UNIVERSITATEA ALEXANDRU IOAN CUZA IAI FACULTATEA DE BIOLOGIESpecializarea ECOLOGIE I PROTECIA MEDIULUINVMNT LA DISTAN

TITULAR DISCIPLIN ef lucr.dr. Elena CIORNEA

IAI 2009

Date de contact: - coordonator disciplin ef lucr.dr. Elena CIORNEA e.mail: ciornea@uaic.ro - tutore: ef lucr. dr. Elena CIORNEA Propuneri tematice pentru activiti tutoriale: compoziia chimic a lumii vii metabolismul glucidelor metabolismul lipidelor metabolismul proteinelor Obligaiile minime ale studenilor: participarea activ la activitile tutoriale prezena obligatorie la orele de lucrri de laborator Modul de stabilire a notei finale: 25% activitatea de laborator 25% notele obinute la verificrile pe parcurs 50% nota la examen Teme de licen ce pot fi abordate la disciplina BIOCHIMIE: Cinetica reaciilor enzimatice cu un singur substrat Studiul diferitelor principii active din diverse surse de origine animal i vegetal Rolul lipidelor complexe n structura membranelor biologice Utilizarea practic a polizaharidelor Rolul biologic al cromoproteinelor

2

INTRODUCEREFiecare etap a dezvoltrii societii umane s-a caracterizat prin dezvoltarea cu precdere a anumitor domenii caracteristice pentru etapele respective. n ceea ce privete de exemplu pictura, sculptura astronomia etc., umanitatea a aezat la loc de cinste n primul rnd operele Evului mediu n timp ce apariia zorilor capitalismului s-a caracterizat prin dezvoltarea fr precedent a tehnologiilor. n vremurile noastre putem afirma fr a grei c secolul XX a fost secolul fizicii iar secolul XXI va aparine cu siguran dezvoltrii biotehnologiilor. Progresele tehnologice moderne au permis extinderea i aprofundarea studiilor referitoare la diveri constitueni celulari i subcelulari. Noile cuceriri ale biotehnologiei nu sunt ns posibile fr aportul substanial al unor tiine de grani, n marea lor majoritate tinere, cum ar fi biochimia, biofizica, biologia molecular, microbiologia industrial i altele. Biochimia este definit ca fiind tiina ce se ocup cu studiul structurii chimice a organismelor vii, totalitatea reaciilor i transformrilor care au loc n celula vie, reglarea acestora i interdependena permanent cu mediul nconjurtor. Din punctul de vedere al de obiectului de studiu distingem mai multe ramuri ale biochimiei: Biochimie microbian Biochimie vegetal Biochimie animal n ultimul secol, n cadrul biochimiei animalelor, o amploare deosebit a fost nregistrat de biochimia omului, n special biochimia medical sau clinic, dat fiind importana practic imens a acesteia pentru pstrarea sntii omului. n funcie de modul de abordare a problemelor studiate, se disting dou ramuri principale ale biochimiei: Biochimie structural (descriptiv) Biochimie dinamic (biochimia metabolismului) Din punct de vedere istoric, biochimia devine o tiin de sine stttoare n cea de a doua jumtate a secolului al XIX-lea cnd ea s-a desprins din complexul tiinelor chimice i biologice. Locul biochimiei ntre tiinele moderne poate fi considerat unul central. Pe de o parte , dezvoltarea biochimiei nu ar fi fost posibil fr aportul unor tiine clasice cum ar fi biologia, chimia, fizica, matematica etc. Pe de alt parte, realizrile tiinifice ale biochimiei au contribuit i contribuie la dezvoltarea altor tiine i domenii ale activitii umane cum ar fi genetica, fiziologia, medicina, biotehnologia (domeniu nou, deosebit de vast care poate s ofere soluii avantajoase n rezolvarea multor probleme practice de interes major), industria alimentar etc.

3

I. BIOCHIMIA STRUCTURALI.1. Compoziia chimic a organismelor viiOrganismele vii conin aproape toate elementele chimice ntlnite n lumea nevie (moart). Compoziia chimic a organismelor vii este extrem de complex datorit constituiei diferite a compuilor biochimici, precum i datorit proporiei diferite a elementelor chimice ntlnite n lumea vie. n funcie de ponderea i rolul pe care l joac n celula vie, elementele chimice se clasific astfel: a) bioelemente majore (macrobioelemente) care ndeplinesc de regul un rol plastic (structural) gsindu-se n cantiti majore C, H, O, N, P, S, Ca, K, Na etc. b) microelemente care sunt bioelemente ce intr n cantiti foarte mici n constituia vieuitoarelor dar sunt absolut indispensabile vieii B, Al, V, Cr, Mn, Zn, I, Mo, Sr etc. Bioelementele, att cele majore ct i microelementele, se gsesc n cantiti mici i foarte mici n stare liber n organism. n marea lor majoritate ele intr n structura unor substane chimice specifice lumii vii care se numesc biomolecule. n funcie de natura acestora, biomoleculele se mpart n dou clase: a) molecule bioanorganice (apa, srurile minerale) b) molecule bioorganice (glucide, lipide , aminoacizi, peptide, proteine, acizi nucleici, vitamine, hormoni, factori de cretere etc.). I. 1.1. Molecule bioanorganice componenii minerali ai organismelor vii Principalele substane anorganice ntlnite n toate organismele vii sunt reprezentate de ap i sruri minerale. Apa este un constituent absolut indispensabil tuturor organismelor vii, deoarece toate procesele celulare care stau la baza vieii nu pot avea loc n lipsa apei. Chiar i diminuarea mai mult sau mai puin accentuat a coninutului de ap n celule i esuturi determin scderea sau chiar ncetarea funciilor vitale. Coninutul n ap al organismelor vii este extrem de variat, oscilnd ntre 20-30% n semine, tulpinile plantelor lemnoase, esutul osos etc. i 95-98% n frunze, microorganisme, multe esuturi animale etc. Principala funcie a apei n lumea vie o constituie rolul su de mediu de reacie pentru toate procesele biochimice. n acelai timp, apa reprezint mijlocul de transport pentru metabolii (seva plantelor, sngele, urina, lichidul cefalorahidian, limfa etc.) Apa legat este reprezentat de acea cantitate de ap care nconjoar biomoleculele organice i care prezint proprieti diferite. Astfel, aceast ap nu nghea nici chiar la 100oC, fapt ce explic existena formelor de via n condiii extreme cum ar fi zonele polare, ghearii etc. Srurile minerale sunt prezente n toate organismele vii, n diferite proporii. n mediul celular, care este un mediu apos, aceste sruri se gsesc sub form ionizat. Cel mai frecvent se ntlnesc ioni de Na+, K+, Ca2+, Mg2+, NO3, PO43, SO42, Cl etc. I.1.2. Molecule bioorganice I.1.2.1. Aminoacizii uniti structurale de baz ale proteinelor Definiie, structur chimic, rspndire n natur Aminoacizii sunt compui organici cu funciune mixt (conin n molecul o grupare amino NH2 i o grupare carboxilic COOH) i reprezint unitile structurale de baz ale proteinelor. Din cei aproximativ 200 de aminoacizi cunoscui n prezent, un numr de 20 sunt proteinogeni, adic intr n mod curent n structura proteinelor. Din punct de vedere structural, aminoacizii proteinogeni sunt aminoacizi i au formula general:R CH COOH I NH2

Radicalul R poate fi alifatic, aromatic sau heterociclic. n funcie de natura acestui radical, aminoacizii se clasific n 7 clase.

4

1. Acizi monoamino-monocarboxilici. Din aceast clas fac parte 5 aminoacizi proteinogeni cu caten normal sau ramificat: glicina (glicocolul), alanina, valina, leucina i izoleucina:CH 2 COOH I NH 2 Glicocol (Gly) CH 3 CH COOH I NH 2 Alanin (Ala) CH 3 CH CH COOH I I CH 3 NH 2 Valin (Val)CH3 CH2 CH CH COOH I I CH3 NH2 Izoleucin (Ile)

CH3 CH CH 2 CH COOH I I NH2 CH Leucin (Leu)3

2. Hidroxiaminoacizii sunt aminoacizi ce conin n molecula lor, n afara grupelor NH2 i COOH i o grupare alcoolic. Dintre aminoacizii proteinogeni, n aceast grup intr serina i treonina.CH2 CH COOH I I OH NH2 Serin (Ser) CH3 CH CH COOH I I OH NH2 Treonin (Thr)

3. Tioaminoacizii (aminoacizii cu sulf) conin n molecula lor o grupare sulfhidril (SH), alturi de gruprile amino i carboxil. Dintre aminoacizii proteinogeni, n aceast grup intr cisteina i metionina:CH2 CH COOH I I SH NH2 Cistein (Cys) CH2 CH2 CH COOH I I NH2 S I CH3 Metionin (Met)

4. Acizii monoamino-dicarboxilici conin n molecula lor o grupare amino i dou grupe carboxil i au caracter acid. Din aceast clas fac parte acizii glutamic i aspartic. n structura majoritii proteinelor naturale se ntlnesc i amidele acestora (glutamina i respectiv asparagina). Unii autori consider c acestea sunt aminoacizi ca atare (ceea ce nseamn c exist 22 de aminoacizi proteinogeni), iar ali autori le consider ca fiind derivai ai acidului glutamic, respectiv aspartic (i, implicit, consider c exist 20 de aminoacizi proteinogeni):HOOC CH2 CH2 CH COOH I NH2 Acid glutamic (Glu) HOOC CH2 CH COOH I NH2 Acid aspartic (Asp)

O = C CH2 CH2 CH COOH I I NH2 NH2 Glutamina (Gln)

O = C CH2 CH COOH I I NH2 NH2 Asparagina (Asn)

5. Acizii diamino-monocarboxilici, conin n molecul dou grupri amino i au caracter bazic. Ei intr n cantiti mari n structura proteinelor bazice (de exemplu histonele i protaminele), iar n cazul multor enzime bicomponente au rolul de a lega cofactorul enzimatic de apoenzim prin legturi puternice, covalente. De exemplu lizina, prin gruparea sa aminic din poziia poate lega cofactori de tipul biotinei, acidului lipoic, acidului folic etc.:CH2 CH2 CH2 CH2 CH COOH I I NH2 NH2 Lizin (Lys) HN = C NH CH2 CH2 CH2 CH COOH I I NH2 NH2 Arginin (Arg)

6. Aminoacizii aromatici conin n molecula lor un nucleu benzenic. Dintre aminoacizii proteinogeni, din aceast clas fac parte fenilalanina i tirozina, aceasta din urm putnd fi considerat ca un derivat al fenilalaninei (phidroxi-fenilalanina):

5

CH2 CH COOH I NH2 Fenilalanin (Phe)

HO

CH2 CH COOH I NH2 Tirozin (Tyr)

7. Aminoacizii heterociclici conin n molecula lor un heterociclu care este de regul pentaatomic (imidazolic sau pirolic). Din aceast grup fac parte 4 aminoacizi proteinogeni: triptofanul, histidina, prolina i hidroxiprolina: CH2 CH COOH I NH2 CH2 CH COOH I NH2 N Histidin (His)

N H Triptofan (Trp)

HN

HO N H COOH N H COOH

Prolin (Pro)

Hidroxiprolin (ProOH)

n afar de aminoacizii proteinogeni descrii mai sus, care stau la baza structurii catenelor polipeptidice ale proteinelor native, n natur se ntlnesc i ali aminoacizi, att sub form liber ct i n structura unor compui biologic activi. Unii dintre ei ndeplinesc funcii biochimice i fiziologice importante, alii reprezint produi intermediari n unele ci metabolice sau sunt precursori n biosinteza unor substane biologic active. Acidul amino-butiric (GABA) este un important mediator chimic n sistemul nervos i se formeaz n organism prin decarboxilarea enzimatic a acidului glutamic:CO2 HOOC CH CH 2 CH 2 COOH I PALP NH2 Glutamat- -decarboxilaza Acid glutamic CH2 CH 2 CH 2 COOH I NH2 Acid aminobutiric (GABA)

El ndeplinete diferite funcii printre care, cea mai important este cea de mediator chimic de blocare a sinapselor. Ornitina este un aminoacid cu caracter bazic (din clasa acizilor diamino-monocarboxilici) ntlnit n organismele mamiferelor ca produs intermediar al ciclului ureogenetic (ciclul Krebs Henseleit). Sub form liber se ntlnete numai la unele plante:CH2 CH2 CH2 CH COOH I I NH2 NH2 Ornitin

Citrulina este un intermediar al ciclului ureogenetic:

H2N CO NH CH2 CH2 CH2 CH COOH I NH2

Alanina intr n structura unor substane biologic active de mare importan cum ar fi acidul pantotenic. Intr de asemenea n structura carnozinei i anserinei, dipeptide izolate din esutul muscular al mamiferelor:CH2 CH2 COOH I NH2 Alanin

Acidul pamino-benzoic (PAB), considerat cndva n mod greit ca fiind vitamina H, se ntlnete n natur mai ales sub form combinat (el intr de exemplu n structura acidului folic care este vitamina M a crei molecul conine un rest de pteridin, un rest de acid p-aminobenzoic i un rest de acid glutamic):

6

H2N

COOH

Acid p-aminobenzoic

Cu excepia glicocolului, toi aminoacizii conin cel puin un atom de carbon asimetric. Aceasta nseamn c ei prezint izomerie optic. Ca i n cazul monozaharidelor ns, apartenena la seria D sau L nu coincide cu sensul rotirii planului luminii polarizate ci se determin prin compararea configuraiei atomului de carbon chiral al aminoacidului cu configuraia carbonului chiral al aldehidei L-glicerice, respectiv aldehidei D-glicerice:COOH I H2N * C H I R L-aminoacid COOH I H *C NH2 I R D-aminoacid CHO I * HO C H I CH2 OH L-gliceraldehid CHO I *C OH H I CH2 OH D-gliceraldehid

Cu unele excepii, aminoacizii naturali aparin seriei L deoarece organismele vii nu sintetizeaz enzimele necesare metabolizrii D-aminoacizilor. Cu toate acestea, n natur exist aminoacizi aparinnd i seriei D n structura unor antibiotice, n structura componenilor pereilor celulari ai unor bacterii, n celulele canceroase etc. Pentru a evita confuziile ce pot s apar n studiul seriilor D i L i respectiv al seriilor optic active dextrogir (+) i levogir () se recomand folosirea simbolului S (senestrum = stnga) pentru izomerii ce aparin seriei L i respectiv R (rectum = dreapta) pentru izomerii din seria D. Aminoacizii proteinogeni au fost obinui att prin sintez chimic ct i prin hidroliza proteinelor sub forma unor substane cristaline (aspectul geometric al cristalelor fiind specific fiecrui aminoacid), incolore, inodore, stabile la temperatura camerei i cu gust dulce. Punctele de fierbere i de topire ale aminoacizilor sunt relativ ridicate, iar prin nclzire se topesc cu descompunere. n general, aminoacizii sunt solubili n ap ns gradul de solubilitate este diferit de la un aminoacid la altul. Dintre aminoacizii proteinogeni, mai puin solubili n ap sunt cisteina i tirozina n timp ce solubilitatea prolinei i hidroxiprolinei este foarte mare. Ca i n cazul proteinelor, solubilitatea aminoacizilor n ap este influenat de prezena srurilor, majoritatea aminoacizilor dizolvndu-se mai uor n soluii saline dect n ap. I.1.2.2. Peptide Una din principalele proprieti chimice ale aminoacizilor (datorate prezenei ambelor grupe funcionale) o constituie reacia de condensare intermolecular cu formarea unei legturi covalente C N, numit legtur peptidic. Formarea legturilor peptidice are loc in vivo n procesul complex al biosintezei peptidelor i proteinelor. Schematic, formarea unei legturi peptidice poate fi reprezentat astfel:O H 2N CH C I R1 + OH H H N CH NH I R22

H2O

O II H 2N CH C N CH NH I I I R1 H R2

2

O importan deosebit pentru proprietile fizico-chimice i biologice ale peptidelor i proteinelor o joac natura legturii peptidice. Prin msurarea distanelor interatomice ale legturii simple C N i respectiv legturii duble C = O s-a demonstrat faptul c legtura peptidic nu este o legtur covalent simpl. Ea este mai mic dect legtura covalent simpl C N (care este de 1,47 ), dar mai lung dect legtura dubl C = O (care msoar 1,22 ). Acest lucru demonstreaz faptul c legtura peptidic nu este nici simpl, nici dubl, ci are un caracter aparte, de legturi parial dubl. Datorit efectelor electronice, ea oscileaz ntre dou forme extreme (I7

i II), structura real (forma III) fiind dat de repartizarea uniform a electronilor neparticipani ntrun nor electronic ce aparine n egal msur atomilor de O, C i N:O II .... C N .... I H I

II + .... C N .... I H II

O

O I + .... C N .... I H III

Aceast proprietate a legturii peptidice confer acesteia capacitatea de a mpiedica rotirea liber a substituenilor (atomul de oxigen i respectiv cel de azot) n jurul ei, fapt ce face posibil existena teoretic a celor doi izomeri geometrici cis i trans. S-a demonstrat faptul c n peptidele i proteinele naturale, la nivelul legturilor peptidice se ntlnete doar izomeria de tip trans. Studiul peptidelor naturale i de sintez este strns legat de cercetrile privind compoziia chimic a proteinelor i natura chimic a legturilor dintre resturile de aminoacizi ce intr n structura acestora. Dac n primele etape ale dezvoltrii biochimiei proteinelor au fost cercetate n principal natura i proprietile produilor de hidroliz chimic a moleculelor proteice, n ultimul timp se acord o atenie deosebit studiilor privind proprietile peptidelor de sintez i a celor naturale. Peptidele naturale sunt sintetizate de microorganisme, plante i animale i ndeplinesc n organismele vii mai multe funcii: componente structurale (plastice) ale celulelor i esuturilor, transportori de electroni, factori de eliberare a hormonilor, hormoni, toxine, inhibitori naturali ai enzimelor etc. n funcie de numrul resturilor de aminoacizi ce intr n structura lor, peptidele se clasific n dou mari grupe: oligopeptide (ce conin n molecul 2 10 resturi de aminoacizi): dipeptide; tripeptide; tetrapeptide; etc. polipeptide ale cror molecule conin cte un numr mare sau foarte mare de resturi de aminoacizi. Unele peptide naturale ndeplinesc importante funcii biochimice i fiziologice n organismul viu, iar altele manifest aciune farmacodinamic important. Carnozina i anserina se gsesc n esutul muscular al vertebratelor unde funcioneaz ca sisteme tampon, stabilizeaz activitatea unor enzime, influeneaz diferite procese biochimice din muchi etc.H2N CH2 CH2 CO NH CH COOH I CH2 I HN N

CarnozinaH2N CH2 CH2 CO NH CH COOH I CH2 I H3 C N N

Anserina

8

Glutationul este o tripeptid rspndit n majoritatea esuturilor animale i vegetale. Deoarece el poate trece reversibil din forma redus n forma oxidat sub aciunea glutationreductazei, aceast peptid joac un rol extrem de important n procesele de oxidare biologic.HOOC CH CH 2 CH 2 CO NH CH CO NH CH I I NH2 CH2 I SH2

COOH

glutationul

I.1.2.3. Proteine Proteinele sunt substane macromoleculare prezente n celulele tuturor organismelor vii unde reprezint peste 50% din masa uscat a acestora. Proteinele ndeplinesc n organismele vii mai multe funcii biochimice absolut indispensabile tuturor proceselor metabolice i fiziologice. a) Rolul plastic este jucat de proteinele structurale ce reprezint constitueni principali ai membranei celulare, citoplasmei, organitelor subcelulare, umorilor i fluidelor tuturor organismelor vii. b) Rolul energetic este asigurat prin faptul c n urma degradrii lor catabolice se elibereaz o mare cantitate de energie ce se nmagazineaz n legturile macroergice ale moleculelor de ATP, energie ce va fi utilizat n diferite procese vitale (efort fizic i intelectual, procese de biosintez etc.). c) Rolul reglator este ndeplinit de o serie de hormoni cu structur polipeptidic (hormonii reglatori ai hipotalamusului, ai hipofizei, hormonii pancreasului, hormonii paratiroidieni, ai timusului i cei gastrointestinali). d) Rolul de aprare este ndeplinit de proteinele specifice din clasa imunoglobulinelor (anticorpi) care prezint proprieti speciale de a interaciona cu proteinele strine (antigene) n procesul complex de aprare a organismului fa de agenii patogeni din mediul extern. e) Rolul de transport al proteinelor se refer att la transportul activ prin membranele biologice care se efectueaz cu consum energetic, contra gradientului de concentraie al metabolitului transportat, ct i la transportul specific al unor metabolii sau elemente absolut necesare vieii. n acest din urm caz, un exemplu concludent l reprezint hemoglobina al crui rol biologic const n transportul oxigenului de la plmni la nivelul tuturor organelor i esuturilor i a dioxidului de carbon pe calea invers. f) Rol n contracia muscular. Procesul contraciei musculare, care st la baza efortului fizic, este un proces fiziologic i biochimic complex realizat prin consum energetic (cnd se utilizeaz energia nmagazinat n legturile macroergice ale moleculelor de ATP) de ctre o serie de proteine specifice actina i miozina ce formeaz un complex proteic cuaternar cunoscut sub numele de complexul acto-miozinic. g) Rolul catalitic este ndeplinit de ctre enzime care sunt, fr excepie, substane proteice. n afara funciilor enumerate mai sus, proteinele reprezint instrumentul molecular al expresiei informaiei genetice coninute n acidul deoxiribonucleic din cromozomi. De aceea, proteinele sunt componente structurale i funcionale intim legate de procesele vieii, procese ce nu pot i concepute n lipsa substanelor proteice. Clasificarea proteinelor n funcie de structura loc chimic, de rolul pe care l ndeplinesc n organismele vii i de proprietile lor fizico-chimice, proteinele pot fi clasificate n mai multe moduri. Delimitarea net ntre proteine i polipeptide este foarte dificil deoarece exist proteine alctuite numai din catene polipeptidice (aa-numitele proteine simple sau holoproteine). Majoritatea autorilor delimiteaz aceste dou clase de biomolecule dup masa lor molecular considernd c polipeptidele au o mas molecular de pn la 10.000 Da, iar proteinele au masa molecular superioar acestei valori. n funcie de forma moleculelor, proteinele sunt de dou tipuri: proteine fibrilare care au molecula filiform i sunt, n general, insolubile n ap. Din aceast grup fac parte de exemplu fibroina, keratinele, colagenul etc.

9

proteine globulare a cror molecul are form sferic sau elipsoidal i sunt uor solubile n ap. Din clasa proteinelor globulare fac parte toate enzimele, globulinele serice i alte. n funcie de rolul biologic principal pe care l ndeplinesc, proteinele se mparte n 6 clase astfel: Proteine structurale. Acestea sunt reprezentate de proteinele ce joac rol plastic, adic acele proteine ce intr n structura membranelor biologice, a esuturilor i organelor. Proteinele structurale cele mai bine studiate sunt: colagenul ntlnit n esutul conjunctiv din cartilaje, tendoane, piele, oase etc., elastina ce intr n structura esutului conjunctiv elastic din ligamente, fibroina din mtasea produs de Bombix mori, sclerotina ntlnit n exoscheletul insectelor, keratina ce se gsete n cantiti mari n derm, pr, pene etc., proteinele membranare ce intr n structura tuturor membranelor biologice i altele. Proteinele de rezerv au rolul principal de a constitui principala rezerv de aminoacizi a organismelor vii. Din aceast grup fac parte cazeina care este componenta proteic major a laptelui, gliadina din cariopsele cerealelor, zeina ce reprezint principala protein de rezerv din boabele de porumb, ovalbumina i lactalbumina din ou i respectiv din lapte, feritina care faciliteaz acumularea ionilor de fier n splin i altele. Proteinele contractile au un rol important pentru micarea organismelor vii fiind implicate n contracia muchilor, cililor, flagelilor etc. Cele mai bine studiate proteine contractile sunt actina i miozina implicate n contracia miofibrilelor i dineina care asigur micarea cililor i flagelilor la nevertebrate. Proteinele de transport sunt proteine cu o structur deseori complex ce ndeplinesc un important rol n transportul diferiilor metabolii n organism. Cele mai bine studiate proteine de transport sunt hemoglobina care asigur transportul oxigenului i dioxidului de carbon, mioglobina cu rol n transportul oxigenului la nivel muscular, albuminele serice care realizeaz transportul acizilor grai n circulaia sanguin, -lipoproteinele serice care asigur transportul lipidelor n snge etc. Tot din aceast categorie fac parte i transportorii membranari care realizeaz transportul activ, contra gradientului de concentraie, al diferiilor metabolii prin membranele biologice. Proteinele cu rol catalitic i hormonal reprezint o grup extrem de important de proteine funcionale. Din aceast grup fac parte enzimele (care sunt toate, fr nici o excepie, proteine), precum i unii hormoni (hormonii reglatori ai hipotalamusului, hormonii hipofizei, cei pancreatici, hormonii paratiroidieni, hormonii timusului etc.). Proteine cu rol de protecie. Acestea sunt proteine implicate n diferite procese fiziologice de protecie i aprare a organismului fa de anumii factori externi. Cele mai bine studiate sunt trombina (o protein ce particip la procesul coagulrii sanguine), fibrinogenul (care este precursorul fibrinei, protein implicat, de asemenea, n procesul coagulrii sanguine), imunoglobulinele sau anticorpii (proteine capabile s formeze compleci anticorp antigen cu proteinele strine organismului respectiv i altele. n funcie de structura lor chimic, proteinele se mpart n dou mari grupe: proteine simple i proteine complexe. Proteine simple (holoproteine). Acestea sunt proteine ale cror molecule sunt formate numai din catene polipeptidice. Acest lucru a fost demonstrat prin faptul c prin hidroliz complet, holoproteinele pun n libertate numai aminoacizi. Din aceast grup fac parte o serie de proteine ce ndeplinesc importante funcii biochimice i fiziologice: , i -globulinele serice, anticorpii, histonele, protaminele, fibrinogenul, miozina, actina, colagenul, fibroina, keratinele etc. Proteinele complexe (numite i conjugate, sau heteroproteine) conin n molecula lor, pe lng componenta proteic i o component de alt natur numit grupare prostetic. La rndul lor, heteroproteinele se mpart n mai multe grupe n funcie de natura chimic a gruprilor prostetice. Cromoproteinele conin n molecula lor o grupare prostetic de natur protoporfirinic. Din aceast categorie fac parte o serie de proteine ce ndeplinesc importante funcii biochimice i fiziologice: hemoglobina, mioglobina, citocromii, catalaza, peroxidaza etc. Lipoproteinele conin n molecula lor grupri prostetice de natur lipidic. Din aceast grup fac parte de exemplu lipoproteinele serice. Fosfoproteinele. Gruprile prostetice ale hetero-proteinelor din aceast grup sunt reprezentate de resturi de serin esterificate cu acid fosforic. Cele mai cunoscute fosfoproteine sunt cazeina, vitelina, vitelenina, fosvitina i altele.10

Glicoproteinele conin grupri prostetice de natur glucidic (galactoza, manoza, unele hexozamine, acidul N-acetilneuraminic etc.). Din grupa glicoproteinelor sunt bine studiate globulinele, orosomucoidul plasmatic, ovalbumina, glucoproteinele serice ce determin grupele sanguine i altele. Metaloproteinele conin unii ioni metalici (Fe2+, Fe3+, Cu2+, Zn2+) n calitate de grupare prostetic. Din aceast grup fac parte de exemplu alcooldehidrogenaza, enolaza, feritina, conalbumina, ceruloplasmina i altele. Trebuie menionat faptul c la metaloproteine, ionul metalic este legat direct de catenele polipeptidice ale componentei proteice i nu este inclus ntr-o alt structur (cum ar fi nucleul protoporfirinic la cromoproteine). Flavoproteinele conin un flavinnucleotid n calitate de grupare prostetic. Din aceast grup fac parte flavoenzimele FMN- i FAD-dependente (succinat-dehidrogenaza, aminoacidoxidazele etc.). Nucleoproteinele sunt poate cele mai importante proteine complexe datorit faptului c gruparea lor prostetic este reprezentat de un acid nucleic. n funcie de natura acidului nucleic ce joac rol de grupare prostetic ele se mparte n ribonucleoproteine (nucleoproteine ce conin ARN) i deoxiribonucleoproteine (ce conin ADN n calitate de grupare prostetic). n moleculele proteinelor, resturile de aminoacizi sunt unite prin legturi peptidice ca i n cazul peptidelor:O O II II H2N CH C N CH C I I I R1 H R2 .......... N CH COOH I I H Rn

Datorit efectelor electronice, i n cazul proteinelor legtura peptidic prezint un caracter parial de legtur dubl, mpiedicnd rotirea liber a substituenilor. Structura proteinelor Elucidarea structurii proteinelor a reprezentat i continu s reprezinte una din problemele principale ale biochimiei aplicate. Fiecare protein nativ reprezint un edificiu tridimensional complex a crui conformaie depinde de dispoziia spaial a catenelor polipeptidice din care este format. Orientarea n spaiu a catenelor polipeptidice componente poart denumirea de conformaie. Comparativ cu celelalte biomolecule, proteinele prezint o structur chimic mult mai complex de care depind n mod direct funciile lor biologice i care se caracterizeaz prin existena a patru nivele de organizare numite structur primar, secundar, teriar i respectiv cuaternar. 1. Structura primar a proteinelor este dat de numrul, natura i succesiunea resturilor de aminoacizi n catenele polipeptidice ce intr n structura acestora. n structura primar, resturile de aminoacizi sunt unite prin legturi peptidice identice cu cele ntlnite n structura peptidelor:legtur peptidic ........ NHCHCONHCHCO I I R R' .......

Studiul peptidelor sintetice cu ajutorul metodei difraciei de raze X prin cristale pure a permis determinarea distanelor interatomice ntr-o caten polipeptidic, precum i a unghiurilor dintre atomii componeni. Aceste determinri au demonstrat existena unei perioade de identitate de 7,2 pentru fiecare dou resturi de aminoacizi. Totodat s-a observat c distana interatomic C N este mai mic, iar distana C = O este mai mare dect cele normal ntlnite n ali compui (fig. I.1.).

11

H R C1,53 117 120 1,32 110 121 1,23

C

O

H120

N110

122 120 1,47

H R'

C

Fig. I.1. Reprezentarea schematic a distanelor interatomice i unghiurilor de valen n catenele polipeptidice

Aceste rezultate indic prezena unei stri de rezonan a legturii peptidice ntre dou forme limit din care cauz, legtura peptidic C N nu este simpl ci parial dubl, fiind astfel mpiedicat rotaia liber a substituenilor. Acest caracter de legtur parial dubl are o importan deosebit pentru structurile de ordin superior ale proteinelor. La nivelul legturilor peptidice se ntlnete izomeria de tip trans, iar rotaia liber este permis numai la nivelul celorlalte legturi covalente. Orientarea spaial a catenelor polipeptidice este datorat, n principal, acestor rotaii libere n jurul legturilor menionate:H O C

O H I C I R

+ N

C

+ N I H

R' I C I H

2. Structura secundar a proteinelor. Structura secundar este dat de orientarea spaial a catenei polipeptidice, fr a lua n calcul interrelaiile dintre radicalii aminoacizilor. Posibilitatea de rotaie a radicalilor de aminoacizi n jurul axelor de legtur C-C i C-N din lanul polipeptidic favorizeaz apariia unei structuri spaiale specifice a macromoleculelor de protein, cunoscute sub numele de structur secundar. Structura secundar este stabilizat de puni de hidrogen care se formeaz intracatenar sau intercatenar ntre grupele carbonilice i iminice ale legturilor peptidice. Legturile de hidrogen sunt dispuse aproape paralel cu axa -helixului. Cea mai rspndit variant a structurii secundare a lanurilor polipeptidice este -helixul sau structura -helicoidal (fig. I.2.).

Fig. I.2. Reprezentarea schematic a modelului -helicoidal al structurii secundare a proteinelor (dup Buckow, 2006).

Fiecare tur (spir) este alctuit din 3,6 resturi de aminoacizi. Distana ntre ture de-a lungul axei -helixului este egal cu 0,541nm (). Diametrul -helixului este de 0,101nm (). O alt variant a structurii secundare a proteinelor este structura -pliat care este de dou tipuri: modelul straturilor pliate antiparalele format din lanuri polipeptidice n form de zig-zag, ale cror grupe NH2 terminal i COOH terminal sunt orientate n direcii opuse;

12

modelul straturilor pliate paralele alctuit din lanuri polipeptidice cu aceeai orientare (fig. I.3).Ambele tipuri, existente n proporii diferite, sunt stabilizate prin puni de hidrogen intercatenare ntre grupele carbonilice i aminice ale legturilor peptidice din lanurile polipeptidice adiacente.

Fig. I.3. Reprezentarea schematic a modelului straturilor pliate ale structurii secundare a proteinelor(dup Buckow, 2006).

Structura teriar. Structura teriar reprezint replierea i nfurarea segmentelor helicoidale i -pliate ntr-o organizare spaial complex sub form de ghem sau globul. Structura teriar a proteinelor se constituie ntr-un sistem stabil datorit interaciunilor hidrofobe ntre radicalii laterali ai aminoacizilor, legturilor de hidrogen, legturilor ionice i legturilor disulfidice. Structura cuaternar. Structura cuaternar este specific numai anumitor proteine i reprezint nivelul de organizare structural cel mai nalt. Este rezultatul asocierii a dou sau mai multe catene polipeptidice numite protomeri, fiecare cu structura sa primar, secundar i teriar ntr-un conglomerat spaial complex. Proteinele formate din mai multe lanuri (catene) polipeptidice se numesc proteine oligomere. Proprieti specifice proteinelor Masa molecular a proteinelor este foarte mare i diferit de la cteva mii pn la sute de mii i chiar milioane de daltoni. De ex. insulina-5.700 D, hemoglobina-64.500 D, fibrinogenul 339.700 D. Solubilitatea proteinelor este diferit. Unele se dizolv uor n ap i soluii saline, altele numai n soluii de sruri sau n amestecul de ap i alcool. Sunt insolubile n solveni organici. Precipitarea proteinelor poate fi reversibil sau ireversibil. Precipitarea ireversibil se mai numete denaturare care poate fi cauzat de factori fizici (cldur, radiaii, agitare) sau de diferii reactivi. Denaturarea conduce la schimbarea proprietilor fizice i reactivitii moleculelor proteice. De cele mai multe ori prin denaturare, proteinele pierd activitatea lor biologic. Soluiile de proteine au comportare de acid sau baz (amfoter) n funcie de partenerul cu care reacioneaz, deoarece conin grupe NH2 i -COOH libere, aparinnd aminoacizilor constitueni. Caracterul amfoter al proteinelor se afl la baza funciei lor de sisteme tampon care asigur meninerea constant a pH-ului lichidelor biologice n organismul animal i vegetal. Starea de ionizare a proteinelor determin migrarea lor n cmpul electric Pe aceast proprietate se bazeaz separarea i determinarea cantitativ a proteinelor cu ajutorul electroforezei. La un pH specific pentru fiecare protein denumit punct izoelectric (pI), moleculele ei sunt neutre din punct de vedere electric i nu se deplaseaz sub aciunea curentului electric. Molecula proteic se ncarc pozitiv dac pH-ul mediului este mai mic dect pI i negativ dac pH-ul mediului este mai mare dect pI. __________________________________________________________________________

ntrebri de verificare i evaluare a cunotinelor Ce aminoacizi proteinogeni cunoatei, cum se clasific acetia i care sunt formulele lor chimice? Ce aminoacizi neproteinogeni cunoatei? Scriei formulele lor chimice. Care sunt principalele proprieti ale aminoacizilor? Ce sunt peptidele i cum se formeaz ele? Ce peptide naturale cunoatei? Care sunt principalele funcii pe care le ndeplinesc proteinele n organismele vii i cum se clasific acestea? Ce tipuri de structur prezint proteinele i care sunt principalele lor proprieti? 13

__________________________________________________________________________ I.1.2.4. Acizi nucleici Acizii nucleici sunt substane macromoleculare cu rol n stocare i transmiterea informaiei ereditare. Ele sunt greu solubile n ap rece, puin solubile n ap la cald i uor solubile n soluii alcaline diluate. Sunt insolubile n etanol i n numeroi ali solveni organici care, adugai peste soluiile de acizi nucleici, determin denaturarea lor. Degradarea hidrolitic succesiv a nucleoproteinelor n mediu acid sau alcalin, sau n prezena unor enzime proteolitice specifice numite nucleaze realizeaz clivarea celor dou componente: acidul nucleic (ARN sau ADN) i componenta proteic. Hidroliza n continuare a acizilor nucleici conduce la formarea nucleotidelor care reprezint unitile lor structurale e baz. La rndul lor, nucleotidele pot fi hidrolizate n continuare sub aciunea unor fosfoesteraze cu formare de nucleozide i fosfor anorganic. Degradarea nucleozidelor conduce la obinerea unui amestec de baze azotate i pentoze. Din cele afirmate mai sus rezult c prin condensarea unei baze azotate cu o pentoz se formeaz un nucleozid. Nucleozidele se pot fosforila la nivelul grupelor hidroxilice libere ale restului de pentoz cu formare de nucleotide, iar polimerizarea (sau mai exact ncatenarea) nucleotidelor conduce la formarea acizilor nucleici. Deci, din punct de vedere structural, acizii nucleici sunt polinucleotide care, n funcie de natura pentozei se clasific n poliribonucleotide (n ARN) i respectiv polideoxiribonucleotide (n ADN). Bazele azotate purinice i pirimidinice Bazele azotate din structura nucleozidelor i nucleotidelor sunt compui heterociclici ce deriv de la dou cicluri de baz numite pirimidin i purin prin substituirea unor atomi de hidrogen:4 5N 6 N 1 3 2 1N 2 6 5 7 N 8 N 4 3 N9 H

Pirimidin

Purin

Principalele baze azotate purinice sunt adenina i guanina, iar cele pirimidinice sunt citozina, timina i uracilul:NH2N N N N H HN

ON N N H

Adenin

H2N

Guanin

NH2N HN N H

OHN N H

O CH 3N H

O

O

O

Citozin

Uracil

Timin

Compoziia n baze azotate a acizilor nucleici este urmtoarea: moleculele de ADN conin adenin, guanin, citozin i timin, iar cele de ARN au n compoziia lor adenin, guanin, citozin i uracil. Deci, din punctul de vedere al compoziiei n baze azotate, cele dou tipuri de acizi nucleici difer doar printr-o baz azotat pirimidinic (timin n ADN i respectiv uracil n ARN). Aceste baze azotate, ca i altele care nu intr n structura acizilor nucleici, pot exista n dou forme structurale: o form enolic (sau form lactim) i o form cetonic (sau form lactam). n cazul guaninei de exemplu, cele dou forme au urmtoarele structuri:

14

OHN N N N H N

OH IN

N N H

H2N

Guanin (lactam)

H2N

Guanin (lactim)

n mod simila, tautomeria ceto-enolic se ntlnete la toate celelalte baze azotate ce intr n structura acizilor nucleici. Pentozele din structura acizilor nucleici n structura acizilor ribonucleici intr riboza sub forma sa furanozic, anomer . Moleculele de ADN conin un derivat al acesteia (2-deoxiriboza) sub forma anomerului al ciclului furanozic:

O

CH 2OH

O

CH 2OH

-D-ribofuranoza

-D-2-deoxi-ribofuranoza

Resturile de pentoz se leag de bazele azotate prin legturi Nglicozidice la nivelul atomului N1 al bazelor pirimidinice, respectiv N9 al bazelor azotate purinice. Nucleozide Nucleozidele sunt Nglicozide ale bazelor azotate purinice i pirimidinice n care gliconul este reprezentat de riboz, respectiv 2-deoxiriboz. Restul de pentoz, sub form -D-furanozic, este legat de baza azotat printr-o legtur -glicozidic astfel: hidroxilul glicozidic (deci cel legat de atomul de carbon C1) se condenseaz cu hidrogenul iminic al atomului de azot din poziia 9 a bazelor purinice, respectiv din poziia 1 a celor pirimidinice.NH 2N N N5'

OHN N N N

N1' 2'

O

CH 2OH4' 3'

H2N

O

CH 2OH

AdenozinNH2N HN N

GuanozinO

O

O

CH2OH

O

N

O

CH 2OH

CitidinNH2N N N N HN

UridinON N N

O

CH2OH

H2N

O

CH2OH

Deoxiadenozin

Deoxiguanozin

15

NH2N HN N

O CH3N

O

O

CH2OH

O

O

CH2OH

Deoxicitidin

Deoxitimidin

n organismele vii exist i alte nucleozide ce ndeplinesc diferite funcii biochimice. Un exemplu concret n acest sens l reprezint nucleozidele ce intr n structura coenzimelor piridinnucleotidice (NAD+ i NADP+), a celor flavinice (FMN, FAD) i a coenzimei A. Nucleotide Nucleotidele sunt esteri ai nucleozidelor cu acidul fosforic. Ele conin n molecula lor restul unei baze azotate purinice sau pirimidinice, un rest de riboz sau deoxiriboz i unul pn la trei resturi de acid fosforic. n funcie de restul de pentoz pe care l conin, nucleotidele sunt de dou tipuri: ribonucleotide i deoxiribonucleotide. n funcie de numrul resturilor de acid fosforic din molecul ele pot fi mono-, di i trifosforilate (nucleozid-monofosfai, nucleozid-difosfai i respectiv nucleozid-trifosfai). Teoretic, esterificarea nucleozidelor se poate face n poziiile 2, 3 i 5 n cazul ribonucleozidelor i respectiv 3 i 5 la deoxiribonucleozide. n structura acizilor nucleici sunt esterificate doar grupele alcoolice din poziiile 3 i 5 att la ribonucleotide ct i la deoxiribonucleotide. Nucleotidele monofosforilate (nucleozid-monofosfaii) se gsesc n stare liber n drojdia de bere i n esutul muscular i se deosebesc ntre ele prin poziia restului de acid fosforic. Astfel, acidul adenilic din muchi este acidul adenozin-5-monofosforic (5-AMP), iar cel din levuri este acidul adenozin-3-monofosforic (3-AMP). Mai exist i acidul adenozin-3,5monofosforic ciclic (cAMP) cu rol de mesager secundar n aciunea hormonilor:NH2N N N N

O

CH2 O O O POH

cAMPNH 2N N N N

NH 2 O II CH 2O POH I OHN N N N

O

O

CH 2OH

Acid adenozin-5'-monofosforic (5'-AMP)

O II O POH I OH Acid adenozin-3'-monofosforic (3'-AMP)

Nucleotidele celorlalte baze azotate se formeaz n mod similar. Adenina mai st la baza structurii a numeroi derivai nucleotidici ce joac un rol important n procesele de activare a acizilor grai i a aminoacizilor. Dintre acetia, cei mai importani sunt aminoacil-adenozinmonofosfaii, acil-adenozin-monofosfaii, acidul adenozin-5-fosfo-sulfuric i acidul adenozin-3fosfat-5- fosfo-sulfuric.

16

Adenina st de asemenea la baza structurii familiei de compui cunoscui sub denumirea de acizi adenilici care sunt substane macroergice larg rspndite n toate celulele vii (acidul adenozin-difosforic ADP i acidul adenozin-trifosforic ATP).NH 2N N N N

O

O O O II II II CH 2 O PO ~ P O ~ P OH I I I OH OH OH

AMP ADP ATP

Rolul acestora este de a acumula i de a ceda energia, n funcie de necesitile de moment ale celulei. Resturile de acid fosforic din moleculele de ADP i ATP sunt unite ntre ele prin legturi speciale, numite legturi macroergice. La acest nivel, energia de legtur este de 3 4 ori mai mare dect n cazul celorlalte legturi fosfoesterice. Toate bazele azotate purinice i pirimidinice pot forma nucleotide trifosforilate, structura lor asemnndu-se cu cea a ATP-ului cu deosebirea c difer baza azotat, dar dintre derivaii trifosforilai ai nucleozidelor, n afar de ATP, numai GTP i ITP intervin n unele procese energetice celulare. Acizii ribonucleici (ARN) sunt compui biochimici informaionali prezeni n absolut toate organismele vii. Ei sunt substane macromoleculare alctuite din uniti structurale de baz numite ribonucleotide, deci sunt substane poliribonucleotidice. Raporturile molare dintre bazele azotate purinice i pirimidinice din ARN variaz ntre limite foarte largi, ns suma A+C este egal ntotdeauna cu suma G+U. n celulele vii exist mai multe tipuri de ARN. ARN ribozomal (ARNr) intr n structura ribozomilor i reprezint aproximativ 80% din totalul ARN-ului celular. Acest tip de ARN se caracterizeaz printr-o mare stabilitate metabolic i are masa molecular cuprins ntre 500.000 2.000.000 Da. ARN de transport (ARNt) reprezint aproximativ 15% din totalul ARN-ului celular, are masa molecular cuprins ntre 25.000 28.000 Da i are rolul de a activa i de a transporta n mod specific aminoacizii din citosol la nivelul ribozomilor n vederea biosintezei proteice. ARN mesager (ARNm) sau informaional (ARNi) reprezint numai 5% din totalul ARN-ului celular. Are o durat de via relativ scurt, este deosebit de activ i prezint o mas molecular de aproximativ 500.000 Da. Rolul biologic al ARNm este acela de a copia informaia genetic codificat n ADN-ul din cromozomi. n afar de aceste trei tipuri principale de ARN, mai exist i alte forme speciale, cu funcii biochimice specifice. ARN-ul virusurilor reprezint ntre 5 40% din nucleoproteinele ce intr n structura virusurilor. De exemplu, ARN-ul din virusul mozaicului tutunului (VMT) este o macromolecul cu masa molecular de 2.000.000 Da i reprezint aproximativ 5% din masa virusului. Se prezint sub forma unei singure catene spiralate, nconjurat de o protein oligomer de tip histonic, format din 2.100 subuniti dispuse, de asemenea, sub form spiralat. ARN-ul din virusul mozaicului tutunului este infecios i n stare pur, iar capacitatea sa de a infecta tutunul este anulat dup prelucrarea preparatului pur cu ribonucleaz. Virusurile gripei, ciumei i mieloblastozei aviare au o form sferic i conin ntre 1 3% ARN viral. Structura primar a ARN-ului. Analiza structurii produilor de hidroliz n mediu alcalin ai moleculelor de ARN a artat c legtura dintre monomerii ribonucleotidici se realizeaz prin intermediul gruprilor fosfodiesterice care unesc C3 i C5 din dou nucleotide vecine. Molecula de ARN se prezint astfel sub forma unei catene liniare, n care bazele azotate purinice i pirimidinice sunt localizate n calitate de radicali laterali (fig. I.4).

17

. . .

O H P=O O ON

N 2 H IN N

C 2 N H O

O H P=O O O C 2 H ON N N

PONH

5' 3' A

5' PN 2 H

GO H P=O O O C 2 H ON

PN 2 HN

C PO

5' PONH N

3'

U

O H P=O O O C 2 H O

3'

O

O H P=O O O

. . . .

Fig. I.4. Formula molecular i reprezentarea schematic a structurii primare a ARN-ului

Structura secundar a ARN-ului. Pentru moleculele de ARN, structura secundar a fost studiat mai puin dect structura secundar a ADN-ului. n prezent, este cunoscut aceast structur numai pentru moleculele de ARNt i pentru ARN-ul izolat din Escherichia coli. n soluii cu trie ionic mic, moleculele de ARN se comport ca lanuri polielectrolitice tipice, iar prin creterea triei ionice a soluiei, catenele se scurteaz, acest fenomen fiind nsoit de micorarea densitii specifice i de modificarea constantei de sedimentare. Prin metoda difraciei de raze X s-a demonstrat c bazele azotate pot forma dou i respectiv trei puni de hidrogen astfel:A U G C

Numrul legturilor duble ce se formeaz ntre bazele azotate este determinat de structura chimic a acestora. Astfel, ntre adenin i uracil se formeaz dou puni de hidrogen, iar ntre guanin i citozin trei asemenea legturi conform schemei:OHN N HHNH I

N N

N N

O Uracil

I H

Adenin

18

H I NHHN

O H N HN I HN N

N O

I H

N

Citozin

Guanin

S-a demonstrat c moleculele de ARN sunt reprezentate de cte o caten poliribonucleotidic care prezint segmente spiralate ce alterneaz cu regiuni nespiralate (fig. I.5). Se presupune c la formarea regiunilor spiralate pot participa ntre 40 i 70% din resturile de mononucleotide ale moleculei. Aceast structur se explic prin aceea c n lanul polipeptidic al moleculei de ARN exist fragmente ale cror succesiuni de baze azotate sunt complementare cu succesiunile de baze azotate existente n alte fragmente ale aceleiai molecule, complementaritatea constnd n modul de formare a punilor de hidrogen i numrul acestora. Fragmentele moleculare nespiralate create de spiralizarea unor astfel de zone poart numele de bucle.G C A U C U G ....... C ....... G ....... ....... A U ....... ....... G ....... C ....... ....... A ....... U U A C U G A

bucl

fragment dublu spiralatA G C G U U A G C

A

U

C

C

G

A

U

U

Fig. I.5. Reprezentarea schematic a fragmentelor spiralate i nespiralate din moleculele de ARN

Structura teriar a ARN-ului. n ultimele decenii, toate datele experimentale privind structura ARNt au indicat faptul c acest tip de ARN prezint i o structur teriar i c funciile sale biochimice pot fi mult mai numeroase dect s-a crezut. Conform acestor cercetri, moleculele de ARNt prezint dou stri conformaionale reversibile ce se deosebesc ntre ele din punctul de vedere al activitii biologice, precum i dup comportarea loc cromatografic. n cazul ARN-ului de transport, structura teriar este dat de una din aceste stri conformaionale care este forma superspiralizat. Acizii deoxiribonucleici (ADN), din punct de vedere structural sunt polideoxiribonucleotide, adic sunt compui macromoleculari alctuii dintr-un numr mare de uniti structurale de baz numite deoxiribonucleotide. ADN-ul are masa molecular cuprins ntre 106 109 Da i este localizat aproape exclusiv n nucleul celular. La eucariote, ADN-ul se gsete ntr-o cantitate de aproximativ 2 mg/gram de esut umed i poate fi gsit, n cantiti mult mai mici i n mitocondrii sau chiar n citoplasm. Bacteriile i unele virusuri conin ADN, dar n acest caz el nu este localizat ntr-o structur morfologic definit. Cantitatea de ADN n celulele unei specii de vieuitoare este ntotdeauna aceeai i depinde de numrul de cromozomi. n cursul diviziunii celulare, cantitatea de ADN se dubleaz pentru ca n mitoz s se reduc la jumtate n aa fel nct celulele fiice diploide s conin aceeai cantitate de ADN ca i celulele parentale caracteristice speciei. n celulele haploide (gamei) cantitatea de ADN este njumtit deoarece prin fecundare are loc restabilirea cantitii de ADN specific speciei respective, iar n celulele poliploide cantitatea de ADN corespunde gradului de poliploidie al speciei. Macromoleculele de ADN sunt alctuite din uniti monomere de baz care sunt mononucleotide ale 2-deoxiribozei i anume dAMP (deoxiadenozin-monofosfat), dGMP (deoxigu-anozin-monofosfat), dCMP (deoxicitidin-monofosfat) i dTMP (deoxitimidin-monofosfat) legate ntre ele prin puni 3,5fosfodiesterice. Compoziia macromoleculelor de ADN n baze azotate purinice i pirimidinice este caracteristic pentru fiecare organism n parte (deci nu pentru fiecare specie!) i rmne aceeai indiferent de vrst, de condiiile fiziologice sau de condiiile de mediu. n urma unui studiu referitor la coninutul n ADN al genomului a peste 1100 de plante superioare i peste 1300 de specii de plante inferioare s-a constatat c toate organismele cu o19

cantitate de ADN n genom mai mic de 5103 pg sunt considerate procariote, iar cele cu o cantitate mai mare de 3,610-2 pg sunt eucariote. Structura primar a ADN-ului este dat de numrul, natura i succesiunea deoxiribonucleotidelor n catenele moleculelor de ADN. Spre deosebire de ARN, macromoleculele de ADN sunt dublu-catenare. Una din catene este complementar cu cealalt din punctul de vedere al succesiunii bazelor azotate datorit specificitii formrii punilor de hidrogen ntre acestea:

C

G

si

T

AHNH I

sau

CH 3 I OHN N H

N N

N NI

O TiminH I NHHN

Adenin HO H N HN I HN N

N Guanin

O Citozin

I H

N

Structura dublu catenar este meninut datorit acestor puni de hidrogen. Structura primar dublu-catenar a macromoleculelor de ADN poate fi reprezentat n mod similar cu cea a ARN-ului (fig. I.6). Schematic, un fragment tetranucleotidic al moleculei de ADN poate fi reprezentat astfel:3' 3' 5' P G P C P 5' P 5' 5' 3' 3' T A P 3' G P C P P 3' A T 3' P P 5' 5'

20

. . .HO P = O O CH 2 ON N

NH 2 IN N

. . .O HN ON

HO P = O O CH 3 CH 2 O

O HO P = O O CH 2 ON N N

ONH

NH 2N

O HO P = O O

NH 2

O

N

O

CH 2

O HO P = O O CH 2 ON

O NH 2N

O H N O H2 NN N N

HO P = O O O CH 2

O HO P = O OH3C

O NH 2 IN NH N N

HO P = ON N

O

O O CH 2

CH 2 O

O

O O HO P = O O HO P = O O

. . . .

. . . .

Fig.I.6. Formula molecular a dubluhelix-ului de ADN

Cele dou catene polideoxiribonucleotidice au o orientare antiparalel. Aceasta nseamn c la fiecare extremitate a moleculei, una din catenele polinucleotidice este orientat cu captul 5 OH, iar cealalt cu captul 3OH liber, la cealalt extremitate orientarea fiind invers. Cele dou catene ale dublu helix-ului de ADN se unesc prin puni de hidrogen dup regula de mperechere a bazelor azotate purinice i pirimidinice. Structura secundar a ADN-ului. Studiul structurii moleculare a ADN-ului s-a realizat cu ajutorul metodei difraciei razelor X aplicat pe preparate nalt purificate. n urma acestor studii, precum i prin determinarea unor proprieti fizico-chimice ale ADN-ului, Chargaff elaboreaz regula care i poart numele conform creia numrul bazelor azotate purinice este egal cu cel al bazelor pirimidinice (A = T i G = C sau, altfel spus, A + G = T + C). Structura teriar a ADN-ului. n cromozomi, ADN-ul se afl ntr-o structur superspiralizat sub forma unor compleci cu proteinele bazice numite histone. __________________________________________________________________________

ntrebri de verificare i evaluare a cunotinelor Ce sunt acizii nucleici i care este principalul lor biologic?Ce baze azotate intr n structura chimic a acizilor nucleici? Ce sunt nucleozidele? Scriei formulele chimice ale nucleozidelor ce alctuiesc acizii nucleici. Ce sunt nucleotidele? Ce tipuri de ARN celular cunoatei? Scriei formulele chimice ale cte unui fragment dintr-o caten de ARN i respectiv ADN.

__________________________________________________________________________

21

I.1.2.5. Enzime Reaciile chimice din organismele vii au loc datorit aciunii catalizatorilor biologici numii enzime. Acestea reprezint instrumentul prin intermediul cruia se realizeaz totalitatea transformrilor chimice din organismul viu, transformri ce alctuiesc metabolismul substanelor i energiei. Substana asupra creia acioneaz enzima se numete substrat iar compusul chimic rezultat n urma aciunii enzimei se numete produs de reacie. Toate enzimele fr nici o excepie sunt proteine. n funcie de structura lor chimic ele pot fi enzime monocomponente i enzime bicomponente. Enzimele monocomponente sunt proteine simple (holoproteine) cu moleculele alctuite numai din radicali de aminoacizi legai ntre ei prin legturi peptidice, iar enzimele bicomponente fac parte din clasa proteinelor complexe (heteroproteine) i au molecula alctuit dintr-o component proteinic numit apoenzim i o grupare de natur neproteic numit cofactor enzimatic. Cofactorii legai puternic cu apoenzimele lor se numesc grupri prostetice iar cei uor disociabili se numesc coenzime. Aciunea catalitic a enzimelor este condiionat de existena n moleculele lor a unor regiuni distincte, denumite situsuri (centre) active sau catalitice. Aminoacizii participani la formarea centrului activ sunt grupai ntr-o geometrie spaial, la nivelul creia se afl grupele funcionale implicate n legarea direct a substratului i n transformarea catalitic a acestuia. Situsurile active ale enzimelor bicomponente cuprind pe lng aminoacizii respectivi de asemenea coenzima sau gruparea prostetic, care interacioneaz cu substratul i faciliteaz desfurarea reaciei enzimatice. O alt clasificare a enzimelor se poate face n funcie de natura reaciei catalizate. Dup acest criteriu enzimele se grupeaz n 6 clase: 1. oxidoreductaze 2. transferaze 3. hidrolaze 4. liaze 5. izomeraze 6. ligaze (sintetaze) Fiecare clas se subdivide n subclase i subsubclase. n acest sistem (elaborat de Comisia de Enzimologie a Uniunii Internaionale de Biochimie) o enzim este definit printr-o denumire i un cod de patru cifre. Prima cifr indic clasa la care aparine enzima, a doua cifr subclasa i precizeaz natura grupelor chimice sau a legturilor chimice din molecula substratului, a treia cifr natura chimic a substratului, a acceptorului etc., iar a patra cifr indic numrul de ordine al enzimei n cadrul subsubclasei date. De regul naintea codului enzimei se nscriu literele EC (Enzyme Commission). Coenzime n funcie de natura lor chimic se mpart n patru clase: coenzime cu structur alifatic coenzime cu structur alifatic coenzime cu structur heterociclic coenzime cu structur nucleozidic 1. Coenzime cu structur alifatic. Din aceast grup fac parte acidul lipoic, glutationul i acidul ascorbic (vit. C). Acidul lipoic poate exista sub o form aciclic i una ciclic:

forma oxidat

forma redus

Datorit capacitii sale de a trece uor i reversibil din forma disulfidic (oxidat) n forma ditiolic (redus), acidul lipoic este implicat n diferite procese metabolice legate de oxidarea biologic: dehidrogenarea -cetoacizilor biosinteza i degradarea glicocolului22

biosinteza prostaglandinelor Glutationul este o tripeptid:

HOOC

CH NH2

CH2 CH2

H C N O

CH

H C N

CH2 COOH

CH2 O SH

glutation (glutam il-cisteinil-glicina) Rolul coenzimatic al glutationului este asigurat prin prezena gruprii SH n molecul care se poate oxida reversibil:_ 2 + _ 2 eH ; + 2 H+ ; + 2e-

2 G SH glutation redus

G S S G glutation oxidat

Glutationul redus (G-SH) poate fi oxidat enzimatic sub aciunea glutation-dehidrogenazei n prezena acidului ascorbic. Datorit acestei proprieti glutationul este coenzim pentru o serie de dehidrogenaze importante.

Acidul ascorbic Din grupa coenzimelor de natur alifatic face parte i acidul L-ascorbic, dei mecanismul de aciune prin care acesta este implicat n diferite procese metabolice nu justific pe deplin apartenena vitaminei C la clasa coenzimelor.O C HO C HO C H C HO C H CH2 OH acid L-ascorbic O _H _ e ;+ -

O C O C HO C O _ H+ _ e; +H; + e+ -

O C O C O C H C HO C H CH2 OH acid L-dehidroascorbic O

+ H+; + e-

H C HO C H CH2 OH

radical ascorbic liber

2. Coenzime cu structur aromatic Din aceast categorie fac parte ubichinonele, compui naturali ce conin n molecula lor un inel derivat de la hidrochinon i mai multe uniti izoprenice:O H3C O H3C O O CH3 CH3

(CH2 CH C CH2)n H

ubichinonele ( coenzimele Q )

Ubichinonele sau coenzimele Q apar n esuturile animalelor i plantelor superioare, n special n mitocondrii unde sunt componente ale catenei respiratorii. 3. Coenzime de natur heterociclic a) coenzime derivate de la tiamin Tiamina (aneurina sau vitamina B1)este un factor nutritiv foarte important. Forma n care vit. B1 ndeplinete funcie coenzimatic este tiamin-pirofosfatul. Aceast coenzim este implicat in reaciile de decarboxilare a -cetoacizilor, reaciile de dismutare a acidului piruvic i reaciile de decarboxilare oxidativ:23

N H3C N

CH2 N Cl NH2 S

CH3 CH2 CH2 OH

clorhidrat de tiaminb) coenzime derivate de la biotin Biotina (vit. H) se prezint sub 3 forme din care doar -biotina joac rol coenzimatic:O HN S NH CH2 CH2 CH2 CH2 COOH HN S O NH CH2 CH2 CH CH3 COOH -biotina O HN S NH (CH2)4 CO NH (CH2)4 CH COOH NH2 biocitina

-biotina

Rolul coenzimatic al biotinei este jucat n reaciile enzimatice n care se realizeaz o activare urmat de un transfer de CO2, adic reaciile de decarboxilare i carboxilare. n aceste reacii se formeaz ntotdeauna un intermediar carboxilat al coenzimei. O astfel de reacie enzimatic n care este implicat biotina este reacia de carboxilare a acidului piruvic cu formare de acid oxalil-acetic. c) coenzime derivate de la piridoxin Numeroase reacii enzimatice sunt catalizate de enzime ce conin n calitate de cofactor piridoxal-fosfatul, un derivat al formei aldehidice a vitaminei B6:CH2 OH CH2 OH N C HO H3C N Piridoxal O H CH2 OH HO H3C CH2 NH2 CH2 OH N

HO H3C

Aceast coenzim este implicat ntr-o serie de reacii extrem de importante ale metabolismului aminoacizilor cum ar fi O transaminarea, decarboxilarea i C H racemizarea acestora. CH2 NH2HO CH2 O PO3H2 HO H3C N Piridoxamin-5-fosfat (PAMP) CH2 O-PO3H2 H3C N

Piridoxol

Piridoxamina

Piridoxal-5-fosfat (PALP)

24

d) coenzime derivate de la acidul folic. Acidul folic a fost extras prima dat din frunzele de spanac dup care a fost descoperit n ficat i alte organe i esuturi. Acidul folic (vitamina M) conine n molecul un rest de pteridin, un rest de acid p-aminobenzoic i unul de acid glutamic:OH N H2N N N N Acid folic OH N H2N N CHO N N H Acid formil-tetrahidrofolic CH2 NH CO NH CH CH2 CH2 COOH COOH CH2 NH CO NH CH CH2 CH2 COOH COOH

n stare liber, acidul folic se ntlnete foarte rar, fiind de obicei prezent sub forma unor derivai care ndeplinesc acelai rol biochimic. Cel mai adesea se ntlnete sub form parial redus care este acidul tetrahidro-folic sau acid folinic FH4 care ndeplinete rol de transfer a unor grupri C1 (metil, formil, hidroximetil etc.) 4. Coenzime cu structur nucleozidic i nucleotidic. Exist mai multe coenzime de natur nucleozidic i nucleotidic, cele mai importante fiind urmtoarele: a) adenozintrifosfatul este principalul compus macroergic al organismelor vii i, n acelai timp, principalul transportor de grupri fosfat. Legturile dintre radicalii fosfat ale moleculei de ATP au o energie liber cu mult mai mare dect n cazul altor esteri fosforici din care cauz ele se numesc legturi macroergice.NH2 N N N N O O O CH2 O P O~ P O ~ P OH O OH OH OH

b) coenzima A este un agent de activare i transport a radicalului acetil i n general a radicalilor acil.

25

CH3 CH2 C O HO P O O HO P O O CH2 O N N

O

O SH

CH C N CH2 CH2 C N CH2 CH2 CH3 OH H H NH2 N N

O O P OH OH

Din punct de vedere structural, coenzima A este format dintr-un rest de acid adenilic, un rest de ribozo-3-fosfat, un rest de pirofosfat, unul de acid pantotenic i unul de tioetanolamin: Gruparea funcional SH reprezint partea activ a moleculei din care cauz notarea prescurtat este CoA-SH. Atomul de sulf al grupei SH poate forma legturi macroergice cu radicalii acil. Din aceast cauz, CoA-SH este implicat n reaciile n care se realizeaz transfer de radicali acil. c) coenzime piridin-nucleotidice Majoritatea organismelor animale precum i numeroase microorganisme necesit un aport zilnic de acid nicotinic sau nicotinamid (vit. PP). n afar de rolul vitaminic jucat de acidul nicotinic i amida sa, acesta intr n structura a dou coenzime importante: nicotinamidadenindinucleotid (NAD+) i + nicotinamidadenindinucleotidfosfat (NADP )O C NH2 N NH2 N N

N N O O CH2 O P O P O CH2 O O OH OH OH OX NAD+ +

OH OH X=H X = PO3H2

NADP

NAD+ i NADP+ sunt coenzime ale unor oxidoreductaze, deoarece au capacitatea de da reacii redox reversibile:O C NH2 N R + DH 2 N R O C NH2 +D+H+

sau : NAD(P) + S+

NAD(P)H+ P + H

+

d) coenzime flavinice: flavinmononucleotid (FMN) i flavinadenindinucleotid (FAD):

26

O CH2 O P OH HO C H HO C H HO C H CH2 N N N O flavinmononucleotidul (FMN) OH

O O CH2 O P O P HO C H HO C H HO C H CH2 N N N O OH OH

O CH2 O

NH2 N N N N

H3C H3C

O NH

H3C H3C

O NH

OH OH

flavinadenindinucleotidul (FAD)

i coenzimele flavinice sunt cofactori ai unor oxidoreductaze. Acestea au capacitatea de aR N N O FMN (FAD) Donor de hidrogen R N N H H N

H3C H3C

N

O NH + DH2

H3C H3C

O NH + D

O

FMNH2 (FADH ) 2

da reacii redox reversibile la nivelul nucleului izoaloxazinic: Proprietile enzimelor Datorit naturii lor proteice, enzimele posed toate proprietile fizic-chimice specifice acestor macromolecule (solubilitate, proprieti osmotice, sarcin electric net, denaturare termic, reacii chimice etc.). Enzimele sunt catalizatori i respect legile catalizei: catalizeaz reacii posibile din punct de vedere termodinamic, scad energia liber a sistemului accelernd reacia, sunt necesari n cantiti mult mai mici comparativ cu substratul, se regsesc nemodificai din punct de vedere cantitativ i calitativ la sfritul reaciei. Cataliza enzimatic prezint o serie de particulariti care o deosebesc net de cataliza chimic: vitez de reacie mult mai mare dect n cazul reaciilor chimice, acioneaz n condiii blnde de reacie care sunt condiiile fiziologic normale de pH, temperatur, presiune osmotic etc., cea mai important particularitate este nalta specificitate de aciune concretizat n capacitatea enzimelor de a cataliza transformarea unui grup de substrate, nrudite structural. Cinetica reaciilor enzimatice studiaz dependena vitezei reaciilor enzimatice de natura chimic a enzimei i substratului, de pH-ul i temperatura mediului de incubare, de concentraia substratului etc. Influena concentraiei enzimei asupra vitezei de reacie. Viteza reaciei enzimatice depinde de concentraia enzimei. Dac concentraia substratului este constant, se observ o proporionalitate direct ntre viteza de reacie iniial(cnd numai o cantitate foarte mic de S se transform n P) i concentraiile crescnde ale enzimei. Aceast dependen liniar este caracteristic pentru majoritatea enzimelor. Influena pH-ului mediului. Aciunea tuturor enzimelor depinde de pH-ul mediului n care au loc reaciile enzimatice. Fiecare enzim manifest o activitate maxim ntr-un domeniu determinat al concentraiei ionilor de hidrogen, care se numete pH optim de aciune. Valoarea sa variaz cu natura i originea enzimei, natura chimic a substratului, sistemul tampon etc. pentru majoritatea enzimelor pH-ul optim se situeaz n domeniul neutru sau slab acid (fig. I.7.).

27

v

V max

pHoptim

pH

Fig. I.7. Influena pH-ului mediului de incubare asupra vitezei reaciilor enzimatice

Influena temperaturii mediului Viteza reaciilor enzimatice crete cu ridicarea temperaturii pe un interval mic de temperatur (fig. I.8.). v

V max

t1

toptim

t2

oC

Fig. I.8. Dependena vitezei reaciilor enzimatice de temperatura mediului de incubare

Valoarea maxim a vitezei de reacie corespunde la temperatura optim de aciune a enzimei. Dac temperatura se mrete n continuare are loc o diminuare rapid a vitezei de reacie prin denaturarea termic a enzimei. n general majoritatea enzimelor de origine animal prezint o eficien catalitic maxim ntre 35 i 40oC iar enzimele vegetale n domeniul de temperatur 45 i 60oC. La temperaturi mai mari de 70oC majoritatea enzimelor se inactiveaz. Funcia catalitic a enzimelor este anulat reversibil la temperaturi sub 0oC. Influena concentraiei substratului Pentru majoritatea enzimelor, la concentraii mici de substrat, viteza de reacie este direct proporional cu concentraia substratului. Pentru a gsi o dependen matematic ntre aceti doi parametri, Michaelis, Menten i Haldane au luat n considerare reacia enzimatic cea mai simpl, adic cea cu un singur substrat i cu un singur complex enzim-substrat.K+1 K-1 K+2

E + S

ES

E + P

Conform teoriei acestor autori, viteza de reacie enzimatic este de fapt viteza cu care complexul ES se descompune pentru a forma produsul de reacie. Totodat autorii iau n considerare i conceptul de stare staionar conform cruia n sistem se instaleaz un echilibru

28

atunci cnd viteza de formare (Vf) a complexului ES devine egal cu viteza de descompunere (Vd) a acestuia. Vf = k1[E] . [S] = k1([Et] [ES]) . [S] unde Et reprezint cantitatea total de enzim iar diferena reprezint enzima liber Vd = k2 [ES] + k3[ES] = (k2+ k3) [ES] La echilibru: Vf = Vd Rezult: k1([Et] [ES]) . [S] = (k2+ k3) [ES] Sau: ([Et] [ES]) . [S] (k2+ k3) = = const. = KM [ES] k1 Constanta Km poart numele de constanta Michaelis i are o semnificaie concret, identificndu-se cu acea concentraie a substratului la care v=1/2 Vmax. Din relaia de mai sus KM este egal cu concentraia molar a substratului la care jumtate din enzim se gsete legat cu substratul, iar cealalt jumtate se afl n stare liber. Constanta KM se poate determina experimental prin trasarea curbei de vitez funcie de concentraia substratului. Pentru construirea graficului se determin viteza de reacie la diferite valori ale concentraiei substratului. Pentru evaluarea mai precis a KM i Vmax ecuaia M. M. se prelucreaz n urmtoarea ecuaie liniar, numit ecuaia Lineweaver-Burck (fig. I.9.)1 v

1 V max

_ 1 KM

O

1/[s]

Fig.I.9. Reprezentarea grafic a ecuaiei Lineweaver-Burk

Graficul dependenei ntre 1/v i 1/[S] reprezint o linie dreapt a crei pant este egal cu KM/Vmax i care intersecteaz ordonata n punctul 1/Vmax. din acest grafic se pot afla uor Vmax i KM. Parametrul KM al unei enzime depinde de substrat i condiiile de reacie valorile sale variind pentru diferite enzime n limite foarte largi. O constant KM mare indic o afinitate mic a enzimei pentru substrat. Enzima cu KM mic va manifesta n organismul viu o activitate mare, posibil chiar maxim. Influena efectorilor asupra activitii enzimelor. Se numesc efectori (modulatori) substanele chimice care modific viteza unor reacii enzimatice cnd sunt adugate n mediul de incubare. n funcie de modul cum acioneaz efectorii pot fi activatori sau inhibitori. Activatorii influeneaz pozitiv activitatea enzimelor pe care o intensific sau stimuleaz. ntre activatorii enzimatici se numr numeroi ioni metalici (Na+, K+, Mg2+, Ca2+, Zn2+, Mn2+, Co2+ etc.), unii anioni (Cl etc.), diferii compui organici cum ar fi unii tioli (cisteina, glutationul etc.). Inhibitorii sunt modulatori care diminueaz sau anuleaz activitatea enzimelor. n funcie de modul de aciune al inhibitorilor asupra enzimelor inhibiia poate fi: - inhibiie reversibil - inhibiie ireversibil Ultima conduce la pierderea definitiv a activitii enzimei, datorit denaturrii ei prin legarea covalent a inhibitorului cu un aminoacid esenial pentru funcia catalitic. La rndul ei inhibiia reversibil este de 2 tipuri, n funcie de mecanismul de aciune al inhibitorului, competitiv i necompetitiv. Inhibitorii competitivi interacioneaz cu centrul activ al enzimei. Ei prezint o analogie structural cu substratul i n consecin concureaz cu acesta pentru centrul activ al enzimei. n inhibiia necompetitiv inhibitorul nu prezint analogie structural cu substratul i se29

leag cu enzima ntr-o alt zon a moleculei, diferit de centrul activ. Inhibitorii necompetitivi pot reaciona att cu enzima liber ct i cu complexul ES. Reglarea activitii enzimelor se realizeaz prin mai multe mecanisme: Conversia precursorilor inactivi n enzime active. Unele enzime care funcioneaz n exteriorul celulei (n tractul digestiv sau n plasma sanguin) sunt sintetizate sub form de precursori inactivi numii proenzime sau zimogene. Hidroliza unui numr limitat de legturi peptidice n moleculele zimogenelor conduce la conversia lor n enzime active. Modificarea covalent a unor enzime se poate realiza prin inseria de grupri micromoleculare n moleculele lor. Spre exemplu activitatea enzimelor care catalizeaz sinteza i degradarea glicogenului este reglat prin fosforilarea unui anumit radical de serin din moleculele acestor enzime. Un mecanism de reglare mai rspndit dect modificarea covalent, este inhibiia de tip feed back, cnd acumularea produsului final al unei ci metabolice cauzeaz inactivarea enzimelor necesare pentru sinteza lui. Cel mai rspndit mecanism de reglare a activitii enzimelor n lumea vie se consider reglarea allosteric. Caracteristica esenial a enzimelor alosterice este susceptibilitatea lor de a fi activate sau inhibate de ali metabolii dect substratele naturale. Aceti metabolii se numesc efectori alosterici sau modulatori alosterici. Dac modulatorul induce creterea capacitii catalitice a enzimei se numete activator sau modulator pozitiv, iar dac acesta provoac scderea eficienei ei catalitice se numete inhibitor sau modulator negativ. Un alt mecanism este reglarea vitezei de biosintez a enzimelor sau reglarea genetic.

______________________________________________________________________ ntrebri de verificare i evaluare a cunotinelor Ce sunt enzimele i cum se clasific ele? Ce coenzime cunoatei? Care sunt formulele lor chimice? Care sunt principalele proprieti ale enzimelor? Care sunt principalele aspecte ale cineticii reaciilor enzimatice? Ce este constanta KM i cum se deduce formula sa?

__________________________________________________________________________

I.1.2.6. Glucidele (zaharurile, hidraii de carbon)Din punct de vedere cantitativ, glucidele sau zaharidele reprezint cea mai important clas de substane organice naturale, fiind totui rspndit n mod inegal n organismele vii. n plante, spre exemplu, ele reprezint 80-90% din substana uscat, n timp ce esuturile animale conin cantiti mult mai mici (1-5%). Glucidele, libere sau sub form de derivai, se afl n compoziia oricrui organism viu, unde ndeplinesc rolul de surse de energie i rol structural (plastic), ele fiind elemente de construcie ale celulei vii. Din punct de vedere structural glucidele se mpart n trei clase: monoglucide oligoglucide poliglucide Monoglucidele (monozaharidele sau ozele) sunt combinaii naturale polihidroxicarbonilice, mai exact polihidroxialdehide sau polixidroxicetone cu lan C-C nentrerupt. Dup numrul atomilor de carbon din molecul monoglucidele pot fi trioze, tetroze, pentoze, hexoze, heptoze etc. Dup natura gruprii carbonilice monoglucidele pot fi. aldoze monoglucide care au n molecula lor grupa aldehidic; cetoze - monoglucide care au n molecula lor grupa cetonic.CH 2 OH H C =O (CH OH) n CH 2 OH aldoz C =O (CH OH) n CH 2 OH cetoz

30

Monozaharidele cel mai des ntlnite n organismele vii sunt urmtoarele (cu reprezentani mai importani): Triozele sunt monozaharide cu trei atomi de carbon n molecul. Dintre trioze dou sunt rspndite n celulele animale i vegetale gliceraldehida (aldotrioz) i dihidroxiacetona (cetotrioza):H C =O CH OH CH 2 OH gliceraldehid (aldotrioz) CH 2 OH C =O CH 2 OH dihidrox iacetona (cetotrioz)

Tetrozele sunt monozaharide cu patru atomi de carbon n molecul. Un exemplu este eritroza ntlnit ca produs intermediar fosforilat n degradarea enzimatic a glucidelor:H C =O H C OH H C OH CH2 OH eritroza

Pentozele sunt monozaharide cu cinci atomi de carbon n molecul. Dintre aldopentoze cea mai important este riboza, monozaharidul cel mai rspndit n natur, ndeosebi ca parte component a acizilor nucleici sau a unor enzime:H C =O H C OH H C OH H C OH CH 2 OH riboza

Dintre cetopentoze n organismele vii se ntlnesc sub form fosforilat ribuloza i xiluloza:CH2OH C O H C OH H C OH CH2OHribuloza

CH2OH C O HO C H H C OH CH2OHxiluloza

Hexozele sunt monozaharide cu ase atomi de carbon n molecul. Glucoza este monozaharidul cel mai rspndit n natur, gsindu-se att sub form liber (snge, limf, miere, fructe, sucuri de plante etc.) ct i combinat (glicozide, oligozaharide, polizaharide):

31

H HO H H

O C H C OH C H C OH C OH CH2OHglucoza

H HO HO H

O C H C OH C H C H C OH CH2 OH

HO HO H H

O C H C H C H C OH C OH CH2OHmanoza

CH2OH C O HO C H H C OH H C OH CH2OHfructoza

galactoza

Galactoza se ntlnete rar n stare liber, n fructe. Sub form combinat se ntlnete n lactoz, melibioz (dizaharide), rafinoz (trizaharid), i n cteva polizaharide. Manoza se gsete sub form combinat n cteva polizaharide(mucilagiile i gumele vegetale). Fructoza denumit i levuloz este ntlnit n stare liber n miere, n sucul unor fructe, n mere, tomate etc., iar sub form combinat n structura zaharozei, n unele oligozaharide etc. Heptozele sunt monozaharide cu apte atomi de carbon n molecul. Sedoheptuloza se gsete n sucul numeroaselor plante i ca produs intermediar n procesul de fotosintez (rol important n biosinteza hexozelor din compui care conin un numr mai mic de atomi de carbon):CH 2OH C O C H C OH C OH C OH CH 2OH

HO H H H

sedoheptuloza

Cele mai simple monoglucide sunt triozele. Se cunoate o aldotrioz denumit aldehida gliceric (gliceraldehida sau gliceroza) i o cetotrioz-dihidroxiacetona. Cu excepia dihidroxiacetonei, toate ozele conin cel puin un atom de carbon asimetric (chiral) deci prezint izomerie optic. Aldehida gliceric conine un atom de carbon asimetric (C*) i prin urmare exist dou forme cu configuraii diferite, adic doi enantiomeri: aldehida D-gliceric i aldehida L-gliceric:O C H C * OH CH 2 OH H HO C C* H CH 2 OH H O

aldehida D-gliceric

aldehida L-gliceric

Toate monoglucidele (tetroze, pentoze, hexoze etc.) care teoretic pot fi obinute din aldehida D-gliceric prin creterea succesiv a catenei atomilor de carbon de la captul cu grupa aldehidic, formeaz seria D. Monoglucidele provenite pe aceeai cale din L-gliceraldehid constituie seria L. Prin urmare, monoglucidele aparin seriei D sau L dac atomul de carbon asimetric, cel mai ndeprtat de grupa carbonil, are aceeai configuraie ca i atomul de carbon asimetric din aldehida D- sau Lgliceric. Marea majoritate a monoglucidelor descoperite n natur fac parte din seria D deoarece organismele vii nu conin enzimele capabile s metabolizeze ozele seriei L. Ozele mai prezint un tip special de izomerie numit epimerie. Dou oze epimere difer structural prin configuraia unui singur atom de carbon asimetric. De exemplu D-glucoza i Dmanoza sunt epimere n raport cu C-2 iar D-ribuloza i D-xiluloza sunt epimeri dup atomul C-3:CHO C OH C H C OH C OH CH2 OH CHO C H C H C OH C OH CH2 OH

H HO H H

HO HO H H

32

D glucoza

D manoza

Transformarea unei oze n epimerul su se numete epimerizare. Formulele liniare (aciclice) sunt utile pentru compararea structurii diferitelor monoglucide, ns nu reflect unele proprieti ale acestora. Aldozele cu peste 4 atomi de C n molecul i cetozele cu peste 5 atomi de C n molecul pot da reacii de ciclizare intramolecular cu formare de semiacetali, respectiv semicetali (formule ciclice). La grupa carbonil din aldoze i cetoze se adiioneaz o grup OH din aceeai molecul rezultnd cicluri de 5 sau 6 atomi dintre care unul de oxigen. Ciclul cu 5 atomi se numete ciclu furanozic iar ciclul cu 6 atomi se numete ciclu piranozic. De exemplu,H H HO H H O C C OH C H C OH C OH CH2OH H H HO H H OH C C OH C H O C OH C CH2OH

n cazul glucozei: n structura astfel rezultat, grupa carbonil este mascat i n locul ei apare o nou grup OH numit hidroxil glicozidic sau semiacetalic (semicetalic). Prin ciclizarea monoglucidelor apare un nou centru de asimetrie la atomul de carbon care a aparinut grupei carbonil. Prezena acestui nou centru asimetric n molecula monoglucidelor face posibil existena a doi stereoizomeri numii - i -anomeri. Anomerul desemneaz forma n care orientarea hidroxilului glicozidic este identic cu cea a hidroxilului de la atomul de carbon asimetric care determin apartenena monoglucidului respectiv la seria D sau L, iar -anomerul are configuraia opus la cei doi atomi de carbon. Un tablou mai complet asupra strii reale a moleculelor de monoglucide se obine dac formulele ciclice se reprezint prin formulele de perspectiv:CH2 OH H CH2 OH H

O HH H

O OHH H OH

OH OH H

OH

OH OH H

H

OH

-D-glucoz

-D-glucoz

Ciclul piranozic sau furanozic este imaginat perpendicular pe planul hrtiei, atomul de oxigen aflndu-se la distana cea mai mare de observator. Legturile dinspre observator se traseaz cu linie groas. Substituenii orientai n formele ciclice la dreapta liniei verticale se plaseaz n formulele de perspectiv sub planul heterociclului, iar cei dispui la stnga deasupra. Grupa alcoolic primar, sau restul catenei de la atomul de carbon asimetric cu cel mai mare numr de ordine din ciclul piranozic sau furanozic se trece deasupra planului moleculei, dac atomul menionat are configuraie D i sub acest plan n cazul atomului cu configuraia L. Aceeai regul se aplic i pentru grupa alcoolic primar legat la C-2 n piranozele sau furanozele provenite din cetoze. Derivai funcionali ai monoglucidelor n organismele vii se ntlnesc att ozele ca atare ct i sub forma unor derivai funcionali. ntre derivaii monoglucidelor se numr: deoxiglucidele, aminoglucidele, derivai acizi, glicozide. a) Deoxiglucidele sunt derivai ai monozaharidelor n care una sau mai multe grupri OH sunt substituite cu atomi de H. Un astfel de compus foarte des ntlnit n natur este 2-Ddeoxiribza care intr n structura ADN-ului.

33

riboza

deoxiriboza

b) Aminoglucidele sunt derivai ai ozelor n care o grupare OH este substituit cu o grupare aminic. Aminoglucidele cele mai rspndite n natur sunt 2-aminoaldozele cum ar fi glucozamina i galactozamina ntlnite de regul sub forma derivailor N-acetilai n structura glicoproteinelor i glicolipidelor:

glucozamina

galactozamina

O clas important de aminoglucide cu o structur complex, o formeaz acizii sialici care sunt derivai acilai ai acidului neuraminic:

Acidul neuraminic b) Acizii derivai de la monozaharide Gruparea aldehidic a aldozelor se poate oxida la gruparea COOH cu formarea hidroxiacizilor corespunztori numii acizi aldonici. Prin aceast proprietate se explic capacitatea reductoare a aldozelor. Dac se protejeaz gruparea aldehidic i se oxideaz gruparea alcoolic primar rezult acizii uronici. Atunci cnd se oxideaz att gruparea aldehidic ct i cea alcoolic primar se obin acizii aldarici (zaharici). n cazul glucozei cei trei acizi sunt:CHO H HO H H C C C C CH2 OH H OH OH OH H HO H H COOH C C C C CH2 OH H OH OH OH H HO H H COOH C C C C OH H OH OH H HO H H CHO C C C C OH H OH OH

COOHacid glucaric

COOHacid glucuronic

glucoz

acid gluconic

34

c) Glicozidele sunt derivai ai ozelor care iau natere prin substituirea hidroxilului glicozidic din formele ciclice ale ozelor cu alcooli, fenoli, amine etc. Fragmentul de monoglucid din molecula glicozidic se numete rest glicozidic sau glicon iar cealalt component se numete aglicon. n funcie de natura atomului prin care se leag cele dou componente, glicozidele sunt de mai multe tipuri: O-glicozide, N-glicozide, Sglicozide. Multe glicozide au importan practic, ns marea lor majoritate sunt toxice pentru om i animale. Oligoglucide (oligozaharide, oligozide) Sunt combinaii formate din 2 10 resturi de oze legate ntre ele prin legturi O-glicozidice. Atunci cnd legtura glicozidic se formeaz ntre hidroxilul glicozidic al unei oze i un hidroxil alcoolic al alteia se formeaz oligoglucide reductoare. De exemplu maltoza (2 resturi de -Dglucoz), celobioza (2 resturi de -D-glucoz, lactoza (-galactoz + -glucoz).

maltoza

celobioza

lactozaDac legtura glicozidic se stabilete ntre hidroxilii glicozidici rezult oligoglucide nereductoare. De exemplu zaharoza (-D-glucoz + -D-fructoz), trehaloza, rafinoza etc.

zaharoza n funcie de numrul resturilor de oze oligoglucidele pot fi: - diglucide - triglucide - tetraglucide etc. Poliglucide (polizaharide)35

Sunt compui macromoleculari formai dintr-un numr mare de resturi de oze legate ntre ele prin legturi glicozidice. n funcie de structura chimic se mpart n dou grupe: homopolizaharide (homoglicani) care se caracterizeaz prin aceea c au molecula format din acelai tip de monozaharide; heteropolizaharide (heteroglicani)care au n structura lor 2 sau mai multe tipuri de oze sau derivai ai acestora. Homoglicanii pot fi la rndul lor: homoglicani neutri rezultai prin condensarea monoglucidelor neutre i homoglicani acizi - rezultai din acizi derivai de la monoglucide. Celuloza este cea mai rspndit substan organic natural. Este o poliglucid predominant vegetal, dar se poate ntlni i la unele bacterii i nevertebrate. Este un polimer liniar alctuit din resturi de -D-glucoz unite prin legturi -1,4-glicozidice. Hidroliza complet a celulozei conduce la obinerea cantitativ a -D-glucozei iar hidroliza parial la celobioz, diglucid care reprezint unitatea structural de baz a celulozei. Celuloza conine aproximativ 3 000 resturi de celobioz, avnd o mas molecular de aproximativ 400 000 daltoni (1D = 1,67x10-24g). Celuloza joac preponderent un rol structural n organismele vegetale. Amidonul este principala polizaharid de rezerv din plante (este depozitat n semine, bulbi, tuberculi etc.). Prin hidroliza complet a amidonului rezult -D-glucopiranoz. Amidonul reprezint un amestec de 2 polizaharide: amiloza (15-25%) este un polimer liniar alctuit din resturi alctuit de -D-glucopiranoz unite prin legturi -1,4-glicozidice:

Fig.I.10. Structura amilozei

amilopectina (75-85%) este un polimer cu structur puternic ramificat n care resturile de glucoz se unesc predominant prin legturi -1,4-glicozidice, iar n punctele de ramificaie prin legturi -1,6-glicozidice:

36

Fig.I.11. Structura amilopectinei

Amiloza i amilopectina au proprieti fizice i chimice diferite. Masa molecular medie a amilozei din cartofi este de aprox. 400 000 D, n porumb i orez de aprox. 100-200 000 D. Masa molecular a amilopectinei este de aprox. 20 x 10 6 D. Amiloza se coloreaz cu iodul n albastru nchis, iar cu amilopectina n albastru-violet. Amiloza, prin dizolvare n ap fierbinte d o soluie coloidal, limpede, nevscoas, iar amilopectina formeaz aa numitul clei de amidon. Amidonul are rol important n alimentaia omului. Inulina i fleina sunt poliglucide de rezerv ale D-fructozei care se ntlnesc n plantele superioare. Glicogenul este cea mai important poliglucid de rezerv din organismele animale. Se acumuleaz n principal n ficat i muchi. De asemenea se gsete n unele drojdii i bacterii. Are o structur foarte asemntoare cu cea a amilopectinei (legturi -1,4-i -1,6-glicozidice). Spre deosebire de aceasta, glicogenul posed o structur mult mai ramificat i mai compact. Dextranii sunt poliglucide produse de unele bacterii n care resturile de -D-glucoz sunt legate predominant prin legturi -1,6-glicozidice dar i ramificaii prin intermediul legturilor -1,2-, -1,3- i -1,4-glicozidice. Din dextrani se prepar Sephadex-ul folosit n laboratoarele de biochimie drept site moleculare (datorit structurii foarte ramificate). Agaroza este componentul principal al agarului din unele specii de alge roii marine, alctuit din resturi alternante de D-galactoz i 3,6 anhidro-L-galactoz, unite pe rnd prin legturi -1,4- i -1,3-glicozidice. Chitina este o polizaharid cu structur liniar constituit din resturi de N-acetil- -Dglucozamin legate prin legturi -1,4-glicozidice. Chitina intr n structura carapacei crustaceelor, a tegumentelor exterioare ale insectelor, a pereilor celulari ai ciupercilor, precum i ai multor microorganisme. Heteropolizaharide (heteroglicani) conin n molecul resturi a cel puin dou oze diferite. Galactomananii i glucomananii sunt heteropoliglucide formate din resturi de galactoz i manoz i respectiv glucoz i manoz unite prin legturi -1,3- i -1,4- glicozidice. Galactomananii se gsesc n seminele de leguminoase i n rizomii plantelor iar glucomananii predominant n organele subpmntene (tuberculi, rdcini, bulbi) ale unor plante. Aceste heteropoliglucide se gsesc alturi de amidon sau uneori ca substane unice de rezerv. Mucopolizaharidele sunt heteroglicani formai din resturi de aminoglucide care alterneaz cu resturi de acizi uronici. Se ntlnesc preponderent n organismele animale i n cel uman unde ndeplinesc funcii bine stabilite. Cele mai importante mucopolizaharide sunt: acidul hialuronic, acizii condroitin-sulfurici, dermatan-sulfatul, keratan-sulfatul, heparina. Acidul hialuronic este un polimer neomogen ce conine resturi de acid -D-glucuronic i N-acetil--D-glucozamin. Este constituentul principal al substanei intercelulare unde ndeplinete rolul de material de cimentare a celulelor n esutul conjunctiv. Joac i un rol de aprare prin faptul c acest heteroglican formeaz o barier contra ptrunderii germenilor patogeni i substanelor toxice n organism. Acizii condroitin-sulfurici sunt sulfai ai condroitinei care, la rndul ei reprezint un polimer liniar ce conine resturi de acid -D-glucuronic i N-acetil--D-galactozamin. Sunt rspndii n cartilaje, tendoane, oase etc. Dermatan-sulfatul are molecula format din resturi de N-acetil--D-galactozamin esterificate cu acid sulfuric la C4 i resturi de acid D-glucuronic. Este rspndit n piele, tendoane, pereii vaselor sanguine etc. Keratan sulfaii sunt formai din resturi de -D-galactopiranoz i N-acetil--Dglucozamin-6-sulfat. Se gsete n cornee, cartilaje i oase. Heparina este secretat n snge de ctre ficat, dar i de plmni i muchi. Este format din acid -D-glucuronic esterificat cu acid sulfuric la C2 i N-sulfo--D-glucozamin-6-sulfat. Heparina este un puternic anticoagulant. __________________________________________________________________________

ntrebri de verificare i evaluare a cunotinelor Ce sunt monozaharidele? 37

Ce sunt aldozele i hexozele? Scriei formulele lor generale. Scriei formulele liniar, ciclic i de perspectiv ale - i -D-glucozei Ce derivai de la monozaharide cunoatei? Scriei formulele lor chimice. Scriei formulele chimice ale principalelor oligozaharide reductoare i nereductoare. Care sunt principalii homoglicani? Unde se ntlnesc ei n natur? Care sunt principalele mucopolizaharide i rol ndeplinesc ele?

__________________________________________________________________________ I.1.2.7. Lipide Lipidele constituie o grup de substane bioorganice larg rspndite n organismele vii, caracterizat prin heterogenitatea structurii i a proprietilor fizico-chimice. Lipidele sunt substane insolubile n ap i solubile n solveni organici. n organismele vii, lipidele ndeplinesc mai multe funcii: rol energetic datorit energiei ce rezult n urma degradrii lor catabolice, aceast energie, acumulat sub forma legturilor macroergice ale moleculelor de ATP, putnd fi utilizat de ctre organisme n procesele de biosintez i n efortul fizic i intelectul; rol de rezerv ndeplinit de lipidele localizate n esuturile adipoase; rol plastic jucat de lipidele citoplasmatice care sunt, n general, lipide complexe care intr n compoziia citoplasmei i a tuturor membranelor biologice. Dac lipidele de rezerv sunt consumate n caz de subnutriie, lipidele plastice reprezint elementul constant, concentraia lor rmnnd nemodificat. rolul de material izolant jucat de lipidele localizate n esuturile subcutanate sau n jurul diferitelor organe unde asigur protecia mecanic i termic. Din punct de vedere structural, lipidele se clasific n dou mari grupe care la rndul lor se mpart n alte subgrupe: lipide simple (ceride, acilgliceroli, steride i etolide) i lipide complexe (fosfolipide i glicolipide). La rndul lor, acilglicerolii pot fi mono-, di- i triacilgliceroli, fosfolipidele se mpart n glicerofosfatide i sfingofosfatide, iar glicolipidele pot fi glicosfingolipide (cerebrozide i gangliozide) i glicozil-gliceride). Acizii grai ce intr n structura lipidelor sunt n general acizi monocarboxilici saturai sau nesaturai, cu numr par de atomi de carbon (doar rareori se ntlnesc acizi grai cu numr impar de atomi de carbon), cu caten normal sau ramificat. Acizi grai cu caten normal:

CH3 (CH2)n COOHn = 2 ac. butiric 4 ac. caproic 6 ac. caprilic 8 ac. caprinic 10 ac. lauric 12 ac. miristic 14 ac. palmitic 16 ac. stearic 18 ac. arahidic 20 ac. behenic 22 ac. lignoceric 24 ac. cerotic etc. Acizi grai cu caten ramificat

acid tuberculosteraic Acizi grai nesaturai cu o dubl legtur acid crotonic acid palmitoleic acid oleic38

cu dou duble legturi acid linoleic cu trei duble legtu