CARACTERISTICILE BIOCHIMICE ALE

MATERIEI VIICurs 1

Definitia biochimiei

• Biochimia = ştiinţa care se ocupă cu studiul compoziţiei materiei vii şi a transformarilor chimice care au loc în timpul proceselor vitale.

• Biochimia = disciplină care analizează mecanismele chimice care stau la baza fenomenului biologic.

• Biochimia include studii privitoare la: - compozitia chimică a celulei – unitatea materiei vii - mecanismele chimice prin care materia vie se formează,

se menţine, eventual se distruge; aceste procese sunt convenţional definite prin termenul de metabolism.

ELEMENTE COMPONENTE ALE MATERIEI VII

• Elementele care intră în compoziţia materiei vii = elemente biogene sau bioelemente

• Între organismele vii şi mediu există interacţiuni complexe, constând în schimburi de:

substanţă energie informaţie

ceea ce constituie aşa-numitele cicluri ale elementelor (C, N, etc.).

• În decursul evoluţiei, organismele vii au selecţionat din mediul înconjurător anumite elemente care pot fi clasificate în felul următor.

Clasificarea bioelementelor Elemente macrobiogene (macroelemente) - reprezintă până la 99%

din compoziţia materiei vii. Acestea sunt: H, O, C, N, P şi Ca

• În organismele vii sunt răspândite în proporţie de 96% H, O, C, N. Elemente oligobiogene (oligoelemente) - se găsesc în proporţie de

0,05-1%: Mg, Na, K, Fe, S, Cl.

• Macro- şi oligoelementele → rol structural şi energetic. Elementele microbiogene (microelemente) se găsesc în cantităţi

foarte reduse sau chiar în urme → rol predominant catalitic. • Unele sunt comune tuturor organismelor vii:

Cu, Co, Zn, Mn, F, I, Mo – si se numesc elemente invariabile • Altele se găsesc numai în anumite organisme

Br, Si, Li, As, etc.- şi se numesc elemente variabile..

CarbonulC: Z=6, A = 12

• Este elementul biogen caracteristic pentru materia vie: prezent în toţi compuşii organici constitutivi ai sistemelor biologice

• Există în proporţii variabile (10-21%) atât în organismele animale, cât şi cele vegetale; conţinutul în carbon este mai mare la animale decât la plante.

• Starea de hidratare a organismului sau organului considerat influenţează conţinutul în carbon.

• Rolul biologic major al C este determinat de structura sa electronică şi de proprietăţile chimice particulare.

• Formează cu cei patru electroni de valenţă legături simple, duble, triple, combinaţii foarte variate, unele constituite din catene lungi, liniare sau ramificate, deschise, închise sau aromatice, cu structuri tridimensionale adesea foarte complexe.

• Se combină covalent cu H, O, N, S, P, etc. • Toate substanţele de bază din organismele vii sunt combinaţii ale

carbonului.

Azotul

N: Z=7, A=14.• În formă liberă azotul nu întreţine viaţa; sub formă de

combinaţii este specific şi indispensabil organismelor vii.

• Proteinele şi acizii nucleici care reprezintă suportul material al vieţii conţin în structura lor azot.

• Cantitatea de azot variază în organismele vii. Astfel, plantele conţin sub 1% azot, în timp ce organismele animale, conţin 3-3,5% N.

• Proteinele au un conţinut de 15-17% azot.

Hidrogenul şi oxigenul

H: Z=1, M=1,008O: Z=8, A=16

• În organismele vii se găsesc asociaţi predominant sub formă de apă, dar şi sub formă de combinaţii organice; proporţia este mai mare în ţesuturile puternic hidratate.

• În plante, hidrogenul se găseşte în proporţie de 6-7%, pe când în organismul animal, conţinutul este de cca. 9%.

• Oxigenul, la plante reprezintă 42-44%, iar la animalele superioare, respectiv la om cca. 62%.

Alte elemente

• În structura organismelor vii se găsesc numeroase alte elemente, cum sunt: Ca, P, Mg, K, Fe, Cl şi elemente mai grele ca: Zn, Cd, Cu, Mn, I, S care au rol structural şi biocatalitic.

CONSTITUENŢII FUNDAMENTALI AI MATERIEI VII

• În organism, bioelementele se găsesc asociate sub formă de combinaţii chimice minerale (anorganice) sau organice.

• Principalele combinaţii minerale în sistemele biologice sunt apa şi electroliţii (anioni şi cationi).

Apa

• Este mediul biogen prin excelenţă. • Un organism viu poate fi considerat ca un sistem

eterogen dispers, mediul de dispersie fiind apa.• Conţinutul în apă al organismelor vii variază între 40-

94% în funcţie de specie, sex, vârstă, climă. Originea apei este exogenă (alimentară) sau endogenă (rezultată în urma reacţiilor metabolice).

• Se constată un paralelism între intensitatea proceselor biologice şi conţinutul în apă. Embrionul, cu cel mai mare conţinut în apă prezintă cel mai intens metabolism.

• În ţesuturi apa îndeplineşte roluri variate: mediu pentru reacţiile biochimice solvent pentru numeroşi compuşi, dielectric, vehiculant

al substanţelor componente, rol structural al anumitor constituenţi.

Structura apei

• În molecula de apă, electronii din legăturile O - H sunt deplasaţi spre atomul de oxigen.

• Cele două legături sunt egale: 0,96 Å şi formează între ele un unghi de 104,50.

• Moleculele de apă sunt asociate câte 3,4 sau 6, în funcţie de starea de agregare. Asocierea se realizează prin dipoli şi legături de hidrogen.

• Energia legăturii de hidrogen este de 4,7 Kcal/mol. • Apa se asociază prin legături de hidrogen şi cu proteinele şi acizii nucleici

contribuind la structura tridimensională a acestora. • În stare de vapori apa este neasociată.• Capacitatea calorică ridicată, căldurile de vaporizare şi topire înalte fac din

apă un izolator termic şi contribuie astfel la păstrarea temperaturii corporale.

Sărurile minerale

• Au rol structural, catalitic, fizico-chimic. Sărurile de calciu, de exemplu, sunt componente ale oaselor.

• Unii ioni au rol catalitic intrând în structura unor compuşi biologici foarte activi, cum sunt clororfila, hemoglobina, enzimele.

• În mare măsură au rol fizico-chimic condiţionând echilibrul osmotic, acidobazic, electrochimic, în ţesuturi.

Combinaţii organice.

• Combinaţiile organice existente în organismele vii sunt sunt denumite biocompuşi sau biomolecule.

• După rolul lor deosebim: constituenţi organici fundamentali ai materiei vii –

aminoacizi, proteine, glucide, lipide, acizi nucleici - indeplinesc funcţii structurale şi energetice.

efectori biochimici: substanţe care influenţează şi controlează desfăşurarea proceselor din sistemele vii:

biocatalizatori sau enzime şi precursorii lor alte substanţe cu rol de factor de reglare şi control:

hormonii, vitaminele mediatorii chimici ai influxului nervos.

Celula.

• Cu toată diversitatea lor, organismele vii posedă o unitate structurală şi funcţională: celula.

• Organismele superioare sunt multicelulare; celule de acelasi tip formează asociaţii (ţesuturi, organe), astfel putand să îndeplinească roluri şi funcţii diferite.

• Toate organismele vii au la baza 2 tipuri de structuri chimice fundamentale: acizi nucleici şi proteine, substanţe care se găsesc în cantităţi aproximativ constante, atât în organismele unicelulare cât şi în cele pluricelulare.

• Alte substanţe de bază ale celulelor sunt lipidele şi hidraţii de carbon.

• Combinaţiile anorganice sunt şi ele parte integrantă a organismelor vii.

ORGANISMUL VIU CA SISTEM ORGANIZAT

• Substanţele organice şi anorganice, ionii, radicalii liberi sunt componente ale materiei vii care se pot asocia sub forma a diferite structuri, unele spaţiale tridimensionale în care componentele au o poziţie bine determinată în spaţiu şi care participa la reacţii ce se desfăşoară în timp într-o succesiune şi într-o interdependenţă riguros determinată.

• Astfel de structuri spaţiale se numesc sisteme organizate.

• Prin sistem se defineşte un complex de elemente aflate în interacţiune

Caracteristici ale sistemelor biologice • Se întâlnesc sisteme organizate în chimia anorganică (cristalele) şi în

chimia organică (compuşii macromoleculari). Nivelul de organizare al acestor sisteme este scăzut.

• În cadrul sistemelor biologice se diferenţiază însă nivele de organizare ierarhizate cu caracteristici proprii pentru fiecare nivel: organism - organe - ţesuturi - celule - agregate moleculare - molecule - atomi.

• Caracteristici ale sistemelor biologice: integritatea: viaţa nu poate fi concepută decât în cadrul unui

organism bine individualizat şi care numai în această formă îşi exercită funcţiile vitale.

caracter informatizat: cele mai specifice funcţii ale vieţii (autoreînnoirea, reproducerea, evoluţia, adaptarea) sunt procese informaţionale.

capacitatea de autoregale: sistemele biologice sunt şi sisteme autoreglate posedând mecanisme de homeostazie cu o eficienţă deosebită.

• Principalul mecanism prin care sistemele autoreglate îşi asigură homeostazia este principiul retroinhibiţiei (feed-back).

• Sistemele biologice funcţionează ca sisteme cibernetice tipice.

AMINOACIZII - SUBSTANTE DE BAZĂ

ALE PROTEINELOR

Importanta proteinelor• Proteinele sunt complexe macromoleculare prezente în toate

celulele vii. Deşi organismele vii conţin pe lângă proteine si alte biomolecule organice, precum glucide şi lipide, procese biologice esentiale se desfasoara în mare măsură pe seama proteinelor - cele mai importante constituente ale organismelor vii.

• Proteinele sunt constituenţi principali ai protoplasmei şi nucleului.

• Structura proteică se întâlneşte într-o serie de combinaţii de mare importanţă pentru organism ca: enzime, hormoni, pigmenţi, etc.

• Denumirea de proteină provine de la cuvântul grecesc “protos” care înseamnă “fundamental” sau “cel dintâi”.

• Din punct de vedere chimic proteinele sunt polimeri ai aminoacizilor

•Analiza elementală nu contribuie decât puţin la caracterizarea proteinelor, deoarece deosebirile de compoziţie între proteine sunt mici. •Toate proteinele conţin elementele: C, H, O, N şi S; în unele proteine se găsesc în cantităţi mici: P, Fe, Cu, Mg, I, Cl, Br.•Proporţia principalelor elemente este în medie următoarea:

Din punct de vedere chimic proteinele sunt polimeri ai aminoacizilor.

Aminoacizii pot fi obţinuţi în stare liberă prin hidroliza chimică sau enzimatică a proteinelor.

Exista 20 de aminoacizi naturali care intra in mod uzual in compozitia proteinelor.Toti sunt α-aminoacizi, cu exceptia prolinei.Cu esceptia glicinei, atomul de C α este legat de 4 atomi diferiti atomul de C α este un atom de C asimetric, chiral.

Deoarece in structura aminoacizilor exista o grupa acida si una bazica, acestia pot forma in solutii apoase, in functie de pH, atat cationi, cat si anioni.Au un caracter amfoter.

Proprietăţi ale aminoacizilor

• Aminoacizii sunt substanţe albe, cristalizate, care se topesc la temperaturi ridicate (peste 200oC) cu descompunere; nu pot fi distilaţi, nici chiar în vid.

• Majoritatea sunt solubili în apă (excepţie cisteina şi tirozina care sunt foarte greu solubili) şi insolubili în solvenţi organici, asemănându-se din acest punct de vedere cu electroliţii.

• Toţi aminoacizii sunt solubili în acizi şi baze diluate.• La hidroliza proteinelor se obţin cca 20 - 25 de

aminoacizi. • În total se cunosc peste 50 de aminoacizi. • Unii, mai rari, se găsesc doar în plante şi

microorganisme.

Aminoacizii întâlniţi în proteinele animaleAminoacizi neutri, cu catene laterale nepolare

(hidrofobi)

Aminoacizi neutri, cu catene laterale nepolare (hidrofobi)

Aminoacizi neutri, cu catene laterale polare (hidrofili)

Aminoacizi neutri, cu catene laterale polare (hidrofili)

Aminoacizi dicarboxilici

Aminoacizi bazici

Aminoacizi bazici şi amidele lor

Prin decarboxilarea acidului aspartic rezultă β-alanina.

Intră în structura unor componente biologice indispensabile (ac. pantotenic), în dipeptidele din muşchi (carnozina şi anserina).

Ac. γ-aminobutiric format prin decarboxilarea ac. glutamic, este un component al ţesutului cerebral cu rol în transmiterea impulsurilor nervoase.

• Sarcozina, derivatul N-metilic al glicocolului are acţiune antitumorală prin blocarea sintezei bazelor purinice.

• Prin metilare se formează betaina cu rol lipolitic.