No final do século XIX, formou-se um ramo da biologia chamado bioquímica. Estuda a composição química de uma célula viva. A principal tarefa da ciência é o conhecimento das características do metabolismo e da energia que regulam a atividade vital das células vegetais e animais.
O conceito da composição química da célula
Como resultado de uma cuidadosa pesquisa, os cientistas estudaram a organização química das células e descobriram que os seres vivos possuem mais de 85 elementos químicos em sua composição. Além disso, alguns deles são obrigatórios para quase todos os organismos, enquanto outros são específicos e são encontrados em espécies biológicas específicas. E o terceiro grupo de elementos químicos está presente nas células de microrganismos, plantas e animais em quantidades bastante pequenas. As células contêm elementos químicos mais frequentemente na forma de cátions e ânions, a partir dos quais são formados sais minerais e água, e compostos orgânicos contendo carbono são sintetizados: carboidratos, proteínas, lipídios.
Elementos organogênicos
Em bioquímica, incluem carbono, hidrogênio,oxigênio e nitrogênio. Sua totalidade na célula é de 88 a 97% dos outros elementos químicos nela. O carbono é especialmente importante. Todas as substâncias orgânicas na composição da célula são compostas por moléculas contendo átomos de carbono em sua composição. Eles são capazes de se conectar entre si, formando cadeias (ramificadas e não ramificadas), bem como ciclos. Essa capacidade dos átomos de carbono está subjacente à incrível variedade de substâncias orgânicas que compõem o citoplasma e as organelas celulares.
Por exemplo, o conteúdo interno de uma célula consiste em oligossacarídeos solúveis, proteínas hidrofílicas, lipídios, vários tipos de ácido ribonucleico: RNA de transferência, RNA ribossômico e RNA mensageiro, além de monômeros livres - nucleotídeos. O núcleo da célula tem uma composição química semelhante. Ele também contém moléculas de ácido desoxirribonucleico que fazem parte dos cromossomos. Todos os compostos acima contêm átomos de nitrogênio, carbono, oxigênio, hidrogênio. Esta é a prova de seu significado particularmente importante, pois a organização química das células depende do conteúdo de elementos organogênicos que compõem as estruturas celulares: hialoplasma e organelas.
Macroelementos e seus significados
Os elementos químicos, que também são muito comuns nas células de vários tipos de organismos, são chamados de macronutrientes em bioquímica. Seu conteúdo na célula é de 1,2% - 1,9%. Os macroelementos da célula incluem: fósforo, potássio, cloro, enxofre, magnésio, cálcio, ferro e sódio. Todos eles desempenham funções importantes e fazem parte de váriosorganelas celulares. Assim, o íon ferroso está presente na proteína do sangue - hemoglobina, que transporta oxigênio (neste caso é chamado de oxiemoglobina), dióxido de carbono (carbohemoglobina) ou monóxido de carbono (carboxiemoglobina).
Íons de sódio fornecem o tipo mais importante de transporte intercelular: a chamada bomba de sódio-potássio. Eles também fazem parte do fluido intersticial e do plasma sanguíneo. Os íons de magnésio estão presentes nas moléculas de clorofila (fotopigmento das plantas superiores) e participam do processo de fotossíntese, pois formam centros de reação que aprisionam fótons de energia luminosa.
Íons de cálcio proporcionam a condução dos impulsos nervosos ao longo das fibras, sendo também o principal componente dos osteócitos - células ósseas. Os compostos de cálcio são amplamente distribuídos no mundo dos invertebrados, cujas conchas são compostas de carbonato de cálcio.
Íons de cloro estão envolvidos na recarga das membranas celulares e fornecem a ocorrência de impulsos elétricos subjacentes à excitação nervosa.
Os átomos de enxofre fazem parte das proteínas nativas e determinam sua estrutura terciária por "reticulação" da cadeia polipeptídica, resultando na formação de uma molécula de proteína globular.
Íons de potássio estão envolvidos no transporte de substâncias através das membranas celulares. Os átomos de fósforo fazem parte de uma substância intensiva em energia tão importante como o ácido adenosina trifosfórico, e também são um componente importante das moléculas de ácido desoxirribonucleico e ribonucleico, que são as principais substâncias da hereditariedade celular.
Funções dos oligoelementos na célulametabolismo
Cerca de 50 elementos químicos que compõem menos de 0,1% nas células são chamados de oligoelementos. Estes incluem zinco, molibdênio, iodo, cobre, cob alto, flúor. Com um teor insignificante, desempenham funções muito importantes, pois fazem parte de muitas substâncias biologicamente ativas.
Por exemplo, os átomos de zinco são encontrados nas moléculas de insulina (um hormônio pancreático que regula os níveis de glicose no sangue), o iodo é parte integrante dos hormônios da tireoide - tiroxina e triiodotironina, que controlam o nível de metabolismo no corpo. O cobre, juntamente com os íons de ferro, está envolvido na hematopoiese (a formação de eritrócitos, plaquetas e leucócitos na medula óssea vermelha de vertebrados). Os íons de cobre fazem parte do pigmento hemocianina presente no sangue de invertebrados, como os moluscos. Portanto, a cor de sua hemolinfa é azul.
Ainda menos conteúdo na célula de elementos químicos como chumbo, ouro, bromo, prata. Eles são chamados de ultramicroelementos e fazem parte de células vegetais e animais. Por exemplo, íons de ouro foram detectados em grãos de milho por análise química. Átomos de bromo em grande quantidade fazem parte das células do talo de algas marrons e vermelhas, como sargassum, kelp, fucus.
Todos os exemplos e fatos acima explicam como a composição química, funções e estrutura da célula estão interconectadas. A tabela abaixo mostra o conteúdo de vários elementos químicos nas células dos organismos vivos.
Características gerais das substâncias orgânicas
As propriedades químicas das células de vários grupos de organismos dependem de certa forma dos átomos de carbono, cuja proporção é superior a 50% da massa celular. Quase toda a matéria seca da célula é representada por carboidratos, proteínas, ácidos nucléicos e lipídios, que possuem estrutura complexa e grande peso molecular. Tais moléculas são chamadas de macromoléculas (polímeros) e consistem em elementos mais simples - monômeros. As substâncias proteicas desempenham um papel extremamente importante e desempenham muitas funções, que serão discutidas abaixo.
O papel das proteínas na célula
A análise bioquímica dos compostos que compõem uma célula viva confirma o alto teor de substâncias orgânicas como proteínas nela. Existe uma explicação lógica para este fato: as proteínas desempenham várias funções e estão envolvidas em todas as manifestações da vida celular.
Por exemplo, a função protetora das proteínas é a formação de anticorpos - imunoglobulinas produzidas pelos linfócitos. Proteínas protetoras como trombina, fibrina e tromboblastina proporcionam a coagulação do sangue e previnem sua perda durante lesões e feridas. A composição da célula inclui proteínas complexas das membranas celulares que têm a capacidade de reconhecer compostos estranhos - antígenos. Eles alteram sua configuração e informam a célula do perigo potencial (função de sinalização).
Algumas proteínas têm função reguladora e são hormônios, por exemplo, a oxitocina produzida pelo hipotálamo é reservada pela glândula pituitária. A partir dele parasangue, a oxitocina atua nas paredes musculares do útero, fazendo com que ele se contraia. A proteína vasopressina também tem função reguladora, controlando a pressão arterial.
Nas células musculares existem actina e miosina que podem se contrair, o que determina a função motora do tecido muscular. As proteínas também possuem função trófica, por exemplo, a albumina é utilizada pelo embrião como nutriente para seu desenvolvimento. As proteínas do sangue de vários organismos, como hemoglobina e hemocianina, carregam moléculas de oxigênio - elas desempenham uma função de transporte. Se substâncias mais intensivas em energia, como carboidratos e lipídios, são totalmente utilizadas, a célula passa a quebrar as proteínas. Um grama dessa substância fornece 17,2 kJ de energia. Uma das funções mais importantes das proteínas é catalítica (as proteínas enzimáticas aceleram as reações químicas que ocorrem nos compartimentos do citoplasma). Com base no exposto, estávamos convencidos de que as proteínas desempenham muitas funções muito importantes e são necessariamente parte da célula animal.
Biossíntese de proteínas
Considere o processo de síntese de proteínas em uma célula, que ocorre no citoplasma com a ajuda de organelas como os ribossomos. Graças à atividade de enzimas especiais, com a participação de íons de cálcio, os ribossomos são combinados em polissomos. As principais funções dos ribossomos em uma célula são a síntese de moléculas de proteínas, que começa com o processo de transcrição. Como resultado, as moléculas de mRNA são sintetizadas, às quais os polissomas estão ligados. Então começa o segundo processo - tradução. Transferir RNAscombinam-se com vinte tipos diferentes de aminoácidos e os trazem para polissomos, e como as funções dos ribossomos em uma célula são a síntese de polipeptídeos, essas organelas formam complexos com o tRNA, e as moléculas de aminoácidos se ligam umas às outras por ligações peptídicas, formando um macromolécula de proteína.
O papel da água nos processos metabólicos
Estudos citológicos confirmaram o fato de que a célula, cuja estrutura e composição estamos estudando, é em média 70% de água, e em muitos animais que levam um modo de vida aquático (por exemplo, celenterados), sua conteúdo atinge 97-98%. Com isso em mente, a organização química das células inclui substâncias hidrofílicas (capazes de dissolver) e hidrofóbicas (repelentes à água). Sendo um solvente polar universal, a água desempenha um papel excepcional e afeta diretamente não apenas as funções, mas também a própria estrutura da célula. A tabela abaixo mostra o teor de água nas células de vários tipos de organismos vivos.
A função dos carboidratos na célula
Como descobrimos anteriormente, os carboidratos também são substâncias orgânicas importantes - polímeros. Estes incluem polissacarídeos, oligossacarídeos e monossacarídeos. Os carboidratos fazem parte de complexos mais complexos - glicolipídios e glicoproteínas, a partir dos quais são construídas as membranas celulares e estruturas supramembranares, como o glicocálice.
Além do carbono, os carboidratos contêm átomos de oxigênio e hidrogênio, e alguns polissacarídeos também contêm nitrogênio, enxofre e fósforo. Há muitos carboidratos nas células vegetais: tubérculos de batatacontêm até 90% de amido, sementes e frutas contêm até 70% de carboidratos, e nas células animais são encontrados na forma de compostos como glicogênio, quitina e trealose.
Açúcares simples (monossacarídeos) têm a fórmula geral CnH2nOn e são divididos em tetroses, trioses, pentoses e hexoses. Os dois últimos são os mais comuns nas células dos organismos vivos, por exemplo, a ribose e a desoxirribose fazem parte dos ácidos nucléicos, e a glicose e a frutose participam das reações de assimilação e dissimilação. Os oligossacarídeos são frequentemente encontrados nas células das plantas: a sacarose é armazenada nas células da beterraba sacarina e da cana-de-açúcar, a m altose é encontrada nos grãos germinados de centeio e cevada.
Os dissacarídeos têm um sabor doce e se dissolvem bem em água. Os polissacarídeos, sendo biopolímeros, são representados principalmente por amido, celulose, glicogênio e laminarina. A quitina pertence às formas estruturais dos polissacarídeos. A principal função dos carboidratos na célula é a energia. Como resultado de reações de hidrólise e metabolismo energético, os polissacarídeos são decompostos em glicose, e então é oxidado em dióxido de carbono e água. Como resultado, um grama de glicose libera 17,6 kJ de energia, e os estoques de amido e glicogênio, na verdade, são um reservatório de energia celular.
Glicogênio é armazenado principalmente no tecido muscular e nas células do fígado, amido vegetal em tubérculos, bulbos, raízes, sementes e em artrópodes como aranhas, insetos e crustáceos, o oligossacarídeo trealose desempenha um papel importante no fornecimento de energia.
Carboidratosdiferem de lipídios e proteínas em sua capacidade de clivagem livre de oxigênio. Isso é extremamente importante para organismos que vivem em condições de deficiência ou ausência de oxigênio, como bactérias anaeróbicas e helmintos - parasitas de humanos e animais.
Existe outra função dos carboidratos na célula - construção (estrutural). Está no fato de que essas substâncias são as estruturas de suporte das células. Por exemplo, a celulose faz parte das paredes celulares das plantas, a quitina forma o esqueleto externo de muitos invertebrados e é encontrada nas células fúngicas, os olissacarídeos, juntamente com as moléculas de lipídios e proteínas, formam um glicocálix - um complexo epimembranar. Ele fornece adesão - a adesão de células animais umas às outras, levando à formação de tecidos.
Lipídios: estrutura e funções
Essas substâncias orgânicas, que são hidrofóbicas (insolúveis em água), podem ser extraídas, ou seja, extraídas das células, utilizando solventes não polares como acetona ou clorofórmio. As funções dos lipídios em uma célula dependem de qual dos três grupos eles pertencem: gorduras, ceras ou esteróides. As gorduras são as mais abundantes em todos os tipos de células.
Os animais os acumulam no tecido adiposo subcutâneo, o tecido nervoso contém gordura na forma de bainhas de mielina dos nervos. Também se acumula nos rins, fígado, insetos - no corpo gordo. As gorduras líquidas - óleos - são encontradas nas sementes de muitas plantas: cedro, amendoim, girassol, azeitona. O teor de lipídios nas células varia de 5 a 90% (no tecido adiposo).
Esteroides e cerasdiferem das gorduras por não conterem resíduos de ácidos graxos em suas moléculas. Assim, os esteróides são hormônios do córtex adrenal que afetam a puberdade do corpo e são componentes da testosterona. Eles também são encontrados em vitaminas (como vitamina D).
As principais funções dos lipídios na célula são energia, construção e proteção. A primeira se deve ao fato de que 1 grama de gordura durante a divisão fornece 38,9 kJ de energia - muito mais do que outras substâncias orgânicas - proteínas e carboidratos. Além disso, durante a oxidação de 1 g de gordura, quase 1,1 g é liberado. agua. É por isso que alguns animais, tendo um suprimento de gordura em seu corpo, podem ficar sem água por muito tempo. Por exemplo, os esquilos podem hibernar por mais de dois meses sem precisar de água, e um camelo não bebe água ao atravessar o deserto por 10 a 12 dias.
A função de construção dos lipídios é que eles são parte integrante das membranas celulares e também fazem parte dos nervos. A função protetora dos lipídios é que uma camada de gordura sob a pele ao redor dos rins e outros órgãos internos os protege de lesões mecânicas. Uma função específica de isolamento térmico é inerente aos animais que estão na água por muito tempo: baleias, focas, focas. Uma espessa camada de gordura subcutânea, por exemplo, em uma baleia azul tem 0,5 m, ela protege o animal da hipotermia.
A importância do oxigênio no metabolismo celular
Organismos aeróbicos, que incluem a grande maioria dos animais, plantas e humanos, usam oxigênio atmosférico para reações do metabolismo energético,levando à quebra de substâncias orgânicas e à liberação de uma certa quantidade de energia acumulada na forma de moléculas de ácido adenosina trifosfórico.
Assim, com a oxidação completa de um mol de glicose, que ocorre nas cristas das mitocôndrias, são liberados 2.800 kJ de energia, dos quais 1.596 kJ (55%) são armazenados na forma de moléculas de ATP contendo moléculas macroérgicas. títulos. Assim, a principal função do oxigênio na célula é a realização da respiração aeróbica, que se baseia em um conjunto de reações enzimáticas da chamada cadeia respiratória, ocorrendo em organelas celulares - mitocôndrias. Em organismos procarióticos - bactérias fototróficas e cianobactérias - a oxidação dos nutrientes ocorre sob a ação do oxigênio difundindo-se nas células nas excrescências internas das membranas plasmáticas.
Estudamos a organização química das células, bem como os processos de biossíntese de proteínas e a função do oxigênio no metabolismo energético celular.
