Organizarea structural-funcional a materiei vii

Biochimie curs 2

Organizarea structural-funcional a materiei vii

Organismul uman const din aproximativ 1 x 1017 celule grupate n numeroase tipuri i subtipuri. Fiecare tip de celul este rezultatul exprimrii prefereniale a acelor gene din genomul celular comun care se leag de funcia sa specializat. Celulele, de unul sau mai multe tipuri, mpreun cu produii lor formeaz esuturi. esuturile, integrate n moduri specifice, formeaz organe. Treapta de integrare i mai elaborat este reprezentat de tracturi i sisteme, care realizeaz funcii i mai complexe, nalt integrate. Treapta final de organizare pe plan biologic este reprezentat de organismul ntreg. Acesta poate fi, prin urmare, privit ca un vast agregat, format din miliarde de uniti celulare semiautonome, care triesc, funcioneaz i interacioneaz n comun, fr tulburri perceptibile att timp ct organismul este sntos. Bolile, indiferent de nivelul la care se manifest (organism ntreg, sistem, organ, esut), i au originea n celule i afecteaz celule.Compoziia chimic a materiei vii

Celula reprezint cel mai simplu nivel de organizare a materiei vii, la care apare pentru prima oar cea mai important caracteristic capacitatea de autoreproducere. Sub acest nivel se afl structurile subcelulare (organite), alctuite din macromolecule organice, formate, la rndul lor, din elemente chimice, aceleai pentru materia vie, ca i pentru cea lipsit de via din mediul nconjurtor.

Celula este unitatea elementar de structur i funcie a materiei vii. Ea reprezint un sistem deschis prin care se realizeaz schimbul de materie i energie cu mediul extern. Datorit proprietii de a se autoreproduce, celula are o mare capacitate de cretere, dezvoltare i difereniere.

Dup form i dimensiune, celulele pot fi:

sferice (ex. ovulul, 200 );

cilindrice (ex. epiteliile intestinale, 20 nlime);

hexagonale (ex. hepatocitele, 30 );

fusiforme (ex. celula muscular striat, 100 lungime);

aplatizate (ex. endoteliile vasculare, 50 nlime, 40 lime).

Membrana celular permite schimbul dintre celul i mediul extracelular. Permeabilitatea membranei este selectiv. Procesele de schimb care au loc n membrana celular se realizeaz prin dou tipuri de transport: transmembranar i n mas.

Transportul transmembranar asigur trecerea apei i a substanelor dizolvate prin membrana celular. Acest proces poate fi pasiv i activ. n transportul pasiv substanele trec prin membrana celular n sensul gradientului de concentraie i electrochimic, fr consum de energie, prin difuziune. Transportul activ se realizeaz mpotriva gradientului de concentraie i electrochimic, cu un mare consum de energie. Pompele ionice, care pot transporta un ion (pompa Ca2+ sau Mg2+) sau doi ioni (pompa Na+/K+), sunt tipuri de transport activ. Mai exist i transportul cuplat, care permite, concomitent cu eliminarea ionilor, introducerea unor molecule necesare activitii celulare (ex. glucoza).

Transportul n mas este procesul prin care celula nglobeaz sau elimin particule de natur diferit, prin intermediul unor vezicule formate la nivelul membranei celulare.

Componentele celulare sunt prezentate n imagine.

Citoplasma (hialoplasma) conine, n toate celulele, organite caracteristice. Pe lng organitele comune tuturor celulelor, mai exist i organite specifice: miofibrile (n celula muscular), neurofibrile i corpi Nissl (n celula nervoas). n compoziia celulelor intr ap, sruri minerale, electrolii, substane organice (proteine, lipide, glucide) etc., n proporii diferite, aa cum reiese din tabelul de mai jos.

ApProteineGlucideLipide

60-90% din greutatea celulei7-20% din greutatea celulei1-2% din greutatea celulei1-3% din greutatea celulei

Cei mai importani electrolii sunt: Na+, K+, Cl-, Mg2+, CO3H-, PO4H-.

Nucleul, care ocup 1/5-1/2 din volumul celulei, este de obicei sferic i dispus median. n interior, pe lng filamentele de cromatin (25% ARN, 75% ADN), se afl 1-2 nucleoli. Majoritatea celulelor sunt uninucleate (ex. fibra muscular neted), dar exist i celule polinucleate (ex. fibra muscular striat), anucleate (ex. hematia adult), binucleate (ex. hepatocitul).Elemente chimice din structura materiei vii

n organismul viu se descrie prezena a dou categorii de elemente chimice: elementele plastice, sau macroelementele, ce se afl n cantiti relativ mari i contribuie semnificativ la constituirea structurilor vii; microelementele, oligoelementele sau infinitele celulare, joac mai ales un rol catalitic i sunt prezente n cantiti extrem de reduse, adesea sub form de urme.

Macroelementele celulare. Grupul macroelementelor constituie aproximativ 99,7% din materia vie, fiind reprezentate de C, H, O, N, S, P, Cl, Na, K, Ca, Mg. Aproximativ 95% din greutatea organismului este reprezentat de C, H, O i N, ce realizeaz structurile ternare i cuaternare caracteristice materiei vii dezvoltate pe planeta noastr.

Oligoelementele celulare. Cu toate c reprezint mai puin de 0,1% din greutatea organismului, aceste elemente joac un rol esenial n desfurarea proceselor vitale. Prezena lor condiioneaz activitatea majoritii sistemelor de biocataliz (enzimatice etc.), iar carena n aceti factori determin tulburri grave, cu consecine adesea fatale pentru organism. Ex: Fe, Cu, Mn, I, F, Zn, Co

Alte microelemente importante sunt: Ni, Mo, Al, Cr, Se, Br, Si.

Combinaiile organice i anorganice din materia vie

Elementele chimice mai sus enumerate se combin complex, formnd substanele organice i anorganice, caracteristice materiei vii. Organismul uman adult este format din ap (60%), proteine (15%), lipide (14%), glucide (15%) i sruri minerale (5%). Proporia acestor substane difer n funcie de caracteristicile morfo-funcionale ale zonei luate n consideraie (snge, ficat, muchi striat, creier, piele, os).

Proteinele. Reprezentnd din punct de vedere biologic principalii constitueni ai materiei vii, proteinele sunt formate din aminoacizi cuplai n structuri ce pot ajunge la grade neobinuite de complexitate.

Structura proteinelor se caracterizeaz printr-o riguroasa specificitate. Aceasta rezult din secvena aminoacidic i configuraia spaial a moleculei.

Clasificare. n afara clasificrii chimice uzuale, din punct de vedere funcional proteinele se grupeaz n dou categorii: proteine structurale i funcionale.

Proteinele structurale, n majoritatea lor fibrilare, formeaz structurile celulare de rezisten, tensive i elastice.

Proteinele funcionale sintetizate n celule pot avea o prezen temporar la acest nivel, fiind eliminate n mediul extracelular, unde circul exercitndu-i funcia la nivelul structurilor-int (hormoni). Proteinele funcionale permanente rmn n celula de origine, unde ndeplinesc numeroase roluri. Din aceast categorie fac parte, de exemplu, proteinele-enzime cu rol biocatalitic sau nucleoproteinele din constituia genomului, ce controleaz sintezele i funciile celulare, precum i transmiterea caracterelor ereditare. n general, proteinele funcionale sunt de tip globular.

Sinteza proteinelor. Are loc la nivelul unor organite celulare specializate ribozomii. Reacia chimic cheie a acestui proces este formarea legturii peptidice.

Reglarea sintezei proteinelor. La nivelul organismului ntreg, sinteza proteic este controlat de un ansamblu de factori neuro-umorali. Din acest punct de vedere, se descrie intervenia hormonilor anabolizani activatori (somatotrop, insulin, androgeni etc.) i catabolizani (ACTH, cortizon, tiroxin etc.).

Cile metabolice urmate de proteinele introduse n organism sunt multiple, cataboliii rezultai fiind eliminai n mediul extern.

Glucidele. Alturi de funcia energogen esenial pe care o ndeplinesc, glucidele au i roluri structurale (de exemplu, n esutul cartilaginos) sau funcionale (ribozele acizilor nucleici etc.). Sunt substane ternare, care prezint grade diferite de complexitate.

Principalul compus glucidic folosit de organism este glucoza. Utilizrile glucozei n organism sunt multiple. O parte din glucoza neutilizat n alte ci metabolice este convertit n glicogen, stocat mai ales n ficat i muchi. Majoritatea glucozei este oxidat n vederea obinerii energiei necesare funciilor vitale.

Acest proces se desfoar n dou etape succesive: etapa anaerob, n care se formeaz acid piruvic sau lactic, i etapa aerob (ciclul Krebs al acizilor tricarboxilici), n care se ajunge la transformarea final n CO2 i H2O, cu eliberarea unor mari cantiti de energie stocat n ATP. Glucoza poate fi convertit n ali metabolii (acizi grai i glicerol, aminoacizi i alte hidrocarbonate pentoze, galactoz). Glicemia, concentraia glucozei circulante, este meninut n limite normale (0,8 1,2 g/l) prin intervenia unor mecanisme homeostazice de control neurohormonal, care asigur echilibrul dintre utilizarea glucozei circulante i eliberarea sa din depozite.

Lipidele. ndeplinind importante roluri structurale i funcionale, lipidele se gsesc n organism sub forma unor combinaii chimice simple sau complexe.

Intrnd n structura biomembranelor, lipidele le confer o serie de caracteristici ce contribuie la meninerea integritii celulare (permeabilitate selectiv, tensiune superficial, rigiditate etc.). Lipidele ndeplinesc n organism i roluri energetice, funcionale i metabolice. Intrnd n ciclul Krebs, acizii grai elibereaz n medie 9,1 kcal/g, producnd totodat, importante cantiti de corpi cetonici.

Originea lipidic a hormonilor sterolici (corticosuprarenalieni, sexuali), precum i a prostaglandinelor reprezint doar o ilustrare parial a interveniei lipidelor n reglarea funcional a numeroaselor activiti celulare.

n organism exist importante depozite lipidice. La acest nivel, prin procese de lipogenez i lipoliz se produc continuu depozitarea excesului de substane energogenetice i, respectiv, mobilizarea acizilor grai necesari n alte zone. Echilibrul dintre aceste procese este controlat pe ci nervoase i hormonale.Substanele anorganice

Apa. Att din punct de vedere cantitativ, ct i datorit funciilor pe care le ndeplinete, apa reprezint o component principal a materiei vii. La organismele pluricelulare, apa realizeaz majoritatea mediului intern ce asigur protecia i homeostazia.

Proprietile fizico-chimice ale apei i atribuie funcii biologice fundamentale ca: dizolvant pentru moleculele mici, component structural a macromoleculelor, transportor de energie, substrat i produs al reaciilor enzimatice i la termoreglare.

Importana apei n lumea vie. Datorit ponderii sale foarte mari n lumea vie, apa constituie cadrul molecular n care se desfoar procesele vieii.1. Apa constituie solventul universal al materiei vii, att la nivel intracelular, ct i interstiial.

2. n interiorul celulelor apa intervine ntr-o serie de reacii biochimice, cum ar fi de exemplu, reaciile de hidroliz, de oxidare i de condensare.

3. n cazul plantelor, apa constituie unul din cei doi reactani n procesul de fotosintez (cellalt fiind dioxidul de carbon).4. Apa constituie mediul de transport al moleculelor, ionilor, macromoleculelor i celulelor de la un organ la altul. Acest transport se realizeaz de ctre fluidele circulante extracelulare.

5. Apa este agentul de eliminare a cataboliilor toxici n afara organismului, n procesele de transpiraie i miciune.

6. Apa constituie mediul de flotaie al unor celule libere cum ar fi eritrocitele, leucocitele, limfocitele.

7. Apa asigur protecia la ocuri mecanice a unor sisteme (sistemul nervos central) sau a embrionului i ftului.

8. n cazul animalelor homeoterme, apa intervine substanial i eficient n procesele de termoreglare.

Srurile minerale. O importan deosebit pentru funcionalitatea organismului o reprezint forma electrolitic, disociat, a acestor sruri solvite n mediile intra- i extracelular. Repartiia electroliilor difer de la un compartiment la altul. Astfel, n mediul extracelular predomin, dintre cationi, sodiul (Na+), iar, dintre anioni, Cl- i CO3H-. Intracelular predomin K+, iar, dintre anioni, PO43-, alturi de anionii organici cu molecul mare.Proprietile fundamentale ale materiei vii

Organismele vii prezint trei proprieti fundamentale: excitabilitatea, metabolismul i reproducerea.

Excitabilitatea este proprietatea materiei vii de a reaciona prin manifestri specifice (contracie, secreie, elaborarea influxului nervos etc.) la aciunea unor stimuli (variaii energetice calitativ-cantitative) din mediul ambiant.

Aceast proprietate, comun tuturor structurilor vii, este esenial i complet dezvoltat n cazul celulelor nervoase i musculare.

Ansamblul transformrilor chimice i energetice care au loc n celulele organismului se numete metabolism. Acest proces complex presupune un schimb permanent de materie i energie ntre organism i mediu, care determin adaptarea continu a organismului la condiiile de via. Prin aceasta metabolismul este considerat o funcie fundamental a vieii.

Metabolismul este rezultatul proceselor complementare de asimilaie i dezasimilaie.

Metabolismul prezint dou aspecte: metabolismul intermediar sau al substanelor i metabolismul energetic. Cele dou componente ale metabolismului se desfoar n organism sub forma unor reacii multiple, foarte complexe, care se produc sub aciunea enzimelor.

Reproducerea este o caracteristic fundamental a oricrei fiine vii i se realizeaz prin participarea a dou organisme de sexe diferite. Ea este rezultatul fecundrii gametului feminin (ovul) de ctre gametul masculin (spermatozoid). Oul rezultat se grefeaz n cavitatea uterin, unde continu s creasc i s se dezvolte, pn ce ftul, devenit viabil, este expulzat din uter prin actul naterii.PAGE 5