Organizarea structural-functionala a materiei vii

1. Organizarea structurala a

organismului animal

Organismul animal al metazoarelor (pluricelulare) este format dintr-un numar mare de celule. Bunaoara, organismul uman dispune de aproximativ 1 x 10¹⁷ celule, grupate in numeroase tipuri si subtipuri. Celulele cu aceeasi origine, impreuna cu produsii lor, formeaza tesuturi. Acestea, la randul lor, sunt integrate in moduri specifice, formand organe. Si acestea sunt integrate in sisteme si mai complexe, mai elaborate care formeaza tracturi si sisteme. Treapta cea mai inalta de organizare pe plan biologic este organismul intreg, un vast agregat format din miliarde de unitati celulare semiautomate.

Bolile, indiferent de nivelul la care se manifesta, isi au originea in celule si afecteaza celulele. Savantul E. Palade afirma "bolile sunt bazic rezultatul malfunctiei celulare cumulate".

Organizarea functionala moleculara a

materiei vii

Materia vie a aparut pe Pamant din materia nevie, anorganica printr-un proces de evolutie foarte indelungat, ale carei verigi nu sunt pe deplin cunoscute.

Organizarea materiei vii este obiect al fiziologiei numai in masura in care elementele de organizare contribuie nemijlocit la explicarea functiilor.

Compozitia elementara a materiei vii

Analiza elementara a materiei vii ofera extrem de putine date pentru explicarea manifestarilor caracteristice vietii, dar aceasta metoda, combinata cu analize din ce in ce mai fine, permite intelegerea unora dintre manifestarile functionale fundamentale ale vietii. Situatia principalelor elemente chimice din organismele animale este redata in tabelul nr. 1.

Tabelul nr. 1.

Compozitia chimica elementara a organismelor animale

Elementele chimice care intra in compozitia materiei vii, in cazul de fata a organismelor animale au anumite proprietati comune. Cele mai importante sunt: a) se gasesc raspandite in scoarta pamantului, mai ales dizolvate in apa, ceea ce faciliteaza includerea lor in structurile vii; b) au greutate atomica mica, apropiata de greutatea moleculara a apei, ceea ce permite deplasarea cu usurinta a animalelor in apa, pe uscat si in aer; c) se afla in stare gazoasa si dau saruri organice foarte solubile (nitrati, bicarbonati etc.) ce faciliteaza includerea lor in structurile vii, aflate in permanenta autoinnoire; d) C, H, O si N, reprezinta 95 % din materia vie uscata si are conductibilitate calorica si electrica redusa, asigurand realizarea unor proprietati importante ale vietuitoarelor, ca si centre de energie potentiala, care limiteaza pierderea acestei energii in mediul de viata.

In organismul viu sunt descrise doua categorii de elemente chimice: elementele plastice sau macroelementele, prezente in cantitati relativ mari si cu contributie semnificativa la constituirea structurilor vii, si microelementele sau oligoelementele, aflate in cantitati extrem de reduse (adesea sub forma de urme), mai ales cu rol catalitic.

Macroelementele celulare. Patru elemente chimice - C, O, H, N - intra in alcatuirea structurilor fundamentale ale organismelor animale in proportie de 95 %. La acestea, se adauga trei elemente electronegative (S, P, Cl) si patru elemente electropozitive (Na, K, Ca, Mg). Impreuna aceste 11 elemente alcatuiesc 99,7 % din biomasa organismelor animale. De aceea, ele sunt cunoscute sub numele de elemente plastice.

Carbonul (C). Ca element tetravalent, participa la formarea scheletului aciclic si ciclic caracteristic substantelor organice. Legaturile sale chimice cu alte elemente inmagazineaza mari cantitati de energie, eliberata si utilizata in procesele de respiratie celulara.

Oxigenul (O₂). Provine din aerul atmosferic prin procesul de respiratie. Absenta oxigenului atmosferic este incompatibila cu mentinerea proceselor oxidarii celulare. Activat de enzime, lantul respirator este principalul acceptor al protonilor, formand apa metabolica si eliberand mari cantitati de energie stocata in legaturile macroergice ale ATP si PC.

Hidrogenul (H₂). Provine din apa si din substantele organice reduse. Reali-zeaza transferul de electroni si formarea puntilor de hidrogen, caracteristice substan-telor organice. Participa la procesele oxidatiei biologice si se implica in mentinerea echilibrului acido-bazic, la sinteza HCl, la schimbarile ionice membranare etc.

Azotul (N₂). Introdus prin combinatiile azotate organice, participa la realizarea structurii proteinelor, dar si a altor componente organice.

Sulful (S). Este transferat de la plante, care il preiau din sol. Prezenta sa conditioneaza formarea aminoacizilor cu sulf (metionina, cistina, cisteina), iar puntile disulfidice (-S-S-) asigura rigiditate polimerilor organici (fibrina), si, alaturi de grupurile SH, asigura structura tertiara a proteinelor. Mai participa la formarea unor glucide complexe, precum si la procesele de detoxifiere hepatica prin sulfoconjugare.

Fosforul (P). Joaca rol esential in energetica celulara, contribuind la formarea legaturilor macroergice din ATP si PC. Fosfatii de calciu dau rigiditatea caracteristica scheletului. In forme circulante, reprezinta o importanta capacitate tampon in menti-nerea echilibrului acido-bazic din mediul intern. Compusii cu fosfor (fosfolipidele, fosfoproteinele) sunt componenti esentiali ai membranelor si a altor structuri intracelulare.

Calciul (Ca). Majoritatea calciului (99 %) se gaseste in structura scheletului, iar restul este ionizat sau legat de proteine. Ionii de calciu au rol in stabilizarea membranelor celulare si lizozomiale, in cuplarea excitatiei cu contractia sau cu secretia, la fagocitoza, coagulare etc.

Clorul (Cl₂). Este asigurat prin aportul alimentar. Participa la mentinerea potentialului de repaus al membranei si la echilibrul hidro-osmotic.

Sodiul (Na). Provine din aportul alimentar. Este repartizat inegal de o parte si de alta a membranei celulare (intracelular 10 m Eq/l; extracelular 142 mEq/l), aspect mentinut prin permeabilitatea selectiva a membranei si prin mecanismele de transport activ). Aceasta inegala repartitie contribuie la aparitia potentialului de repaus transmembranar. In fine, influxul de sodiu in momentul stimularii este responsabil de depolarizarea membranara si de declansarea potentialului de actiune.

Potasiul (K). Este principalul cation intracelular (cca. 98 %). Asigura presiunea osmotica intracelulara, participand, totodata, la mentinerea potentialului de repaus, a excitabilitatii celulare si la repolarizarea din cursul potentialului de actiune.

Magneziul (Mg). Contribuie la echilibrul osmotic intracelular si actioneaza, adesea ca antagonist competitiv al calciului si ca activator enzimatic.

Oligoelementele celulare. Desi reprezinta mai putin de 0,1 % (in corpul uman circa 150 g, adica 0,25 % din greutatea acestuia), ele joaca un rol covarsitor in manifestatiile functionale ale vietii. Din acest motiv, ele sunt denumite elemente esentiale. Prezenta lor este obligatorie pentru majoritatea sistemelor biocatalitice (enzimatice), reprezentand grupari active ale unor enzime, a proteinelor transportatoare de oxigen, a unor hormoni si vitamine. Carenta lor provoaca tulburari grave cu consecinte adesea fatale pentru organism.

Din aceasta categorie de elemente chimice fac parte: Fe, Cu, Co, Mn/Zn, F, St, Cr etc.

Fierul (Fe). Reprezentat prin cele 5 g din organismul uman, fierul conditioneaza procesele vitale, cum ar fi transportul gazelor (hemoglobina) sau eliberarea energiei din lanturile respiratorii (citocromii).

Cuprul (Cu). faciliteaza absorbtia si utilizarea fierului si participa la procesele de transport si de utilizare energo-eliberatoare ale oxigenului.

Cobaltul (Co). In ficat, participa la sinteza vitaminei B₁₂, cu rol in hematopoeza, neurotroficitate, cresterea si regenerarea tisulara.

Manganul (Mn). Este un activator a numeroase sisteme enzimatice si favorizeaza utilizarea vitaminei B₁

Iodul (I₂). Conditioneaza sinteza si activitatea hormonilor tiroidieni.

Fluorul (F). Se depoziteaza in dentina si oase, prevenind caria dentara.

Nichelul (Ni). Favorizeaza hemotopoeza si functionarea sistemelor contractile

Cromul (Cr). Implicat in hematopoeza si biosinteza acizilor grasi si colesterolului.

Bromul (Br). Participa la procesele de excitatie si inhibitie nervoasa.

Siliciul (Si). Are actiune cu rol fibroplastic.

Compusii anorganici si organici ai materiei vii

Elementele chimice se combina complex, formand substante anorganice si organice caracteristice materiei vii.

Organismul uman adult este alcatuit din: apa (60 %), proteine (15 %), lipide (14 %), glucide (15 %) si saruri minerale (5 %), dar proportia acestor substante difera de la un teritoriu al organismului la altul.

Substantele anorganice. Cele mai importante sunt apa si sarurile minerale.

Apa. Este o componenta principala a materiei vii care realizeaza majoritatea mediului intern ce asigura protectia si homeostazia.

Apa are anumite proprietati fizico-chimice care explica rolul ei in economia sistemelor vii. Astfel, datorita dispunerii oxigenului si hidrogenului in triunghi, apa se comporta ca un dipol electric, interactionand usor cu substante hidrofile, formand un strat apos la suprafata acestora, ce le determina atat solvirea cat mai ales configuratia spatiala. Aceasta natura polara a moleculelor de apa favorizeaza formarea si desfacerea rapida a legaturilor de hidrogen slabe, determinand, in functie de temperatura, aranjamente spatiale diferite. Datorita disocierii simetrice si cu usurinta in protoni si ioni de hidrogen, apa capata un caracter neutru, reprezentand un mediu extrem de favorabil desfasurarii reactiilor biochimice din organism. Are o tensiune superficiala mare, ceea ce ii confera un rol biochimic (favorizeaza fixarea substratului pe suprafata moleculei enzimatice) si reologic (influenteaza circulatia sangelui). Apa pura are o rezistenta electrica mare, comportandu-se ca un dielectric perfect, dar solutiile apoase ce formeaza organismele vii sunt foarte bune conducatoare de electricitate.

Proprietatile termice ale apei din organism explica rolul ei in termoreglare. Ea inmagazineaza mari cantitati de energie termica care este transportata spre zonele de eliminare, facand posibila uniformizarea temperaturii corpului. Pentru ca se cedeaza prin evaporare (transpiratie), apa este principalul transportor si disipator al caldurii produse in organism, impiedicand aparitia hipotermiei.

Sarurile minerale. Acestea au o mare importanta sub forma electrolitica, disociata. Repartitia electrolitilor difera de la un compartiment la altul al corpului. Asa cum deja am vazut, in mediul extracelular domina cationul Na⁺, iar dintre anioni Cl^- si CO₃H^-, pe cand intracelular cationul K⁺ si anionul PO₄^3-, precum si anionii organici cu molecula mare.

Substantele organice. Sunt reprezentate de glucide, lipide si proteine, fiecare cu roluri biologice importante in organism.

Glucidele. Sunt substante ternare, complexe cu formula generala C_n(H₂O)_n. In organismul animal, ele au o importanta primordial energetica, fiind substratul metabolic pe seama caruia se elibereaza rapid energia chimica potentiala, continuta in molecula lor: 1 g glucide circa 4,1 Kcal. Glucidele alimentare ingerate (amidon, glicogen) sunt hidrolizate in intestin pana la forme solubile in apa (hexoze si pentoze), sub care forma trec din tubul digestiv, pe calea venei porte, in ficat, unde sunt transformate in glucoza, care, pe cale enzimatica, este polimerizata in glicogen - singurul polizaharid animal. Glicogenul hepatic si cel muscular acumuleaza circa 3.00 Kcal. Glucidele mai pot lua nastere in ficat si pe socoteala acizilor grasi si a proteinelor (gluconeogeneza). dar, principalul compus glucidic folosit de organism este glucoza, care are utilizari multiple in organism: o parte este convertita in glicogen, stocat in ficat si muschi, iar majoritatea este oxidata in vederea obtinerii energiei necesare functiilor vitale.

Glucidele au, de asemenea, si roluri structurale (in componenta tesutului cartilaginos) sau functionale (ribozele acizilor nucleici).

Lipidele. Sunt tot substante ternare, dar pot avea in molecula lor si P sau N. In organism, se gasesc sub forma unor combinatii chimice simple (gliceride, steride, ceride) sau complexe (fosfatide, glicolipide si lipoproteine) cu importante roluri structurale si functionale. Astfel, intrand in structura biomembranelor, lipidele confera acestora o serie de caracteristici care contribuie la mentinerea integritatii celulare (permeabilitate selectiva, tensiune superficiala, rigiditate etc.). Ele elibereaza 9,1 Kcal/g, producand, totodata, si importante cantitati de corpi cetonici acidifianti. Lipidele mai intervin in desfasurarea a numeroase activitati celulare: rol hormonal (corticosuprarenalieni, sexuali si prostaglandinele) sau de mesager secund intracelular (fosfatidilinozitolul).

In organism, lipidele se gasesc sub trei forme: lipidele de constitutie sunt combinatii lipoproteice din membrane, citoplasma si nucleul celular; lipidele de circulatie, care din intestin sunt conduse spre tesuturi pe cale limfatica, de unde limfa, continand grasimi, ajunge in circulatia sangvina. Trigliceridele greu solubile in mediul apos al sangelui, circula sub forma unor particule microscopice numite kilomicromi, transformate in ficat in glicerofosfatide sau in lipoproteine, solubile in mediul apos al sangelui, fiind astfel transportate spre tesuturi, unde sunt utilizate ca material plastic, ca material energetic sau sunt depozitate ca lipide de rezerva. Acestea din urma sunt depozitate sub forma de gliceride in tesutul subcutanat sau in jurul organelor. Depozitele sunt mai bogate la femei decat la barbati. Tesutul adipos reprezinta un depozit energetic de 50.000-90.000 Kcal. Lipidele de rezerva sunt principala forma de depozitare a energiei chimice in organismul animal. Ele reprezinta o incarcatura mecanica pentru organism numai cand acesta se afla in exces (obezi). In cantitati moderate are insa un rol activ in procesele de termoreglare, impiedicand pierderea de caldura, datorita conductibilitatii calorice reduse. In cursul inanitiei sunt puternic mobilizate.

Proteinele. Sunt principalii constituenti ai materiei vii, fiind formate din amino-acizi cuplati in structuri ce pot atinge grade de complexitate extrem de inalte. Structura proteinelor se caracterizeaza printr-o riguroasa specificitate, care depinde atat de secventa amino-acida, cat si de configuratia spatiala a moleculei. Specificitatea proteinelor este conditionata genetic sub raportul speciei, avand caracter de organ si caractere individuale in cadrul aceleasi specii. Rezulta, deci, ca fiecare organism sintetizeaza proteinele proprii din diferite organe dupa tiparul inclus in ADN, care transmite informatia ereditara. Totodata, fiecare organism viu dispune de mecanisme enzimatice care asigura degradarea acestor proteine. Caracterul specific al proteinelor ridica o serie de probleme pentru medicina privind terapia cu hormoni si enzime. De aceea, preparatele animale de hormoni sunt inactive la om.

Dupa clasificarea chimica, proteinele sunt reprezentate, in ordinea cresterii complexitatii, prin: aminoacizi, peptide, protide, iar sub aspect functional in proteine structurale si proteine functionale. Proteinele structurale sunt in majoritatea lor fibrilare si formeaza structuri celulare de rezistenta, tensive si elastice. Proteinele functionale pot avea o prezenta temporara (deoarece sunt trecute in sange ca hormoni) sau pot fi permanente (raman in celula de origine unde indeplinesc numeroase roluri: enzime sau nucleoproteine care intra in constitutia genomului ce controleaza sintezele si functiile celulare).

Proteinele au urmatoarele proprietati fizico-chimice, care le confera diferite roluri in biologia organismului: a) greutate moleculara mare, care le impiedica sa traverseze pasiv membranele celulare, jucand un rol deosebit in schimburile hidro-electrolitice dintre diversele compartimente ale corpului; b) caracter amfoteric - datorita prezentei simultane a gruparilor aminice si carboxilice - care le face sa se comporte ca acizi in mediile alcaline si ca baze in mediile acide, dar si sa participe ca sisteme tampon in echilibrul acido-bazic; c) solubilitate diferita, in functie de tipul de proteina si de solvent; d) capacitate de hidratare, datorata interactiunii gruparilor polare cu dipolii apei din mediu, care determina presiunea caloid-osmotica a compartimentului lichid in care se afla proteina, ce reprezinta un factor important in directionarea fluxurilor de apa dintre diverse compartimente ale mediului intern; e) activitatea optica, adica capacitatea de a devia planul luminii polarizate, datorita prezentei carbonului asimetric din molecula proteica, fiind optic active si levogire.

Sinteza proteinelor. Are loc la nivelul ribozomilor, iar reactia-cheie este formarea legaturii peptidice intre doi aminoacizi (fig. nr. 1.).

Fig. nr. 1. - Formarea legaturii peptidice

Pe langa aminoacizi, la sinteza mai participa ARN ribozomial (ARN_r), ARN mesager (ARN_m), format in nucleu, si ARN de transfer (ARN_t) citoplasmatic, precum si factori de suport, ca enzimele de activare a aminoacizilor, factori de initiere, de transfer si terminare. Informatia necesara sintezei unei anumite proteine este stocata la nivelul genei structurale specifice, sub forma codificata a secventei bazelor purinice si pirimidimice din structura moleculei de ADN. Fiecarui aminoacid ii corespunde o grupare caracteristica de 3 baze (codon). Prin procesul de transcriptie, codul este transferat moleculei de ARN_m, care sintetizata in nucleu, este ulterior trecuta in citoplasma, actionand la nivelul ribozomilor. In acest proces, fiecare secventa din ADN este transferata intr-o secventa corespunzatoare de ARN_m. In acelasi timp, in citoplasma se activeaza aminoacidul, in prezenta ATP, formandu-se astfel complexul ARN_t - aminoacid activat, care este transportat la nivelul ribozomilor, unde are loc sinteza proteinelor (fig. nr. ).

Fig. nr. - Mecanismul general de sinteza a proteinelor

Reglarea sintezei proteinelor se realizeaza prin doua procese de sens contrar, denumite blocaj prin produsul final si activarea (inductia) prin substrat, reprezentate in fig. nr. 3.

Fig. nr. 3. - Autoreglarea intracelulara a sintezei de proteine

Proteinele introduse in organism urmeaza mai multe cai metabolice (fig. nr. 4.), iar catabolitii sunt eliminati in mediul extern.

Fig. nr. 4. - Reprezentarea schematica a metabolismului proteinelor si aminoacizilor