21.3: Química da Célula

A célula é composta quimicamente por água, moléculas orgânicas e iões inorgânicos.

Água

A polaridade da molécula de água e a sua ligação de hidrogénio resultante fazem da água uma substância única com propriedades especiais que estão intimamente ligadas aos processos de vida. A vida evoluiu originalmente em um ambiente aquoso, e a maioria da química e metabolismo celulares de um organismo ocorrem dentro do conteúdo aquoso do citoplasma da célula. Propriedades especiais da água são a sua alta capacidade térmica e calor de vaporização, a sua capacidade de dissolver moléculas polares, as suas propriedades de coesão e adesão, e a sua dissociação em iões que levam à base do pH. Compreender essas características da água ajuda a elucidar a sua importância na manutenção da vida.

Uma das propriedades importantes da água é que é uma molécula polar: o hidrogénio e o oxigénio dentro das moléculas de água (H₂O) formam ligações covalentes polares. Embora não haja carga líquida para uma molécula de água, a polaridade da água cria uma carga ligeiramente positiva sobre o hidrogénio e uma carga ligeiramente negativa sobre o oxigénio, contribuindo para as propriedades de atração da água. A água gera cargas porque o oxigénio é mais eletronegativo do que hidrogénio, tornando mais provável que um eletrão partilhado esteja perto do núcleo de oxigénio do que do núcleo de hidrogénio, gerando assim a carga negativa parcial junto ao oxigénio.

Como resultado da polaridade da água, cada molécula de água atrai outras moléculas de água devido às cargas opostas entre moléculas de água, formando ligações de hidrogénio. A água também atrai ou é atraída por outras moléculas e iões polares. Uma substância polar que interage prontamente com ou se dissolve na água é hidrofílica. Em contraste, moléculas não polares como óleos e gorduras não interagem bem com a água. Estes compostos não polares são hidrofóbicos.

Moléculas orgânicas

As proteínas, os carboidratos, os ácidos nucleicos, e os lípidos são as quatro classes principais de macromoléculas biológicas—moléculas grandes necessárias para a vida que são construídas a partir de moléculas orgânicas menores. As macromoléculas são compostas por unidades individuais que os cientistas chamam monómeros, que são unidos por ligações covalentes para formar polímeros maiores. O polímero é mais do que a soma das suas partes: adquire novas características e leva a uma pressão osmótica muito menor do que a formada pelos seus ingredientes. Esta é uma vantagem importante na manutenção das condições osmóticas das células. Um monómero une-se a outro monómero com libertação de molécula de água, levando à formação de uma ligação covalente. Os cientistas chamam estas reações de desidratação ou de condensação. Quando os polímeros se quebram em unidades mais pequenas (monómeros), utilizam uma molécula de água por cada ligação quebrada por estas reações. Tais reações são reações de hidrólise. As reações de desidratação e hidrólise são semelhantes para todas as macromoléculas, mas cada reação de monómero e polímero é específica da sua classe. As reações de desidratação requerem normalmente um investimento de energia para a formação de novas ligações, enquanto que as reações de hidrólise libertam normalmente energia ao quebrar ligações.

Carboidratos Os carboidratos são um grupo de macromoléculas que são uma fonte vital de energia para a célula e fornecem apoio estrutural às células vegetais, fungos, e todos os artrópodes que incluem lagostas, caranguejos, camarões, insectos, e aranhas. Os carboidratos podem ser classificados em monossacarídeos, dissacarídeos, e polissacarídeos. O armazenamento de glicose, na forma de polímeros como o amido ou o glicogénio, torna-a ligeiramente menos acessível para o metabolismo; no entanto, isto evita que saia da célula ou crie uma pressão osmótica elevada que poderia fazer com que a célula absorvesse água em excesso.

Proteínas As proteínas são uma classe de macromoléculas que desempenham uma gama diversificada de funções para a célula. Eles ajudam no metabolismo agindo como enzimas, transportadores, ou hormonas e fornecem apoio estrutural. Os blocos de construção das proteínas são aminoácidos.

Lípidos Os lípidos são uma classe de macromoléculas que são não polares e hidrofóbicas na natureza. Os tipos principais incluem gorduras e óleos, ceras, fosfolípidos, e esteróides. As gorduras são uma forma armazenada de energia e são conhecidas também como triacilgliceróis ou triglicerídeos. O colesterol é um tipo de esteróide e é um importante constituinte da membrana plasmática, onde ajuda a manter a natureza fluida da membrana.

Ácidos nucleicos Os ácidos nucleicos são moléculas compostas por nucleótidos que guiam atividades celulares, tais como a divisão celular e a síntese de proteínas. Existem dois tipos de ácidos nucleicos: DNA e RNA. O DNA carrega a planta genética da célula e passa-a de pais para filhos. O RNA está envolvido na síntese de proteínas e na sua regulação.

Iões inorgânicos

Os iões inorgânicos constituem menos de 1% da massa da célula, mas são críticos para a função celular. Os encontrados em uma célula incluem sódio, potássio, magnésio, cálcio, fosfato, e cloro.

Este texto foi adaptado de Openstax, Biology 2e, Unit 1: The Chemistry of Life.

As células são os blocos do edifício básico dos organismos vivos. São compostos na sua maioria por água, moléculas orgânicas, e íons inorgânicos. A água compõe em torno de 70%da célula.

Este ambiente aquoso no citoplasma é essencial para a estrutura da célula e para muitas das reações que ocorrem no seu interior. A água é uma molécula polar, de modo a interagir com outras moléculas polares e íons na célula mas não com os não-polares. O ambiente hidrofílico do citoplasma promove a formação de proteínas"estruturas tridimensionais, com aminoácidos não polares no núcleo e polar os que se encontram à superfície.

No caso da formação de membranas, grupos de cabeças polares de fosfolipídios interagem com a água. Em contrapartida, a as caudas não polares interagem umas com as outras criando uma barreira hidrofóbica para o exterior da célula. O pH dos líquidos biológicos na célula e os seus compartimentos são precisamente tapados.

O pH do citoplasma é cerca de 7, 2 e é regulado por moléculas como os íons de fosfato. Em contraste, o pH nos lisossomos, compartimentos celulares especializados, é de cerca de 5. Isto é porque os lisossomos contêm enzimas que funcionam de forma ideal em ambientes ácidos.

As moléculas orgânicas na célula incluem carboidratos, proteínas, lipídios e nucleotídeos. Todas estas várias macromoléculas têm uma variedade de funções. Os hidratos de carbono são uma fonte primária de energia para alimentar os vários processos metabólicos;no entanto, a célula pode decompor-se em proteínas e lipídios para combustível também.

As proteínas podem ser enzimas que catalisam reações, ou podem contribuir para a estrutura celular. Os lipídios são um importante componente das membranas celulares. Além disso, estas macromoléculas podem covalentemente unir-se uns aos outros para formarem conjugados, tal como glicoproteínas e glicolipídios, frequentemente encontrados nas membranas celulares.

Os nucleotídeos servem como material genético e também se associarem com proteínas para formar nucleoproteínas que apertam o ADN numa célula. O ATP nucleotídeo é também a fonte de energia para muitos processos celulares. Os íons inorgânicos críticos para a função celular incluem sódio, potássio, magnésio, cálcio, fosfato, e cloreto.

Embora estes íons constituam menos de 1%da massa celular, têm diversas funções na célula. Por exemplo, os íons como o cálcio são utilizados para os sinais de retransmissão biológica de uma célula, enquanto o magnésio é essencial para a atividade catalítica de muitas enzimas.