Compoziția chimică a celulei
Studiază substanțele anorganice și organice care intră în alcătuirea celulelor vii.
Bacalaureat
Apa și sărurile minerale
Celula este alcătuită din substanțe anorganice (apa și sărurile minerale) și substanțe organice (glucide, lipide, proteine, acizi nucleici). Distincția e prima întrebare posibilă: organic = conține carbon legat de hidrogen; apa, deși vitală, e ANORGANICĂ.
Apa este cel mai abundent component al materiei vii — în medie 60–80% din masa celulei. Procentul variază cu vârsta (embrionul are peste 90%, țesuturile îmbătrânite mai puțin) și cu intensitatea activității metabolice: cu cât un țesut e mai activ (creier, mușchi), cu atât conține mai multă apă; sămânța uscată, aflată în viață latentă, coboară la 10–15%.
Rolurile apei, toate derivate din structura ei de dipol:
- solvent universal – majoritatea reacțiilor celulare au loc în soluție apoasă;
- mediu de transport al substanțelor;
- participant direct la reacții (hidroliză, fotosinteză);
- termoreglare – apa are căldură specifică mare, deci amortizează variațiile de temperatură; evaporarea ei răcește organismul.
Sărurile minerale se găsesc dizolvate (sub formă de ioni: Na+, K+, Ca2+, Mg2+, Cl-, HCO3-) sau ca depozite solide (fosfat de calciu în oase). Ionii mențin presiunea osmotică și pH-ul, intră în compoziția unor molecule (Mg2+ în clorofilă, Fe2+ în hemoglobină) și condiționează excitabilitatea (Na+, K+, Ca2+).
Glucidele
Glucidele (zaharuri, hidrați de carbon) sunt substanțe organice alcătuite din C, H și O, cu rol în principal energetic. Se clasifică după complexitate:
- Monozaharide – zaharuri simple, nedecompozabile prin hidroliză: glucoza și fructoza (hexoze, C6H12O6), riboza și dezoxiriboza (pentoze, componentele acizilor nucleici). Glucoza este combustibilul principal al celulei — din oxidarea ei completă rezultă energia stocată în ATP.
- Dizaharide – două monozaharide legate: zaharoza (glucoză + fructoză; zahărul din sfecla și trestia de zahăr), maltoza (glucoză + glucoză), lactoza (glucoză + galactoză; zahărul din lapte).
- Polizaharide – lanțuri lungi de sute-mii de monozaharide: amidonul (rezerva plantelor), glicogenul (rezerva animalelor, depozitat în ficat și mușchi), celuloza (rol STRUCTURAL: peretele celular vegetal).
Capcana de examen e perechea amidon–glicogen: ambele sunt polimeri de glucoză cu rol de rezervă, dar amidonul e VEGETAL, glicogenul e ANIMAL. A doua capcană: celuloza nu e substanță de rezervă, ci de structură — omul nici nu o poate digera, lipsindu-i enzima necesară.
De reținut și chitina — polizaharid azotat din peretele celular al fungilor și din exoscheletul artropodelor.
Lipidele
Lipidele (grăsimile) sunt substanțe organice insolubile în apă (hidrofobe), dar solubile în solvenți organici. Chimic, cele mai comune sunt esteri ai glicerolului cu acizi grași.
Categorii importante:
- Trigliceridele (lipide simple) – glicerol + trei acizi grași; forma principală de depozit energetic. Un gram de lipide eliberează prin oxidare cca 9,3 kcal — mai mult de dublul glucidelor (4,1 kcal/g); de aceea organismele depozitează energie pe termen lung ca grăsime, nu ca glicogen.
- Fosfolipidele – conțin o grupare fosfat; sunt molecule amfifile (cap hidrofil + cozi hidrofobe), proprietate care le face să se așeze spontan în strat dublu — scheletul tuturor membranelor celulare. Este cea mai importantă legătură cu capitolul despre celulă.
- Steroizii – structură ciclică; reprezentant-cheie: colesterolul, component al membranelor animale și precursor al hormonilor sexuali (testosteron, estrogeni) și al vitaminei D.
Rolurile lipidelor: rezervă energetică, rol structural (membrane), protecție mecanică (grăsimea din jurul organelor), izolare termică (stratul subcutanat), sursă de apă metabolică la animalele de deșert.
Greșeala clasică: „lipidele au doar rol energetic”. Fals — fosfolipidele și colesterolul au rol structural fundamental; fără ele nu ar exista membrane celulare.
Proteinele
Proteinele sunt macromolecule formate din lanțuri de aminoacizi legați prin legături peptidice. În proteinele organismelor intră 20 de tipuri de aminoacizi; ordinea lor în lanț (structura primară) e dictată de informația din ADN și determină forma și funcția proteinei.
Niveluri de organizare:
- structura primară – secvența aminoacizilor;
- structura secundară – spiralarea sau plierea locală a lanțului;
- structura terțiară – forma tridimensională globală a unui lanț;
- structura cuaternară – asocierea mai multor lanțuri (hemoglobina are patru).
Denaturarea = pierderea structurii spațiale (și deci a funcției) sub acțiunea temperaturii ridicate, a pH-ului extrem sau a unor substanțe; albușul care se albește la fiert e o denaturare ireversibilă.
Funcțiile proteinelor — cele mai diverse dintre toate biomoleculele:
- enzimatică – enzimele sunt catalizatori biologici: grăbesc reacțiile fără a se consuma, acționează specific (fiecare enzimă, un substrat) și sunt sensibile la temperatură și pH;
- structurală – colagenul (țesut conjunctiv), keratina (păr, unghii);
- de transport – hemoglobina (O2);
- de apărare – anticorpii;
- hormonală – insulina;
- contractilă – actina și miozina din mușchi.
De reținut: proteinele NU sunt sursa de energie preferată a celulei — sunt folosite drept combustibil doar în lipsa glucidelor și lipidelor.
Acizii nucleici
Acizii nucleici — ADN și ARN — sunt macromoleculele care păstrează și transmit informația ereditară. Unitatea lor structurală este nucleotida, formată din trei componente: o bază azotată + un zahar (pentoză) + un radical fosfat.
ADN (acidul dezoxiribonucleic):
- pentoza este dezoxiriboza;
- bazele azotate: adenina, guanina, citozina, timina (A, G, C, T);
- structură bicatenară — două lanțuri răsucite în dublu helix (modelul Watson–Crick);
- cele două catene sunt complementare: A se leagă mereu cu T (prin 2 legături de hidrogen), G cu C (prin 3 legături); din complementaritate decurge regula de calcul cerută la examen: dacă o catenă are secvența A-T-G-C, catena opusă are obligatoriu T-A-C-G;
- rol: depozitarea informației genetice; se găsește în nucleu (și, puțin, în mitocondrii și cloroplaste).
ARN (acidul ribonucleic):
- pentoza este riboza;
- în locul timinei apare uracilul (A, G, C, U) — diferența-fanion între cei doi acizi;
- structură de regulă monocatenară;
- tipuri: ARN mesager (copiază informația unei gene), ARN de transport (aduce aminoacizii la ribozom), ARN ribozomal (intră în structura ribozomilor) — toate colaborează la sinteza proteinelor.
Capcana de punctaj: timina e exclusiv în ADN, uracilul exclusiv în ARN; cine le inversează pierde întrebarea întreagă.
De reținut
- substanțe anorganice ale celulei
- apa și sărurile minerale — componente fără schelet de carbon-hidrogen, esențiale ca solvent, mediu de reacție și surse de ioni
- monozaharide
- glucide simple, nedecompozabile prin hidroliză, precum glucoza, fructoza, riboza și dezoxiriboza
- glicogen
- polizaharid de rezervă al organismelor animale, depozitat în ficat și în mușchi
- celuloză
- polizaharid cu rol structural, componentul principal al peretelui celular vegetal
- fosfolipide
- lipide amfifile cu cap hidrofil și cozi hidrofobe, care formează stratul dublu al membranelor celulare
- legătură peptidică
- legătura chimică prin care se unesc aminoacizii în lanțurile proteice
- enzimă
- proteină cu rol de catalizator biologic: grăbește o reacție chimică specifică fără a se consuma în timpul ei
- denaturare
- pierderea structurii spațiale și a funcției unei proteine sub acțiunea temperaturii ridicate, a pH-ului extrem sau a unor agenți chimici
- nucleotidă
- unitatea structurală a acizilor nucleici, formată dintr-o bază azotată, o pentoză și un radical fosfat
- complementaritatea bazelor
- regula de împerechere din ADN: adenina se leagă cu timina prin două legături de hidrogen, guanina cu citozina prin trei
Greșeli frecvente
Greșit: Apa e trecută la substanțele organice pentru că e esențială vieții
Corect: Apa este substanță anorganică; organic înseamnă schelet de carbon legat de hidrogen, nu importanță biologică
Greșit: Amidonul ar fi rezerva animalelor și glicogenul rezerva plantelor
Corect: Exact invers: amidonul este polizaharidul de rezervă al plantelor, glicogenul al animalelor (ficat, mușchi)
Greșit: Timina și uracilul sunt folosite la întâmplare pentru ADN și ARN
Corect: Timina apare exclusiv în ADN, uracilul exclusiv în ARN; în ARN adenina se împerechează cu uracil
Greșit: Enzimele s-ar consuma în reacțiile pe care le catalizează
Corect: Enzimele nu se consumă și nu se transformă în produși; ies din reacție neschimbate și pot cataliza noi cicluri
Greșit: A-G și C-T sunt date ca perechi complementare în ADN
Corect: Perechile corecte sunt A-T (două legături de hidrogen) și G-C (trei legături); A și G sunt ambele purine și nu se împerechează între ele
Test — 6 întrebări ca la examen
1. Cel mai abundent component chimic al celulei vii este:
- proteinele
- apa
- lipidele
- glucidele
Vezi răspunsul
apa. Apa reprezintă în medie 60–80% din masa celulei. Proteinele sunt cel mai abundent component ORGANIC — nuanța pe care mizează distractorul — dar rămân sub apă la procent din masa totală.
2. Polizaharidul de rezervă depozitat în ficatul și mușchii animalelor este:
- amidonul
- celuloza
- glicogenul
- zaharoza
Vezi răspunsul
glicogenul. Glicogenul este rezerva glucidică animală. Amidonul — distractorul clasic — are același rol, dar la plante; celuloza e structurală, iar zaharoza e dizaharid, nu polizaharid.
3. Proprietatea fosfolipidelor care le face să formeze membrane este:
- solubilitatea completă în apă
- caracterul amfifil: cap hidrofil și cozi hidrofobe
- conținutul ridicat de energie
- prezența azotului în moleculă
Vezi răspunsul
caracterul amfifil: cap hidrofil și cozi hidrofobe. Capul hidrofil se orientează spre apă, cozile hidrofobe fug de ea — așa se formează spontan stratul dublu al membranelor. Conținutul energetic mare e o proprietate a trigliceridelor de depozit, nu explicația organizării în membrane.
4. Denaturarea unei proteine înseamnă:
- ruperea legăturilor peptidice în aminoacizi liberi
- pierderea structurii spațiale și a funcției, sub acțiunea căldurii sau a pH-ului extrem
- sinteza unei catene noi de aminoacizi
- legarea proteinei de o moleculă de glucoză
Vezi răspunsul
pierderea structurii spațiale și a funcției, sub acțiunea căldurii sau a pH-ului extrem. Denaturarea desface structura spațială (secundară, terțiară), dar lanțul de aminoacizi rămâne întreg. Prima variantă descrie hidroliza — descompunerea completă — care e alt proces; confuzia denaturare/hidroliză e frecventă.
5. O catenă de ADN are secvența A-G-G-T-C. Catena complementară este:
- T-C-C-A-G
- U-C-C-A-G
- T-C-C-U-G
- A-G-G-T-C
Vezi răspunsul
T-C-C-A-G. În ADN, A se împerechează cu T și G cu C, deci A-G-G-T-C dă T-C-C-A-G. Varianta cu U e capcana: uracilul există doar în ARN, nu poate apărea într-o catenă de ADN.
6. Deosebirea corectă dintre ADN și ARN este:
- ADN conține riboză, ARN conține dezoxiriboză
- ADN este de regulă monocatenar, ARN bicatenar
- ADN conține timină, ARN conține uracil
- ADN participă direct la sinteza proteinelor la ribozom, ARN doar stochează informația
Vezi răspunsul
ADN conține timină, ARN conține uracil. Diferența de baze azotate e corectă: timina doar în ADN, uracilul doar în ARN. Celelalte variante inversează sistematic proprietățile: pentozele sunt pe dos, structura la fel, iar rolurile sunt schimbate între ele — ADN stochează, ARN execută sinteza.