO)- .

Datorită acestor proprietăţi particulare, apa îndeplineşte în organism o serie de funcţii. Apa participă în calitate de component de bază la formarea structurilor intracelulare şi în cea mai mare măsură determină activitatea acestora. De exemplu, de gradul de hidratare a mitocondriilor depinde intensitatea proceselor de fosforilare oxidativă care au loc în ele. Apa participă direct la formarea citoplasmei celulare, de a cărei stare fizică depinde funcţia sa fiziologică. Apa este un excelent solvent pentru unii componenţi celulari. Formează legături de hidrogen şi participă la structura unor compuşi macromoleculari.

Apa constituie nu numai mediul în care decurg diversele reacţii biochimice, ci participă direct la aceste reacţii (reacţii de hidroliză, hidratare şi deshidratare, oxidare şi unele reacţii de sinteză). Cu ajutorul apei are loc transportul substanţelor nutritive la celule şi ţesuturi şi eliminarea din ele a produselor finale de metabolism. Prin evaporarea apei se reglează temperatura corpului.

2

În organismele vii apa se găseşte în diferite structuri, de la cele mai simple la cele mai complexe. Se poate face o clasificare a apei după diferite criterii şi anume :

- după locul unde se găseşte în raport cu celulele şi ţesuturile se face o clasificare în apă intracelulară şi extracelulară. Apa extracelulară poate fi la rândul ei interstiţială şi circulantă ;

- din punct de vedere al distribuţiei în ţesuturi, apa se clasifică în apă tisulară (în ţesuturi) şi cavitară (în lichidul cefalorahidian, etc.) ;

- din punct de vedere chimic, în organisme se găseşte apă legată de diferite structuri moleculare şi apa liberă. Apa legată se fixează în cea mai mare parte prin hidratare pe structurile coloidale ce prezintă grupări polare (glucide, lipide, proteine) ;

- din punct de vedere al provenienţei, apa se clasifică în exogenă (introdusă în organism din exterior) şi endogenă (rezultată din procesele metabolice prin oxidarea aerobă).

Aceste clasificări nu trebuie privite în mod mecanic, deoarece grupele clasificate au o stânsă legătură între ele. Astfel, apa legată poate fi intra- şi extracelulară, exogenă sau endogenă.

Cantitatea de apă existentă în organismele vii variază în limite foarte largi în funcţie de natura lor, organul şi vârsta. La animalele superioare ea reprezintă 60-95% din compoziţia celulei, iar în unele celule poate ajunge până la 98% din greutatea lor totală ; conţinutul în apă al ţesuturilor variază în funcţie de actvitatea metabolică : creier – 84%, muşchi – 75%, ţesut adipos – 30%, oase – 22%. Cu vârsta, conţinutul de apă din ţesuturi şi organe se reduce.

Aceleaşi variaţii ale conţinutului de apă se întâlnesc şi în ţesuturile vegetale. În pulpa fructelor conţinutul de apă este de 80-85%, pe când în seminţe 15-20%. Pe măsură ce ţesuturile vegetale se maturizează, nivelul apei scade (boabele de mazăre verde conţin 85% apă, cele mature 13-15%). Aceasta dovedeşte că, cu cât un organ sau un ţesut este sediul unor procese metabolice mai intense, cu atât cantitatea de apă este mai mare.

Sărurile minerale care intră în compoziţia materiei vii pot exista sub două forme : pe de o parte există sărurile minerale din stare de soluţie disociate în ioni, iar pe de altă parte sărurile minerale imobilizate sub formă de structuri puţin solubile sau insolubile.

Sărurile minerale solubile se găsesc în mediul apos al celulei şi în lichidele circulante, iar cele ce sunt combinate intră în constituţia citoplasmei sau sub formă nedizolvată în ţesuturi (oase, dinţi).

Dezvoltarea organismelor reclamă prezenţa unor ioni, cum ar fi K+, Ca2+, Mg2+, Fe3+, (PO4) 3-, Cl- care

se menţin într-un echilibru dinamic în funcţie de activitatea fiziologică şi constituie « balanţa ionică » a celulei.

Ponderea sărurilor minerale în organismele vii este de aproximativ 3-5% ; se găsesc sub formă de cloruri, fosfaţi, sulfaţi, azotaţi de sodiu, de potasiu, de calciu, de magneziu etc.. Sărurile care se găsesc în stare solubilă în mediul apos al celulei sau în lichidele biologice determină şi influenţează presiunea osmotică şi echilibrul acido-bazic al acestora. De asemenea, se găsesc sub forma unor combinaţii cu unele molecule organice, ca ioni absorbiţi la nivelul coloizilor celulari, sau participă direct la structura unor biomolecule determinând încărcarea lor electrică şi activitatea lor biologică.

1.1.3. Biomolecule organice. Ierarhia organizării moleculare a organismelor vii

Constiuenţii principali şi caracteristici ai tuturor organismelor vii sunt compuşi organici ai carbonului, înzestraţi cu structură şi funcţionalitate specifică care asigură însăşi existenţa vieţii. Din aceste considerente se numesc biomolecule organice.

Organizarea moleculară a materiei vii începe cu molecule simple, cu masă moleculară mică – biomolecule primordiale – dioxid de carbon, apă, azot atmosferic, ce pătrund din mediul exterior.

Cu ajutorul sistemelor enzimatice, trecând printr-o serie de produşi intermediari de metabolism şi prin creşterea masei moleculare, biomoleculele primordiale se transformă în biomolecule de bază care funcţionează ca elemente de construcţie şi au o masă moleculară medie. Mai departe, aceste biomolecule, legându-se între ele prin legături covalente (peptidice, fosfodiesterice, disulfidice etc.) formează macromolecule, care posedă o masă moleculară mare. În procesele metabolice, cu ajutorul unor legături necovalente (interacţiune ionică, legături de hidrogen, legături hidrofobe, legături

3

Van der Waals), macromoleculele se unesc în complexe supramoleculare (lipoproteide, nucleoproteide etc.), iar apoi, prin interacţiuni necovalente în general, se asociază în organite (nucleu, mitocondrii etc.). Pe această cale se formează sistemul complex de organizare moleculară a organismelor vii, are loc organizarea moleculară a celulei (Figura 1.1).

La nivel celular, macromoleculele urmăresc o specializare funcţională destul de clară: acizii nucleici sunt purtători şi transmiţători ai informaţiei genetice asigurând autoreproducerea organismelor; proteinele sunt simple elemente structurale (unele), sau componente ale enzimelor care intervin în metabolismul substanţelor şi metabolismul energetic; poliglucidele servesc fie ca surse de energie, fie ca material de construcţie şi în sfârşit, lipidele constituie unul din elementele structurale ale membranelor şi în al doilea rând, o formă de păstrare a energiei.

Pe lângă funcţia de elemente de construcţie a macromoleculelor, nucleotidele, aminoacizii, monoglucidele, acizii graşi participă în activitatea vitală a organismului şi sub altă formă. Astfel, nucleotidele nu se folosesc numai pentru construcţia moleculelor de acizi nucleici, ci intră şi în structura coenzimelor sau compuşilor macroergici. Aminoacizii servesc nu numai pentru alcătuirea proteinelor dar şi ca precursori ai multor substanţe importante pentru organism: hormoni, pigmenţi, porfirine, alcaloizi etc. (Figura 1.2.)

În organizarea moleculară a organismelor vii apar o serie de elemente specifice privind modul de dispunere a biomoleculelor în macromolecule. Astfel, în acizii nucleici şi în proteine, precursorii lor, respectiv nucleotidele şi aminoacizii, sunt dispuşi în secvenţe specifice, datorită informaţiei genetice existentă în fiecare celulă. Aceste biomolecule se mai numesc şi macromolecule informaţionale. În schimb, în macromoleculele de lipide şi de glucide precursorii lor sunt dispuşi sub forma unei alternanţe regulate, care nu mai este dependenta de informaţia genetică şi ca urmare se mai numesc şi macromolecule ne-informaţionale.

4

Organite

Complexe enzimaticeRibozomiSisteme contractile

Complexesupramoleculare(masa mol. aparticulei 108-109)

Macromolecule(masa mol. 103-109)

Acizinucleici

Proteine Polizaharide Lipide

Biomoleculede bazã (masa mol.100-350)

Mononucleotide Aminoacizi Monozaharide Acizi grasiGlicerol

Compusiintermediari(masa mol. 50-250)

RibozaCarbamilfosfat

Cetoacizi FosfopiruvatMalat

AcetatMalonat

Precursori (biomoleculeprimordiale, masa mol. 18-44) N2

CO2H2O

EcosistemeSpeciiPopulatii

Indivizi

Celula

NucleuMitocondriiCloroplaste

Fig. 1.1. Ierarhia organizării moleculare a organismelor vii

Compozitiachimicã aorganismelor

Bioelemente

Biomolecule

Plastice 99% (C, H, O, N, P, S, Ca, Mg, Cl, K, Na)

Catalitice 1% (oligoelemente) Fe, Co, Mn,C u, Mo, I, B, F, Br, Zn, Ni etc.

Organice

Rol infor-mational

ARNADN

Rol dereglare

enzimevitaminehormoni

Rol catalitic: enzime

Rol plasticsi energetic

proteine

lipideglucide

Anorganiceapã (60%)

sãruri minerale (5%)

Fig. 1.2. Compoziţia chimică generală a organismelor vii

5

Se observă că, proteinele, lipidele şi glucidele formează principalele trei categorii de constituenţi celulari macromoleculari. Formarea structurii complexe se realizează pe baza metabolismelor substanţelor şi energetic, adică a capacităţii organismelor vii de a folosi din mediul exterior energia şi substanţele existente sub formă propice pentru a fi utilizate şi apoi de a se reîntoarce în mediu cantităţi echivalente de energie şi sub o altă formă mai puţin utilă lor.

Tipuri de legături în biomolecule

Legătura covalentă se formează cu electronii comuni pentru doi atomi. Doi electroni comuni formează legătura simplă, patru electroni formează legătura dublă, iar 6 electroni formează legătura triplă. Dacă electronii din legătură nu sunt distribuiţi simetric între cei doi atomi, atunci legătura covalentă se transformă în aşa-numita legătură covalentă polară şi molecula devine dipol. Acest tip de legătura îl formează elementele puternic electronegative, adică cele care posedă o înaltă afinitate faţă de electroni. Această afinitate se exprimă prin unităţi convenţionale. Electronegativitatea mai mare de 3 posedă Cl, aproximativ 1 au Na, Mg şi altele. Între ele se află valoarea pentru O şi N. Dacă diferenţa dintre electronegativitatea a două elemente care formează o legătura nu depăşeşte 1,7, atunci legătura respectivă are un caracter covalent polar. La valori mai mari ale acestei diferenţe legătura devine ionica. Toate legăturile pot fi privite covalente deoarece legăturile nepolare şi ionice sunt numai in cazuri extreme, polare.

Pentru compuşii organici sunt caracteristice legăturile covalente. Exemplu în acest sens sunt legăturile peptidice ale structurii primare a proteinelor. (Tabelul 1).

Tabelul 1

Tipuri de legături în biomolecule

Tipul de legătură

Exemple

Covalentă

Legăturile între atomi în substanţele organiceCH4 C-HC2H6 C-CC2H4 C=CR1COR2 C=ORCH2NH2 C-NStructura primară a macromoleculelorLegăturile –S-S- intra- şi intermoleculare

Ionică

Enzimă – coenzimăEnzimă –substratAntigen – anticorp

De hidrogen Conformaţia moleculelor proteice1. –C=O…H-N- (legături intramoleculare între grupe care

participă la formarea legăturilor peptidice – în structura „α – helix”

2. între legăturile peptidice în structura de tip „foaie pliată”:

C

NC O H N

C O

C R3. între grupările aminice ale Lys şi Arg şi carbonilul

legăturii peptidice:

N H

H

O CC R

N H

4. între hidroxilii Tyr, Ser, Thr şi carbonilul legăturii

6

peptidice:

O H O CC R

N H

Interacţiuni hidrofobe

Structura terţiară şi cuaternară a proteinelor, legături între lanţurile acizilor graşi în membrane; legături de formare şi funcţionare a enzimelor allosterice

Legătura ionică se formează în acele cazuri când un atom cedează unul sau mai mulţi electroni altui atom. Ca rezultat, iau naştere ioni încărcaţi pozitiv sau negativ. Acest caz limită al legăturilor polare se realizează între grupările care se ionizează ale lanţurilor peptidice, atât în interiorul unei molecule, cât şi între diferite molecule, precum şi prin interacţiunea macromoleculei cu substanţe organice cu greutate moleculară mică şi ioni anorganici.

Legăturile de hidrogen iau naştere ca rezultat al interacţiunii dipolilor. Cel mai frecvent ele au loc în acele molecule unde atomii de H sunt legaţi cu O, N sau halogenii, mai ales F. Înalta electronegativitate a acestor elemente şi volumul mic al ionului de H, care se formează la capătul pozitiv al dipolului, conduce la o polaritate extrem de mare a acestei legături. Ca urmare, hidrogenul sub formă de H+ este puternic atras de gruparea încărcată a celeilalte molecule polare. În felul acesta, o legătură reprezintă o legătură covalentă puternic polară, iar cealaltă se realizează ca rezultat al interacţiunii electrostatice. Legăturile de hidrogen dintre molecule exercită întotdeauna o puternică acţiune asupra proprietăţilor fizice ale multor substanţe şi în primul rând ale apei. Legăturile de hidrogen intramoleculare constituie un important factor care stabilizează forma moleculei (de exemplu, de proteină) şi stă la baza uneia dintre proprietăţile sale (de exemplu, contractibilitatea). Ruperea legăturilor de hidrogen determină profunde modificări în întreaga moleculă, în cazul proteinelor determină denaturarea lor.

Legăturile hidrofobe (interacţiuni hidrofobe) leagă părţile nepolare (hidrofobe)ale aceleiaşi sau ale diferitelor molecule în soluţii apoase. Energia fiecăreia dintre aceste legături este mică, însă interacţiunile unui număr mare de lanţuri alifatice lungi determină formarea unor sisteme foarte stabile.

Existenţa acestor legături şi puterea lor se determină prin modificarea entropiei (a nivelului de sistematizare) sistemului.

Interacţiunile hidrofobe joacă un rol important în stabilizarea conformaţiei biopolimerilor şi în formarea structurilor membranelor biologice.

Legăturile macroergice din sistemele vii se numesc acele legături covalente care se hidrolizează cu eliberarea unei mari cantităţi de energie – 7,3 kcal/mol şi mai mult (energie liberă de hidroliză). Termenul de „legături macroergice” () se foloseşte numai pentru legăturile a căror energie se utilizează în metabolism şi nu indică adevărata valoare a energiei legăturii. După cum se ştie, energia de legătură este întotdeauna pozitivă, cu alte cuvinte, desfacerea oricărei legături (printre care şi macroergică) necesită întotdeauna un consum de energie.

1.2. Relaţia biomolecule –

structură celulară

Biomoleculele reprezintă compuşii care participă la organizarea şi funcţionarea celulelor.

7

N

N

N

NO

OHOH

CH2 O _

NH2Pentru desfacerealegãturii este nevoiede energie

Energia care seasigurã prin hidrolizãDGo~ -7,3 kcal /mol

P O ~

O

O

_

P O ~

O

O

_

P O

O

O

_

Celula este unitatea elementară a lumii vii, produs al unei îndelungate evoluţii, cu o ordine internă complexă ce-i conferă capacitatea de creştere, dezvoltare şi reproducere precum şi o organizare dinamică, aflată în relaţii de echilibru cu mediul înconjurător.

Pentru menţinerea funcţiilor sale de bază, în procesul evoluţiei, în celulă au luat naştere anumite structuri, numite organite celulare. Ele asigură coordonarea şi reglarea proceselor fundamentale care au loc, necesare pentru permanenta manifestare a funcţiilor vitale.

Pentru existenţa organismelor vii sunt importante următoarele organite: nucleul, mitocondriile, reticulul endoplasmatic, ribozomii, lizozomii şi microcorpusculii.

Spaţiul celular este delimitat de o membrană celulară numită plasmalemă. La rândul lor şi organitele celulare au ca elemente structurale membrane care iau parte la funcţionarea majorităţii din ele. Masa tuturor membranelor din celulă poate atinge 80% din masa ei.

Plasmalema este înconjurată de structuri chimice complexe. La celulele animale ele poartă denumirea de înveliş celular sau glicocalix şi sunt reprezentate de mucopolizaharide acide, glicolipide şi glicoproteine; la celulele vegetale reprezintă peretele celular rigid, format din fibre de celuloză cimentate între ele de către proteine.

Dacă aceste structuri intră în alcătuirea celulelor diferenţiate ale organismelor superioare, ele servesc în formarea diferiţilor anticorpi specifici.

Masa coloidală nestructurată care umple spaţiul celular se numeşte citosol.

Chiar în cadrul unui organ, celulele nu se găsesc într-un contact strâns. Acest lucru se explică prin prezenţa unor sarcini negative la suprafaţa celulelor, care astfel se resping. Ca rezultat, între celule se formează spaţii strâmte, a căror sumă în întregul organ sau organism este numit spaţiu intercelular.

În mod analog, suma tuturor componentelor din interiorul celulei ( de exemplu nucleul, mitocondriile etc.) reprezintă spaţiu intracelular.

1.2.1. Descrierea celulei tipice

În lumea vieţuitoarelor se pot distinge două scheme fundamentale de organizare celulară şi anume, una mult mai complexă şi evoluată, denumită eucariotă şi alta mai simplă, procariotă.

Schema eucariotă (fig. 1.3.) caracterizează celulele care au nucleul prevăzut cu o membrană nucleară şi se pot divide fie mitotic, fie meiotic. Structura eucariotă este proprie animalelor, plantelor, drojdiilor şi mucegaiurilor. Celulele eucariote au o organizare complexă şi în alcătuirea lor se disting trei părţi principale: a) nucleul, organit al coordonării proceselor celulare, b) citoplasma, ce conţine numeroase organite şi c) suprafaţa celulară, dispozitiv ce controlează schimburile cu mediul înconjurător.

Fig.1.3. Celula eucariotă

Celulele procariote sunt cele mai simple şi primitive forme de organizare a vieţii. Din această clasă fac parte bacteriile şi algele. În esenţă, procariotele nu au nucleu delimitat. Schema lor de organizare este caracterizată prin

existenţa unui material nuclear lipsit de membrană care ocupă partea centrală a celulei.

8

Forma celulelor este variată şi determinată de rolul fiziologic îndeplinit, de origine, de condiţiile de mediu, de poziţia ocupată în diferite ţesuturi. Poate fi sferică, ovală, cilindrică, prismatică sau tubulară. Forma celulelor este controlată atât de factorii externi, cum ar fi presiunea şi vâscozitatea mediului, cât şi de factorii interni ca activitatea funcţională, vârsta, structura internă şi caracterele suprafeţei celulare. Unele celule animale au formă variată (musculare, secretorii, leucocitele), altele au o formă constantă (epiteliale de acoperire, nervoase, osoase etc.).

Mărimea sau dimensiunile celulelor sunt tot atât de variate ca şi formele lor: In general sunt de ordinul micronilor şi nu se văd cu ochiul liber. În mod obişnuit celulele animale au un diametru de 10-30µm. Se pot întâlni însă şi celule de 3-4µm (granulare din creier) sau de aproximativ 100µm (celulele nervoase). Aceeaşi situaţie se întâlneşte şi la celulele plantelor superioare. Dimensiunile lor sunt cuprinse între 10 şi 30µm; unele cresc foarte mult în timpul diferenţierii putând ajunge până la 100-200µm.

Celulele bacteriilor şi ale drojdiilor sunt, în schimb, mult mai mici; astfel, celulele drojdiei de bere au dimensiuni de 4-5µm.

Nucleul este înconjurat de o membrană dublă cu pori şi este localizat în centrul celulei. În general se prezintă sub forma unui corp sferic sau oval, cu dimensiuni de 5-15µm pentru nucleele celulare animale, 10-50µm pentru nucleele celulelor plantelor, sau 0,5-3µm la unele microorganisme.

Nucleul este alcătuit din: 1) matrice sau sucul nuclear; 2) cromatină sau cromozomi; 3) nucleoli şi 4) membrana nucleară. (Figura 1.4.)

În compoziţia nucleului intră ADN, ARN, două tipuri de proteine (histone şi nehistone), diferiţi fosfaţi organici şi compuşi anorganici.Nucleul este centrul de comandă şi control, centrul coordonator al celulei eucariote, funcţionând ca un computer chimic prevăzut cu un program (ADN) şi memorie (ARN).Nucleul îndeplineşte o funcţie dublă:Fig. 1.4. Componentele 1) centru de stocare a informaţiei genetice, şi nucleului

2) centru de control al activităţilor celulare.

Ca centru informaţional, nucleul coordonează:1) toate reacţiile chimice legate de desfăşurarea proceselor vitale, prin controlul sintezei enzimelor; 2) organizarea celulei – prin controlul sintezei proteinelor de structură.

Matricea nucleară este reprezentată de scheletul de natură proteică care înglobează cromatina şi nucleolii şi care se sprijină în exterior pe membrana nucleară. Ea are un rol esenţial în organizarea nucleului şi joacă un rol proeminent în sinteza ADN sau ARN.

Cromatina şi cromozomii sunt două forme de organizare ale unuia şi aceluiaşi material genetic (ADN). Cromatina este forma de existenţă în repaus (interfazică), iar cromozomii sunt forma de existenţă în timpul diviziunii indirecte.

Cromatina este alcătuită în principal din ADN şi proteine histonice. Pe lângă acestea mai conţine şi mici cantităţi de ARN şi proteine nehistonice. Cromatina de la o specie dată conţine o cantitate specifică de ADN.

Cromozomii reprezintă bazele materiale ale eredităţii, fiecare cromozom fiind un grup de gene.

Nucleolul este o formaţiune intranucleară a cărei funcţie principală este biogeneza ribozomilor. El are o poziţie cheie în transferul intracelular al informaţiei, fiind un intermediar între cromozomi şi citoplasmă.

Membrana nucleară este o structură lipoproteică consistentă şi continuă care îndeplineşte în primul rând rolul de barieră între nucleu şi citosol. Prin membrana nucleară trec într-un sens şi în altul diferiţi compuşi. Acest schimb are loc la nivelul porilor, prin difuziune. Unele macromolecule intracelulare trec în citosol în urma unui proces de înmugurire a membranei, în interiorul căreia pătrunde matricea cu macromolecula respectivă, iar în cele din urmă mugurele rezultat se exfoliază în citosol. Membrana nucleară este permeabilă pentru apă, unii electroliţi şi monozaharide.

Plasmalema (membrana citoplasmatică) este o peliculă subţire, de natură lipoproteică, ce se găseşte la periferia citosolului, separând spaţiul intracelular de cel extracelular şi care, conform concepţiilor moderne, reprezintă o biomembrană. Această peliculă foarte fină (câţiva nm) şi foarte

9

flexibilă acoperă şi delimitează compartimentul citoplasmatic (citosol), controlează schimburile cu mediul înconjurător, se comportă ca un sistem de recepţie-transducţie şi constituie substratul adezivităţii celulare.

Constituenţii principali ai membranei sunt lipidele şi proteinele. Lipidele sunt reprezentate în cea mai mare parte de fosfolipide pe lângă care se mai află glicolipide şi steroli. Proteinele membranare se împart în două categorii: proteine periferice şi proteine integrale. (Figura 1.5.).

Fig. 1.5. Proteinele membranare

Sub aspect structural, membrana reprezintă un bistrat lipidic asimetric şi fluid care pe cele două feţe hidrofile are distribuite, asimetric şi în aranjamente foarte caracteristice,

proteinele. Stratul bilipidic reprezintă axul întregului edificiu molecular membranal. (Figura 1.6.)

Fig. 1.6. Membrana celulară şi învelişul celular

Proteinele integrale , numite şi intrinseci, străbat stratul bilipidic dintr-o parte în alta. Ele au o structură de α-helix, străbat stratul o dată sau de mai multe ori şi au zone ale moleculei cu comportament diferit sub aspectul solubilităţii, datorită naturii aminoacizilor localizaţi în ele.

La suprafaţa bistratului lipidic, de proteinele integrale pot fi ataşate proteine periferice (extrinseci). Modul de legare a celor două tipuri de proteine este diferit. În timp ce proteinele integrale sunt puternic legate, cele periferice sunt mai labile, cu legături mai slabe şi ca urmare îndepărtarea lor este facilă.

De proteinele integrale, spre partea exterioară a membranei, sunt legate lanţuri de oligoglucide care conferă suprafeţei celulei proprietăţi deosebite, ce permit a recunoaşte celulele aceluiaşi organ sau celulele de alt gen (antigenitatea, inhibarea prin contract). Aceste oligoglucide de la suprafaţa celulei formează un strat care se numeşte glicocalix sau glicolemă.

Viaţa celulei implică în permanenţă schimburi de substanţe între protoplasmă şi mediul exterior, în care plasmalema îndeplineşte rolul cel mai important. Pentru a efectua acest schimb controlat plasmalema are două funcţii distincte: una, de recunoaştere a speciilor moleculare cu care vine în contact şi alta, de oprire sau de încetinire a pătrunderii unora, ca şi de a permite altora sa treacă fără nici o dificultate.

În funcţie de natura şi proprietăţile speciilor moleculare respective, pătrunderea acestor produşi are loc prin difuziune simplă, transport pasiv, transport activ, (figura 1.7.), fie prin pinocitoză.

10

Fig. 1.7. Sisteme de transport

Difuzia simplă are loc direct, prin faza lipidică a membranei care acţionează ca un solvent pentru o serie de substanţe ce au un caracter slab polar (esteri simpli şi complecşi, alcooli superiori, acizi graşi etc.).

Transportul pasiv poate avea loc fără sau cu catalizator. În prima situaţie, substanţele în stare solubilă trec direct prin porii membranei, adică acele canale proteice permeabile pentru moleculele mici (apă, uree etc.)

Majoritatea substanţelor pătrund însă prin membranele biologice cu ajutorul unor sisteme transportoare specifice, aşa numiţii transportori (transport catalizat).

Acest termen se referă la nişte proteine membranare specifice sau „catalizatori” care, datorită structurilor lor terţiare, sunt capabile de a prelua moleculele de substanţe de pe o parte a membranei, de a le transporta prin membrană şi de a le elibera de cealaltă parte a membranei. Sunt proteine integrale care se mai numesc „permeaze” şi sunt induse de prezenţa substanţei care va pătrunde. Sunt specifice. În acest proces, transportorul înlesneşte trecerea substanţei prin membrană în direcţia gradientului de concentraţie fără consum de energie.

În cazul în care transportorul înlesneşte trecerea unor substanţe într-o direcţie şi în acelaşi timp a alteia în direcţia contrară fără consum de energie, procesul se numeşte difuzie metabolică (de schimb).

Acest proces de transport cu ajutorul unui transportor se mai numeşte difuzie facilitată.

Pentru realizarea procesului de transport activ, care dă posibilitatea de a transporta substanţe dintr-un loc cu o concentraţie mică într-un loc cu o concentraţie mare, deci în direcţia inversa a gradientului de concentraţie, este nevoie nu numai de un transportor ci şi de o sursă de energie, care de obicei este procurată prin hidroliza ATP - lui. Acest tip de transport este realizat de permeaze speciale numite ATP-aze: K+-ATP-ază (transportă ionii de potasiu din exteriorul celulei în interior); Ca2+-ATP-ază (transportă ionii de calciu).

Transportul activ poate servi pentru trecerea unei substanţe într-o direcţie, sau pentru trecerea a două substanţe în sensuri contrare (transport activ asociat). În general, prin transport activ are loc pătrunderea ionilor în citoplasmă prin plasmalemă.

Cel mai important proces de transport prin membrană, în special al macromoleculelor, este pinocitoza (de la grecescul pinein = a bea). (Figura 1.8.)

Fenomenul de pinocitoză se desfăşoară în felul următor: mai întâi are loc o lipire în timpul căreia picăturile de lichid extracelular care conţin particulele ce trebuie transportate se aşează pe plasmalemă. În felul acesta se formează o vacuolă care

11

Fig. 1.8. Transport prin pinocitoză conţine macromolecule.

Urmează o fază de ingestie în timpul căreia vacuola cu picături intră în celulă, urmând refacerea regiunii rupte a membranei.

Se consideră că exocitoza, procesul invers pinocitozei, stă la baza mecanismelor moleculare de eliminare a substanţelor macromoleculare din celulă.

Procesul analog de transport al particulelor solide se numeşte fagocitoză.

Mecanismul de înglobare în interiorul celulei atât a lichidelor cât şi a particulelor solide prin invaginaţiile membranei poartă denumirea de endocitoză.

Citoplasma este spaţiul celular aflat între membrană şi învelişul nuclear şi este formată din matricea citoplasmatică sau citosolul care înconjoară structuri cu organizare şi funcţii caracteristice – organite celulare.

Citosolul are proprietăţi vâscoelastice şi participă la determinarea formei celulare, regenerează structurile celulare pierdute şi asigură transportul direct de vezicule, granule, cromozomi. Se prezintă ca o „reţea” cu două faze: o fază polimerizată bogată în proteine structurale şi enzime şi o fază fluidă, bogată în apă ce se află în ochiurile reţelei. În faza lichidă se găsesc diferite molecule (glucoză, aminoacizi, ioni, gaze dizolvate). Cea mai mare parte a proteinelor din citosol o reprezintă enzime ce catalizează o serie de căi metabolice. La nivelul citosolului au loc reacţiile glicolitice, unele reacţii ale şuntului pentozo-fosfat, activarea aminoacizilor, sintezele acizilor graşi, ale unor aminoacizi.

Totodată, citosolul este mediul în care se găsesc diversele organite celulare; de aici ele preiau substanţele necesare funcţionării lor şi tot aici elimină unele din produsele de degradare.

Organitele mişcării celulare. Mişcarea intracelulară şi celulară este realizată cu ajutorul unor organite speciale prezente în citoplasma tuturor celulelor: microfilamente şi microtubuli.

Microfilamentele sunt formate din molecule proteice reprezentate, în general, prin molecule de actină şi molecule de miozină asemănătoare celor din celulele musculare. Au un diametru de 5-7 nm, lungimi diferite şi joacă un rol important în mişcările celulare de locomoţie precum şi în mişcările intracitoplasmatice.

Microtubulii sunt formaţi din molecule proteice numite tubuline, au o formă cilindrică şi o secţiune transversală cu diametrul de 20-30 nm. Împreună cu microfilamentele, microtubulii au un rol în formarea scheletului celulei contribuind la menţinerea formei acesteia. Participă la mişcările celulare şi intracelulare.

Organitele generatoare de energie sunt reprezentate de mitocondrii, prezente în toate tipurile de celule şi cloroplaste prezente în celulele vegetale.

Mitocondriile sunt organite permanente ale celulei, răspândite în toată masa citoplasmatică sub formă de granule izolate, granule înşirate sau filamente. Sunt alcătuite dintr-o membrană externă, o membrană internă cu criste mitocondriale, un spaţiu extern, cuprins între cele două membrane şi un spaţiu intern sau matrice (matrix) mitocondrială (Figura 1.9.). Fig. 1.9. Mitocondria

Mitocondria este formată din proteine (din care 70% sunt reprezentate de enzime), lipide, ARN, o cantitate mică de ADN, glucide, ioni. Pe membranele sale îşi desfăşoară activitatea o serie de enzime dispuse unele pe membrana externă, altele pe cea internă. Astfel, pe membrana internă sunt localizate unele enzime ale ciclului Krebs, enzimele ce participă la procesul fosforilării oxidative, a fosforilării ADP la ATP. Pe membrana externă se găsesc ligaze, sistemul NADH2 – citocrom c – reductaza şi monoamino-oxidaza (MAO).

Cristele mitocondriale sunt structuri ce aparţin membranei interne.

Matricea mitocondrială este formată din proteine şi enzime (oxido-reductazele ciclului lui Krebs, enzimele oxidării acizilor graşi, enzimele implicate în metabolismul aminoacizilor).Tot în matrice se găsesc acizi nucleici mitocondriali.

12

Mitocondria este organitul celular la nivelul căreia este generată energia necesară desfăşurării oricărei activităţi celulare. Energia se realizează în principal prin acţiunea enzimelor de oxido-reducere aflate în mitocondrie şi prin procesul fosforilării oxidative în urma cărora iau naştere molecule de ATP (macroergice).

Cloroplastele sunt organite asemănătoare mitocondriei, ce se găsesc în număr variabil în citosolul celulelor vegetale, având o lungime variabilă cuprinsă între 2 şi 10µm. (Figura 1.10.)

Cloroplastul este determinat de două membrane, una externă şi alta internă, între ele găsindu-se un spaţiu de mărimi diferite (5-8 nm). În matrice sau spaţiul intern delimitat de membrana internă se găsesc formaţiuni delimitate de citomembrane cu aspect de lamele sau saci, fiecare purtând denumirea de tilakoid şi care conţin în membranele lor clorofila. Aceşti tilakoizi sunt aşezaţi unul peste altul în stive ce se nu-Fig. 1.10. Cloroplastul -mesc grana. Cloroplastul conţine proteine, lipide, clorofilă, alţi

pigmenţi şi o cantitate mică de acizi nucleici (ADN şi ARN). Reprezintă organitul unde se desfăşoară procesul de fotosinteză, prin care este captată energia solară şi transformată în compuşi chimici de bază.

Organitele sintezei şi secreţiei celulare cuprind ribozomii, reticulul endoplasmatic şi complexul Golgi.

Ribozomii sunt organite de formă sferică ce se găsesc în citoplasmă fie liberi (izolaţi sau grupaţi), fie ataşaţi de membranele reticulului endoplasmatic. Sunt alcătuiţi din două subunităţi şi conţin r-ARN, proteine (ambele aproximativ în părţi egale), cantităţi mici de apă, diferiţi ioni metalici. (Figura 1.11.)

În momentul sintezei proteinelor, mai mulţi ribozomi (nu mai puţini de 4 şi nu mai mulţi de 100) sunt uniţi între ei într-o moleculă de m-ARN, formând un complex ce se numeşte polizom (poliribozom). (Figura 1.12.)

Aceste organite reprezintă în citoplasmă locul de sinteză a proteinelor. La nivelul polizomilor liberi se sintetizează proteinele de structură, iar la nivelul polizomilor ataşaţi membranelor reticulului endoplasmatic se sintetizează proteinele de export (enzime, hormoni, anticorpi).

Fig. 1.11. Ribozomul Fig. 1.12. Polizomul

Reticulul endoplasmatic reprezintă un sistem membranar, distribuit în citoplasmă, în apropierea nucleului. Este format din cisterne, tubuli, vezicule care comunică între ele şi care pe suprafaţa lor exterioară pot prezenta ribozomi. Aceste structuri se numesc granulare sau reticulul endoplasmatic rugos, spre deosebire de structurile fără ribozomi care reprezintă reticulul endoplasmatic neted. (Figura 1.13.)

În membranele reticulului endoplasmatic se găsesc enzime ce intervin în transferul de electroni, enzime hidrolitice sau de dezaminare.Reticulul rugos este organitul la nivelul căruia se sintetizează proteinele de export, iar cel neted este angajat în sinteza hormonilor steroizi, în meta- Fig. 1.13. Reticululbolismul glucidelor şi lipidelor, în detoxifiere. endoplasmatic

13

Complexul Golgi reprezintă un sistem membranar format din tubuli paraleli care este legat direct de reticulul endoplasmatic rugos (Fig. 1.14.)

În membrana complexului Golgi se găseşte o enzimă specifică, glicoziltransferaza, care catalizează legarea monoglucidelor cu proteinele, cu ajutorul legăturilor glicozidice. După legarea părţii glucidice, molecula proteică poate părăsi celula prin procesul de exocitoză. Însă, mai înainte de a avea loc acest lucru, proteina trebuie să stea un anumit timp în aparatul golgian pentru a se maturiza. De aceea conţinutul vacuolelor complexului Golgi se concentrează continuu (se elimină apa) şi produşii proteici precipită sub formă de granule. Fig. 1.14. Complexul Golgi

Glicoproteinele rezultate sunt destinate atât mediului intracelular, dar mai ales celui extracelular în care ajung prin veziculele secretorii golgiene.

Organitele digestiei intracelulare. Lizozomii sunt organite de formă sferică sau ovoidală alcătuiţi dintr-o membrană şi matricea lizozomală, prezenţi în citoplasma celulelor animale. Ei conţin, în principal, un număr mare de hidrolaze acide (proteaze, nucleaze, fosfataze, lipaze). Un lizozom nu conţine întreg setul de enzime hidrolitice. Astfel, ei diferă după numărul sau concentraţia acestor enzime din matricea şi membrana lizozomală. Lizozomii sunt responsabili de digestia intracelulară.

Peroxizomii sunt organite celulare prezente în citosolul tuturor celulelor animale şi vegetale. Se prezintă sub formă de vacuole sferice sau ovoide, sunt delimitaţi de o membrană şi conţin o matrice fin granulară. Peroxizomii conţin proteine, lipide şi enzime speciale cum sunt: catalaza, aminoacidoxidaza etc.. Intervin în metabolismul H2O2, în degradarea purinelor, în oxidarea acizilor graşi.

Incluziunile celulare. Citosolul poate acumula în mod normal diferiţi produşi ai metabolismului, pe care-i depozitează temporar sau definitiv în celulă. Aceste depuneri, numite incluziuni, pot fi de diferite tipuri: glucide, lipide, proteine, pigmenţi, cristale. Glucidele apar sub formă de glicogen în celulele animale şi se depun sub formă de amidon în celulele vegetale. Lipidele sunt sub formă de picături de diferite mărimi, de obicei sferice. Proteinele sunt depozitate în special şi uneori exclusiv în granule secretorii.

În celulele animale, pigmenţii apar în mod normal sub formă de granule de melanină (pigment brun-negru) în celulele pigmentare sau sub formă de lipofuscină (pigment galben) în celulele nervoase şi, pe măsura îmbătrânirii organismului, în celulele musculare cardiace.

În celulele vegetale, pigmenţii sunt localizaţi fie în cloroplaste (carotenul, licopenul, xantofilele) sau sunt dizolvaţi în sucul celular (flavonele, antocianele).

14