A fines del siglo XIX, se formó una rama de la biología llamada bioquímica. Estudia la composición química de una célula viva. La principal tarea de la ciencia es el conocimiento de las características del metabolismo y la energía que regulan la actividad vital de las células vegetales y animales.
El concepto de la composición química de la célula
Como resultado de una cuidadosa investigación, los científicos estudiaron la organización química de las células y descubrieron que los seres vivos tienen más de 85 elementos químicos en su composición. Además, algunos de ellos son obligatorios para casi todos los organismos, mientras que otros son específicos y se encuentran en especies biológicas específicas. Y el tercer grupo de elementos químicos está presente en las células de microorganismos, plantas y animales en cantidades bastante pequeñas. Las células contienen elementos químicos con mayor frecuencia en forma de cationes y aniones, a partir de los cuales se forman sales minerales y agua, y se sintetizan compuestos orgánicos que contienen carbono: carbohidratos, proteínas, lípidos.
Elementos organogénicos
En bioquímica, estos incluyen carbono, hidrógeno,oxígeno y nitrógeno. Su totalidad en la célula es del 88 al 97% de los otros elementos químicos en ella. El carbono es especialmente importante. Todas las sustancias orgánicas en la composición de la célula están compuestas por moléculas que contienen átomos de carbono en su composición. Son capaces de conectarse entre sí, formando cadenas (ramificadas y no ramificadas), así como ciclos. Esta capacidad de los átomos de carbono es la base de la sorprendente variedad de sustancias orgánicas que componen el citoplasma y los orgánulos celulares.
Por ejemplo, el contenido interno de una célula consiste en oligosacáridos solubles, proteínas hidrofílicas, lípidos, varios tipos de ácido ribonucleico: ARN de transferencia, ARN ribosómico y ARN mensajero, así como monómeros libres: nucleótidos. El núcleo celular tiene una composición química similar. También contiene moléculas de ácido desoxirribonucleico que forman parte de los cromosomas. Todos los compuestos anteriores contienen átomos de nitrógeno, carbono, oxígeno, hidrógeno. Esto es prueba de su especial importancia, ya que la organización química de las células depende del contenido de los elementos organogénicos que componen las estructuras celulares: hialoplasma y orgánulos.
Elementos macro y sus significados
Los elementos químicos, que también son muy comunes en las células de varios tipos de organismos, se denominan macronutrientes en bioquímica. Su contenido en la celda es 1.2% - 1.9%. Los macroelementos de la célula incluyen: fósforo, potasio, cloro, azufre, magnesio, calcio, hierro y sodio. Todos ellos cumplen importantes funciones y forman parte de diversosorgánulos celulares. Entonces, el ion ferroso está presente en la proteína de la sangre: la hemoglobina, que transporta oxígeno (en este caso se llama oxihemoglobina), dióxido de carbono (carbohemoglobina) o monóxido de carbono (carboxihemoglobina).
Los iones de sodio proporcionan el tipo más importante de transporte intercelular: la llamada bomba de sodio-potasio. También forman parte del líquido intersticial y del plasma sanguíneo. Los iones de magnesio están presentes en las moléculas de clorofila (fotopigmento de las plantas superiores) y participan en el proceso de fotosíntesis, ya que forman centros de reacción que atrapan fotones de energía luminosa.
Los iones de calcio proporcionan la conducción de los impulsos nerviosos a lo largo de las fibras y también son el componente principal de los osteocitos, las células óseas. Los compuestos de calcio están ampliamente distribuidos en el mundo de los invertebrados, cuyas conchas están compuestas de carbonato de calcio.
Los iones de cloro participan en la recarga de las membranas celulares y permiten la aparición de impulsos eléctricos que subyacen a la excitación nerviosa.
Los átomos de azufre forman parte de las proteínas nativas y determinan su estructura terciaria mediante la "entrecruzamiento" de la cadena polipeptídica, lo que resulta en la formación de una molécula de proteína globular.
Los iones de potasio participan en el transporte de sustancias a través de las membranas celulares. Los átomos de fósforo son parte de una sustancia tan importante que consume mucha energía como el ácido trifosfórico de adenosina, y también son un componente importante de las moléculas de ácido desoxirribonucleico y ribonucleico, que son las sustancias principales de la herencia celular.
Funciones de los oligoelementos en el celularmetabolismo
Alrededor de 50 elementos químicos que constituyen menos del 0,1 % en las células se denominan oligoelementos. Estos incluyen zinc, molibdeno, yodo, cobre, cob alto, flúor. Con un contenido insignificante, cumplen funciones muy importantes, ya que forman parte de muchas sustancias biológicamente activas.
Por ejemplo, los átomos de zinc se encuentran en las moléculas de insulina (una hormona pancreática que regula los niveles de glucosa en sangre), el yodo es una parte integral de las hormonas tiroideas - tiroxina y triyodotironina, que controlan el nivel de metabolismo en el cuerpo. El cobre, junto con los iones de hierro, participa en la hematopoyesis (la formación de eritrocitos, plaquetas y leucocitos en la médula ósea roja de los vertebrados). Los iones de cobre forman parte del pigmento hemocianina presente en la sangre de los invertebrados, como los moluscos. Por lo tanto, el color de su hemolinfa es azul.
Aún menos contenido en la celda de elementos químicos tales como plomo, oro, bromo, plata. Se denominan ultramicroelementos y forman parte de las células vegetales y animales. Por ejemplo, se detectaron iones de oro en granos de maíz mediante análisis químicos. Los átomos de bromo en grandes cantidades forman parte de las células del talo de las algas pardas y rojas, como el sargazo, las algas marinas y el fucus.
Todos los ejemplos y hechos anteriores explican cómo están interconectadas la composición química, las funciones y la estructura de la célula. La siguiente tabla muestra el contenido de varios elementos químicos en las células de los organismos vivos.
Características generales de las sustancias orgánicas
Las propiedades químicas de las células de varios grupos de organismos dependen de cierta manera de los átomos de carbono, cuya proporción es más del 50% de la masa celular. Casi toda la materia seca de la célula está representada por carbohidratos, proteínas, ácidos nucleicos y lípidos, que tienen una estructura compleja y gran peso molecular. Tales moléculas se denominan macromoléculas (polímeros) y consisten en elementos más simples: monómeros. Las sustancias proteicas juegan un papel extremadamente importante y realizan muchas funciones, que se discutirán a continuación.
El papel de las proteínas en la célula
El análisis bioquímico de los compuestos que componen una célula viva confirma el alto contenido de sustancias orgánicas como proteínas en ella. Hay una explicación lógica para este hecho: las proteínas realizan varias funciones y están involucradas en todas las manifestaciones de la vida celular.
Por ejemplo, la función protectora de las proteínas es la formación de anticuerpos, inmunoglobulinas producidas por los linfocitos. Las proteínas protectoras como la trombina, la fibrina y la tromboblastina facilitan la coagulación de la sangre y evitan su pérdida durante lesiones y heridas. La composición de la célula incluye proteínas complejas de membranas celulares que tienen la capacidad de reconocer compuestos extraños: antígenos. Cambian su configuración e informan a la célula del peligro potencial (función de señalización).
Algunas proteínas tienen una función reguladora y son hormonas, por ejemplo, la oxitocina producida por el hipotálamo es reservada por la glándula pituitaria. de eso asangre, la oxitocina actúa sobre las paredes musculares del útero, provocando su contracción. La proteína vasopresina también tiene una función reguladora, controlando la presión arterial.
En las células musculares hay actina y miosina que pueden contraerse, lo que determina la función motora del tejido muscular. Las proteínas también tienen una función trófica, por ejemplo, la albúmina es utilizada por el embrión como nutriente para su desarrollo. Las proteínas sanguíneas de varios organismos, como la hemoglobina y la hemocianina, transportan moléculas de oxígeno; realizan una función de transporte. Si se utilizan por completo sustancias más intensivas en energía, como carbohidratos y lípidos, la célula procede a descomponer las proteínas. Un gramo de esta sustancia da 17,2 kJ de energía. Una de las funciones más importantes de las proteínas es catalítica (las proteínas enzimáticas aceleran las reacciones químicas que ocurren en los compartimentos del citoplasma). Con base en lo anterior, estábamos convencidos de que las proteínas realizan muchas funciones muy importantes y son necesariamente parte de la célula animal.
Biosíntesis de proteínas
Considere el proceso de síntesis de proteínas en una célula, que ocurre en el citoplasma con la ayuda de orgánulos como los ribosomas. Gracias a la actividad de enzimas especiales, con la participación de iones de calcio, los ribosomas se combinan en polisomas. Las funciones principales de los ribosomas en una célula son la síntesis de moléculas de proteína, que comienza con el proceso de transcripción. Como resultado, se sintetizan moléculas de ARNm, a las que se unen los polisomas. Luego comienza el segundo proceso: la traducción. ARN de transferenciase combinan con veinte tipos diferentes de aminoácidos y los llevan a polisomas, y dado que las funciones de los ribosomas en una célula son la síntesis de polipéptidos, estos orgánulos forman complejos con tRNA, y las moléculas de aminoácidos se unen entre sí mediante enlaces peptídicos, formando un macromolécula de proteína.
El papel del agua en los procesos metabólicos
Los estudios citológicos han confirmado el hecho de que la célula, cuya estructura y composición estamos estudiando, es en promedio un 70% de agua, y en muchos animales que llevan una forma de vida acuática (por ejemplo, los celentéreos), su el contenido alcanza el 97-98 %. Con esto en mente, la organización química de las células incluye sustancias hidrofílicas (capaces de disolverse) e hidrofóbicas (repelentes al agua). Al ser un solvente polar universal, el agua juega un papel excepcional y afecta directamente no solo las funciones, sino también la estructura misma de la célula. La siguiente tabla muestra el contenido de agua en las células de varios tipos de organismos vivos.
La función de los carbohidratos en la célula
Como descubrimos anteriormente, los carbohidratos también son sustancias orgánicas importantes: polímeros. Estos incluyen polisacáridos, oligosacáridos y monosacáridos. Los carbohidratos son parte de complejos más complejos: glicolípidos y glicoproteínas, a partir de los cuales se construyen las membranas celulares y las estructuras supramembranales, como el glicocálix.
Además de carbono, los carbohidratos contienen átomos de oxígeno e hidrógeno, y algunos polisacáridos también contienen nitrógeno, azufre y fósforo. Hay muchos carbohidratos en las células vegetales: tubérculos de patatacontienen hasta un 90% de almidón, las semillas y frutos contienen hasta un 70% de carbohidratos, y en las células animales se encuentran en forma de compuestos como el glucógeno, la quitina y la trehalosa.
Los azúcares simples (monosacáridos) tienen la fórmula general CnH2nOn y se dividen en tetrosas, triosas, pentosas y hexosas. Los dos últimos son los más comunes en las células de los organismos vivos, por ejemplo, la ribosa y la desoxirribosa forman parte de los ácidos nucleicos, y la glucosa y la fructosa participan en las reacciones de asimilación y disimilación. Los oligosacáridos se encuentran a menudo en las células vegetales: la sacarosa se almacena en las células de la remolacha azucarera y la caña de azúcar, la m altosa se encuentra en los granos germinados de centeno y cebada.
Los disacáridos tienen un sabor dulce y se disuelven bien en agua. Los polisacáridos, al ser biopolímeros, están representados principalmente por almidón, celulosa, glucógeno y laminarina. La quitina pertenece a las formas estructurales de los polisacáridos. La función principal de los carbohidratos en la célula es la energía. Como resultado de las reacciones de hidrólisis y metabolismo energético, los polisacáridos se descomponen en glucosa y luego se oxidan en dióxido de carbono y agua. Como resultado, un gramo de glucosa libera 17,6 kJ de energía, y las reservas de almidón y glucógeno, de hecho, son una reserva de energía celular.
El glucógeno se almacena principalmente en el tejido muscular y las células hepáticas, el almidón vegetal en tubérculos, bulbos, raíces, semillas y en artrópodos como arañas, insectos y crustáceos, el oligosacárido de trehalosa juega un papel importante en el suministro de energía.
Carbohidratosdifieren de los lípidos y las proteínas en su capacidad de escisión libre de oxígeno. Esto es extremadamente importante para los organismos que viven en condiciones de deficiencia o ausencia de oxígeno, como las bacterias anaerobias y los helmintos, parásitos de humanos y animales.
Hay otra función de los carbohidratos en la célula: la construcción (estructural). Se encuentra en el hecho de que estas sustancias son las estructuras de soporte de las células. Por ejemplo, la celulosa forma parte de las paredes celulares de las plantas, la quitina forma el esqueleto externo de muchos invertebrados y se encuentra en las células fúngicas, los olisacáridos, junto con las moléculas de lípidos y proteínas, forman un glucocáliz, un complejo de epimembrana. Proporciona adhesión: la adhesión de las células animales entre sí, lo que lleva a la formación de tejidos.
Lípidos: estructura y funciones
Estas sustancias orgánicas, que son hidrófobas (insolubles en agua), se pueden extraer, es decir, extraer de las células, utilizando disolventes no polares como la acetona o el cloroformo. Las funciones de los lípidos en una célula dependen de a cuál de los tres grupos pertenecen: grasas, ceras o esteroides. Las grasas son las más abundantes en todos los tipos de células.
Los animales los acumulan en el tejido adiposo subcutáneo, el tejido nervioso contiene grasa en forma de vainas de mielina de los nervios. También se acumula en los riñones, el hígado, en los insectos, en el cuerpo graso. Las grasas líquidas (aceites) se encuentran en las semillas de muchas plantas: cedro, maní, girasol, olivo. El contenido de lípidos en las células oscila entre el 5 y el 90 % (en el tejido adiposo).
Esteroides y cerasSe diferencian de las grasas en que no contienen residuos de ácidos grasos en sus moléculas. Entonces, los esteroides son hormonas de la corteza suprarrenal que afectan la pubertad del cuerpo y son componentes de la testosterona. También se encuentran en las vitaminas (como la vitamina D).
Las principales funciones de los lípidos en la célula son energía, construcción y protección. La primera se debe al hecho de que 1 gramo de grasa durante la división proporciona 38,9 kJ de energía, mucho más que otras sustancias orgánicas, proteínas y carbohidratos. Además, durante la oxidación de 1 g de grasa, se liberan casi 1,1 g. agua. Es por eso que algunos animales, al tener un suministro de grasa en su cuerpo, pueden estar sin agua durante mucho tiempo. Por ejemplo, las tuzas pueden hibernar durante más de dos meses sin necesidad de agua, y un camello no bebe agua cuando cruza el desierto durante 10 a 12 días.
La función de construcción de los lípidos es que son una parte integral de las membranas celulares y también son parte de los nervios. La función protectora de los lípidos es que una capa de grasa debajo de la piel alrededor de los riñones y otros órganos internos los protege de lesiones mecánicas. Una función específica de aislamiento térmico es inherente a los animales que están en el agua durante mucho tiempo: ballenas, focas, lobos marinos. Una gruesa capa de grasa subcutánea, por ejemplo, en una ballena azul es de 0,5 m, protege al animal de la hipotermia.
La importancia del oxígeno en el metabolismo celular
Los organismos aeróbicos, que incluyen la gran mayoría de los animales, las plantas y los seres humanos, utilizan el oxígeno atmosférico para las reacciones del metabolismo energético,lo que lleva a la descomposición de sustancias orgánicas y la liberación de una cierta cantidad de energía acumulada en forma de moléculas de ácido trifosfórico de adenosina.
Así, con la oxidación completa de un mol de glucosa, que se produce en las crestas de las mitocondrias, se liberan 2800 kJ de energía, de los cuales 1596 kJ (55%) se almacenan en forma de moléculas de ATP que contienen macroenergía cautiverio. Por lo tanto, la función principal del oxígeno en la célula es la implementación de la respiración aeróbica, que se basa en un grupo de reacciones enzimáticas de la llamada cadena respiratoria, que ocurren en los orgánulos celulares: las mitocondrias. En los organismos procarióticos (bacterias fototróficas y cianobacterias), la oxidación de los nutrientes se produce bajo la acción del oxígeno que se difunde en las células en las excrecencias internas de las membranas plasmáticas.
Estudiamos la organización química de las células, así como los procesos de biosíntesis de proteínas y la función del oxígeno en el metabolismo energético celular.
