Bioch Sem 2 Curs

43
Enzime La nivelul tuturor organismelor vii se desfasoara reactii chimice (biochimice) care trebuie sa asigure specificul viului. Aceste reactii trebuie sa se desfasoare in timp si in spatiu coordonat a.i. sa se obtina intermediarii metabolici intr-o prima faza si respectiv produsii finali de reactie strict necesari la nivel celular. Termodinamic, reactiile care se desf in biosisteme / org vii poseda un minim de energie necesara desfasurarii, iar reactiile dependent de valoarea acestei energii, pot fi reversibile / ireversibile. Unele reactii biochimice sunt termodinamic defavorizate si din aceasta cauza, ele se cupleaza constituind linii metabolice/cicluri metabolice in care per ansamblul acestora, sistemele sunt favorabile termodinamic. Toate sistemele vii poseda dinamism si sunt in raport cu mediul deschise (schimba energie si materie in ambele sensuri: de la biosistem spre mediu si dinspre mediu in biosistem). Intre reactanti si produsii de reactie exista intotdeauna o bariera energetica, care previne desfasurarea spontana si necontrolata a proceselor simultan la nivelul tuturor organismelor vii, materia se transforma echivalent in energie metabolica strict necesara desfasurarii tuturor proceselor metabolice. Pt desfasurarea reactiilor chimice din organismele vii este necesara prezenta catalizatorilor, care se numesc biocatalizatori in acest caz si care in limbaj curent se numesc enzime. Catalizatorul este acea substanta care se adauga unui sistem reactant in cantitati mici si care are capacitatea de a mari viteza reactiilor termodinamic posibile prin diminuarea energiei de activare a sistemului, la sfarsitul reactiei, substanta 1

description

cursuri

Transcript of Bioch Sem 2 Curs

Page 1: Bioch Sem 2 Curs

EnzimeLa nivelul tuturor organismelor vii se desfasoara reactii chimice

(biochimice) care trebuie sa asigure specificul viului. Aceste reactii trebuie sa se desfasoare in timp si in spatiu coordonat a.i. sa se obtina intermediarii metabolici intr-o prima faza si respectiv produsii finali de reactie strict necesari la nivel celular.

Termodinamic, reactiile care se desf in biosisteme / org vii poseda un minim de energie necesara desfasurarii, iar reactiile dependent de valoarea acestei energii, pot fi reversibile / ireversibile. Unele reactii biochimice sunt termodinamic defavorizate si din aceasta cauza, ele se cupleaza constituind linii metabolice/cicluri metabolice in care per ansamblul acestora, sistemele sunt favorabile termodinamic. Toate sistemele vii poseda dinamism si sunt in raport cu mediul deschise (schimba energie si materie in ambele sensuri: de la biosistem spre mediu si dinspre mediu in biosistem).

Intre reactanti si produsii de reactie exista intotdeauna o bariera energetica, care previne desfasurarea spontana si necontrolata a proceselor simultan la nivelul tuturor organismelor vii, materia se transforma echivalent in energie metabolica strict necesara desfasurarii tuturor proceselor metabolice.

Pt desfasurarea reactiilor chimice din organismele vii este necesara prezenta catalizatorilor, care se numesc biocatalizatori in acest caz si care in limbaj curent se numesc enzime. Catalizatorul este acea substanta care se adauga unui sistem reactant in cantitati mici si care are capacitatea de a mari viteza reactiilor termodinamic posibile prin diminuarea energiei de activare a sistemului, la sfarsitul reactiei, substanta regasindu-se calitativ si cantitativ (nu se transforma). Daca in chimia clasica o substanta catalizator poate interveni intr-un proces chimic in conditii de pH variate si in conditii de temperatura si presiuni diferite in raport cu conditiile normale, biocatalizatorii actioneaza in limite bine determinate de pH (dependent de natura tesutului/lichidului biologic unde actioneaza) si in majoritatea cazurilor la valori ale temperaturilor si presiunilor apropiate de valorile normale.

Rolul enzimelor in procesele de biotransformare poate fi anabolic (biosintetic), catabolic (degradativ), amfibolic (biosintetic + degradativ).(vezi slide)

Dependent de etapele prin care un proces biochimic se desfasoara (coordonata de reactie in procesul catalitic) trecerea de la reactanti la produsii de reactie necesita depasirea unei valori minime de energie numita energie de activare (Ea). Daca in sistemele necatalizate, transformarea reactantilor in produsi necesita valori mari ale Ea, ceea ce determina ca putine molecule sa posede acest minim energetic si deci viteza de reactie este mica, in conditii catalitice, parametrul Ea este diminuat puternic Ea

* si astfel un nr mult mai mare de reactanti poseda minimum de energie a.i. sa se transforme in produsi de

1

Page 2: Bioch Sem 2 Curs

reactie. Din aceste motive, viteza reactiilor in prezenta catalizatorilor creste substantial in raport cu viteza aceluiasi sistem in conditii necatalizate.

Enzimele sunt specii macromoleculare care in majoritatea cazurilor sunt de natura glicoproteica. Se cunosc cateva mii in natura, dintre care cateva sute sunt studiate. Pentru inceput enzimele cunoscute au primit denumiri triviale, adica nesugestive (pepsina, tripsina, papaina), care nu indica nicio relatie intre reactant, produsul de reactie / procesul catalizat. S-a incercat ulterior denumirea enzimelor pornind de la denumirea reactantului sau a procesului catalizat, carora li s-a adaugat sufixul –aza (oxidaza, peptidaza, nucleotidaza),

In ultima perioada s-a acceptat si s-a propus denumirea sistematica conform Comisiei de Enzime (Enzyme Comission E.C.) in care se intalnesc 4 numere despartite fiecare prin cate un punct.E.C. : x.m.p.q. Numerele reprez: Clasa. Subclasa. Sub-subclasa. Pozitia ocupata de enzima in sub-subclasa.Toate enzimele cunoscute sunt reunite si clasificate in 6 mari clase:

1. Oxidoreductaze2. Transferaze3. Hidrolaze4. Liaze5. Izomeraze6. Ligaze

1. Oxidoreductazele = enzime capabile sa catalizeze transferul de electroni sau atomi de H (echivalenti de reducere de la nivelul reactantilor (substraturilor) catre alti reactanti in vederea obtinerii produsului final).

2. Transferazele- Catalizeaza transferul unor grupari functionale (CH3, OH, COOH, NH2) de

pe un substrat pe altul.3. Hidrolazele = capabile sa catalizeze ruperea legaturilor covalente dintr-un substrat (in prezenta apei)4. Liazele

- Catalizeaza ruperea legaturilor covalente din moleculele substraturilor in absenta apei 5. Izomeraze

- Catalizeaza transformarea unui izomer intr-altul (epimerie, enantiomerie, tautomerie)6. Ligaze

- Catalizeaza procesele de biosinteza (anabolice) – constituie legaturi covalente

2

Page 3: Bioch Sem 2 Curs

Substratul (S) = reactantul asupra caruia actioneaza enzima in procesul de transformare in vederea obtinerii produsului de reactie. Intre substrat si enzima se constituie interactii cu inalt grad de specificitate prin complementaritate (prin interm interactiilor de natura slaba, necovalente). La nivelul enzimei nu intreaga macromolecula interactioneaza cu substratul (care de regula e o molecula de dimensiuni mici), ci o zona special structurata din zona centrala a ghemului statistic din protein-enzima numit centru catalitic (situs catalitic). Centrul catalitic = constituit din cateva resturi de AA care nu se aseaza in pozitii adiacente in structura primara, dar se aseaza spatial in apropiere unul in raport cu celalalt.

Orice modificare conformationala la nivelul ghemului statistic al protein-enzimei poate conduce la modificarea pozitiei resturilor de AA care constituie centrul activ si in aceste conditii interactia cu substratul se diminueaza sau nu se mai realizeaza, viteza de reactie (activitatea enzimatica) scade/dispare.

Actiunea enzimei asupra substratului poate fi absoluta sau relativa de grup. Actiunea absoluta se produce atunci cand enzima actioneaza asupra unui si numai unuia dintre compusii posibili sa actioneze ca substrat (ex. Glucokinaza). Actiunea relativa de grup presupune actiunea enzimei asupra mai multor molecule de substrat care poseda structuri apropiate (hexokinaza).

Actiunea absoluta poate fi geometrica sau stereospecifica.Cataliza in conditii geometrice presupune obtinerea unui singur izomer geometric sau actiunea directa asupra unuia dintre izomerii geometrici dintre izomerii geometrici posibili.

Stereospecificitatea presupune ca enzima actioneaza doar asupra unui izomer optic dintre multi posibili sau din procesul de cataliza rezulta unul si numai unul dintre izomerii optici posibili. (vezi slide)

Asupra unui substrat pot actiona mai multe tipuri de enzime, iar produsii de reactie obtinuti sunt total diferiti conform fiecarei enzime. (vezi slide)

Alosteria. Enzime alostericeIn enzimologie se considera ca enzima actioneaza asupra substratului cu

formarea in conditii de reversibilitate a complexului E+S k1 k2↔ E-S k2→E+P

(enzima substrat). Acesta datorita bogatiei energetice (instabilitatii termodinamice) se poate transforma ireversibil in enzima si produsul de reactie, enzima eliberata putand sa reia ciclul catalitic practic la infinit. Majoritatea enzimelor nu sunt constituite dintr-un singur lant polipeptidic, ci sunt constituite dintr-un nr de regula par de lanturi polipeptidice care adopta structura cuaternara, functionala. Oricare dintre protomerii care constituie oligomerul nu prezinta functie catalitica. In cazul acestor enzime (alosterice) alaturi de centrul catalitic exista cel putin un alt centru numit centru alosteric, la nivelul caruia nu interactioneaza cu substratul. (allos=altul, steric=spatiu).

3

Page 4: Bioch Sem 2 Curs

Daca la nivelul centrului activ intotdeauna actioneaza substratul, la nivelul centrelor alosterice actioneaza efectorii alosterici care pot fi de natura endogena /exogena, de natura anorganica/organica. Efectorii alosterici de natura exogena si organica se numesc coenzime. Aceste specii moleculare de dimensiuni mici au rolul de a interactiona cu proteinenzima careia ii modifica fie conformatia, fie configuratia si astfel faciliteaza deschiderea centrului activ in vederea interactiei cu substratul.Coenzima faciliteaza:- schimb de protoni- schimb de electroni- transfer grupari functionale- torsionarea unor legaturiAnsamblul constituit din efectorul alosteric / coenzima si proteinenzima (apoenzima) const holoenzima. Doar holoenzima este activa dpdv catalitic si niciodata apoenzima nu poate exercita efect catalitic.

Polimorfism / IzoenzimeComplexele enzimatice de tip oligomer (adopta structura cuaternara) sunt constituite din protomeri (lanturi polipeptidice individuale) si dupa numarul acestora/al protomerilor si dupa mediul de interactie pot sa apara structuri oligomere apropiate structural care sunt biosintetizate si eliminate/eliberate la nivelul aceluiasi tesut care catalizeaza aceeasi reactie chimica, dar la niveluri diferite in organism.

In componenta oligomerului LDH (lactatdehidrogenaza?) se cunosc 2 tipuri de protomeri: - de tip H (Herz)- de tip M (Muscle)Oligomerul = const din 4 protomeri dependent de modul in care acestia interactioneaza in vederea constituirii structurii active.

Diferentele de structura inregistrate la nivelul oligomerului datorita compozitiei in protomeri determina dezvoltarea unor proprietati fizico-chimice si imunologice diferite:- mobilitate electroforetica- cinetica de reactie- coeficientii cinetici- comportare fata de analogi coenzimatici- sensibilitate la diversi inhibitori- specificitate- stabilitate- antigenitateSpecificul izoenzimelor

4

Page 5: Bioch Sem 2 Curs

Ele sunt codate de gene distincte care se pare ca deriva de la o gena ancestrala datorita faptului ca izoenzimele sunt de natura glicoproteica posttranslational trebuie sa suporte glicozilarea sau incarcarea cu acid sialic de a carei existenta depinde timpul de viata al enzimei.

Comparativ cu albuminele care au timp de viata/de injumatatire de pana la 30 zile, enzimele au timpul de viata de cateva sec maximum.Enzimele multisubstrat / cataliza multienzimatica presupune existenta unor procese chimice in care enzimele se asociaza de regula la nivel intracelular si actioneaza in cascada asupra substraturilor, produsul de reactie al unei enzime putand fi substrat pt urmatoarea enzima. Prin interm acestui concept de cataliza enzimatica se micsoreaza substantial timpul de actiune, iar sistemele enzimatice angrenate constituie linii/cicluri metabolice. (vezi slide)

Cinetică enzimaticăEnzimele acţionează asupra substraturilor în condiţiile în care variaţia

entalipiei libere ∆G<0 (sunt termodinamic posibile).In urma interactiei dintre enzima si substrat intotdeauna se const un

complex E-S (bogat energetic, instabil) ce tinde sa se stabilizeze prin transformarea ireversibila in produs de reactie. In procesul de cataliza, in urma interventiei enzimei asupra substratului, acestuia i se modifica structura transformandu-se in produs de reactie si in acest mod poseda caracteristici fizico-chimice diferite de ale substratului. In procesul de cataliza exista un ansamblu de reactii simple in urma carora substratul se transforma in produs de reactie. Daca din acest ansamblu de reactie exista o reactie care poseda cea mai mica viteza de reactie ( defavorabila energetic), aceasta reactie se numeste etapa determinanta de viteza. Aceasta etapa este fundamentala in procesul catalitic deoarece stabileste strict viteza de desfasurare a intregului proces catalitic.

Intotdeauna in procesele catalitice, enzima are concentratii deosebit de mici in raport cu substratul si concentratii mici constante in timp. In genere se defineste viteza de reactia a unui proces catalitic fie variatia concentratiei produsului de reactie in timp, fie variatia cu semn schimbat a concentratiei substratului in timp.v=- dS/dt v=dP/dt (vezi slide)

Pentru cataliza in care intervin enzime nealosterice (Michaelian) se considera ca viteza de desfasurare a procesului catalitic V = d.p. cu V max de desfasurare a procesului catalitic si concentratia substratului si i.p. cu suma dintre concentratia substratului si constanta Michaelis-Menten.V= Vmax [S] / Km+[S]

Transpunerea fizica a ecuatiei Michaelis-Menten prin reprezentarea vitezei de reactie in raport cu concentratia substratului [S] este sub forma unei curbe de tip hiperbola echilatera. (vezi slide)

5

Page 6: Bioch Sem 2 Curs

La concentratii mici ale substratului exista o proportionalitate directa intre concentratia acestuia/a substratului si viteza de reactie. Reactia este de ordinul I in timp ce la concentratii f mari ale substratului, procesul de cataliza atinge maximul de activitate (Vmax) cand orice cantitate de substrat adaugata nu va mai determina cresterea vitezei de reactie a procesului. In acest caz ordinul de reactie in raport cu substratul este 0. Intre cele 2 ipostaze de reactie determinate de concentratia substratului la conc f mica si constanta de enzima exista o zona intermediara unde ordinul de reactie este fractionar. La concentratii f mari de substrat se ajunge la saturarea enzimei cu substrat ceea ce inseamna ca intreaga cantitate de enzima este prezenta sub forma de complex ES si orice cantitate de substrat adaugat peste aceasta limita nu va conduce la modificarea vitezei de reactie. Curbe este de tip de saturare. Pt fiecare enzima in parte in conditii bine determinate de mediu, parametrul Vmax prezinta o valoare cinetica fundamentala.V= Vmax[S]/ ([S] +Km)[S] >> V=Vmax[S] / [S] => V=Vmax

Km>> V=Vmax[S]/Km => V=Vmax/Km * [S] Vmax/Km=ct

Daca V=Vmax/2 Vmax/2= Vmax[S]/([S]+Km)2[S]=S+Km [S]=KmAtunci cand viteza instantanee este jumatate din v max de desfasurare a procesului catalitic, conc substratului=const Micaelis-Menten(Km). Se num afinitatea enzimei in raport cu substratul si este cu atat mai mare cu cat valoarea este mai mica si per verso. Deoarece cu cresterea Km este necesara o cantitate mai mare de substrat pt ca v procesului catalitic sa fie jumatate din v max de desfasurare a catalizei. Deoarece Km = conc substratului, Km are unitati de masura mol/L.

Spre deosebire de enzimele michaeliene, enzimele nemichaeliene, enzimele alosterice prezinta variatia v (activitate enzimatica) in raport cu conc substratului sub forma unei curbe sigmoidale si nu hiperbola echilatera. In cazul enzimelor nemichaeliene la conc relativ mici de substrat cresterea v de reactie este slaba datorita accesului dificil al substratului la nivelul centrului activ. Odata patrunsa, o molecula de substrat la nivelul centrului activ se produce o modificare prin deschidere a ghemului statistic care faciliteaza patrunderea celorlalte molecule de substrat si in acest mod se inregistreaza o crestere accentuata a v de reactie, iar in final cand intreaga enzima este angrenata sub forma de complex ES se obt v max de desfasurare a procesului.

In reprezentarea de tip Michaelis-Menten se obtin 2 parametrii fundamentali cinetici Vmax si Km. Din aceasta cauza s-a trecut la obtinerea unei ecuatii cu reprezentare liniara prin inversarea ecuatiei Michaelis-Menten.

6

Page 7: Bioch Sem 2 Curs

1/V=(Km+[S])/Vmax[S] 1/V=Km/Vmax * 1/[S] +1/Vmax Expresia obtinuta este ecuatia Lineweaver-Burk in care inversul vitezei variaza in raport cu inversul conc substratului dupa o linie/dreapta care nu trece prin origine. (vezi slide) Prin linearizarea ec Michaelis-Menten se poate determina f usor parametrul Vmax prin interceptia cu ordonata y si rsp constanta Michaelis-Menten prin interceptia cu abscisa ox. (la laborator) Aceasta reprezentare este acceptata ca o simplificare in caracterizarea proceselor catalitice, deoarece parametrii cinetici fundamentali pot fi determinati fie direct fie indirect rapid. Vmax de desfasurare a unui proces catalitic este dep de conc enzimei [E] cu care = d.p. prin factorul k2. Constanta k2 se def ca fiind constanta catalitica si reprez v reactiei catalizate la conc unitara a enzimei. Vmax=k2[E] Din aceste considerente k2 constanta de v are unit de masura 1/s, iar inversul constantei catalitice 1/k2 are unit de masura s si se numeste ciclu catalitic, adica timpul necesar enzimei pt a cataliza transformarea unui mol de substrat in produs de reactie dupa care aceasta este capabila sa reia ciclul catalitic. Din aceste considerente pt un sistem catalitic dat parametrul obt prin raportul dintre constanta de v k2 si constanta Michaelis-Menten Km este fundamental si trebuie sa aiba valori cat mai mari. Km mic = afinitate mareKm mare = ciclu catalitic mic

Inhibitia

In procesul de inhibare, anumite substante actioneaza prin diminuarea/anihilarea activitatii catalitice a enzimei. Inhibitia ireversibila/otravirea:Compusii actioneaza prin intermediul legaturilor covalente, necovalente f puternice asupra enzimei. Disocierea inhibitorului se realizeaza cu greutate/uneori este ireversibila. = data de sistemele nebiologice: - metale grele (Hg, Cu, Ag) - agenti alchilantiPesticide organofosforice si carbamice care actioneaza cu hidroxilul serinic din centrul activ al serinproteazelor (colinesteraza,chimotripsina)

a. Inhibitia ireversibila (otravirea)Allopurinolul

b. Inhibitia reversibilaInhibitia competitiva (de asociere exclusiva)Inhibitorul are structura asemanatoare substratului.

7

Page 8: Bioch Sem 2 Curs

Inhibitorul se poate lega la niv centrului activ, oferind o competitie substratului initial (concentratia este factorul determinant).Viteza maxima a procesului nu se modifica, se modifica insa constanta Michaelis-Menten.Inhibitorul competitiv diminueaza activitatea enzimatica datorita interactiei in genere, cu aceleasi grupari functionale din centrul catalitic la care se fixeaza si substratul in cursul reactiei enzimatice.V nu se modifica, afinitatea enzimei fata de substrat scade in prezenta =inhibitorului competitiv (Km’> Km).

Inhibitia necompetitiva- Nu mai au structuri asemanatoare – substratul cu inhibitorul- Legarea inhibitorului se realiz la alt niv decat centrul activ

In acest caz, constanta Michaelis-Menten e constanta (nu se modifica fata de cazul neinhibat), insa se modifica viteza maxima a procesului.Pt reprezentarea M-M

Alti factori: - Ioni din mediu- Detergenti- Potentialul redox al mediului- Presiunea- Radiatiile (UV, X, beta)

(vezi factorii chaotropici de la structura tertiara a proteinelor)

Mecanisme cataliticeDupa modul de actiune al enzimei asupra substratului se cunosc mai multe ipoteze.

1. Ipoteza tiparului rigid – cheie-broascaSubstratul se potriveste perfect centrului activ enzimatic cu care interactioneaza asa cum o cheie deschide un lacat/broasca. Se formeaza complexul E-S si se formeaza unul/mai multe produse de reactie.

2. Ipoteza complexului E-S cu participarea coenzimeiUnele enzime necesita pt a actiona catalitic si prezenta unor coenzime (cofactori de natura organica). Se formeaza complexul Enzima-Coenzima-Substrat care determina ulterior refacerea enzimei si obtinerea coenzimei modificate si rsp a produsului de reactie. Ex. La cazul dehidrogenazei necesita coenzime nicotinamidice / flaviniceNAD+ Nicotinamidadenindinucleotidic => NADHNADP+ Nicotinamidadenindinucleotidfosfatul=>NADPH

8

Page 9: Bioch Sem 2 Curs

FAD Flavinadenindinucleotidic => FADH2

FMN Flavinmononucleotidic => FMNH2

Toate acestea sunt forma oxidata. 3. Ipoteza modificarilor conformationale

Se aplica atunci cand la nivelul centrului activ si la nivelul substratului exista grupari cu sarcina electrica totala / partiala (polarizate).

Numeroase reactii se produc in cataliza acido-bazica. - Tine cont de taria acidului/bazei implicate.

Grupari functionale:Carboxil – carboxilatFenol – fenoxidTiol – sulfat

Mecanism prin cataliza covalenta- Se explica prin aparitia unor legaturi covalente intre enzima si substrat- Ex. Decarboxilarea acetoacetatului

Alte mecanisme:- Prin intermediul ionilor metaliciLa aceasta cataliza exista 2 aspecte:- Metaloenzimele – contin ioni ai metalelor tranzitionale in constituenta

enzimei- Enzime metalactivate – in prezenta anumitor ioni metalici din gr 1 sau 2

apar procese de favorizare/activare a reactiei enzimatice (ex. Na, K, Ca, Mg)

Enzima multisubstrat= acea enzima care catalizeaza transformari ale mai multor substraturiEx. Oxidoreductaze, transferaze, hidrolaze, izomerazeIn cataliza aceasta exista 2 mecanisme:- Mecanisme secventiale presupun eliberarea produsilor de reactie dupa ce

enzima a actionat asupra tuturor substraturilor - Mecanisme ping-pong – produsii de reactie apar in timpul desfasurarii

reactiilor dupa actiunea enzimelor specifice

Reglarea activitatii enzimaticeSe realizeaza tinand cont de situatia reala a sistemului biochimic, influentandu-se transformarea substratului si concentratia enzimei.

Clase de enzime1. Oxidoreductaze

9

Page 10: Bioch Sem 2 Curs

- Catalizeaza procese redox (oxidare +reducere) = transfer de electroni/protoni- De obicei se realizeaza in prezenta unor coenzime1.1. Dehidrogenaze = oxidoreductaze NAD /FAD dependente

Dehidrogenaze NAD+ si NADP+ dependente = enzime anaerobe (acceptorul este altul decat forma de O) Prin restul de nicotinamida, coenzimele NAD+ si NADP+ participa la procese redox. Experimental, transformarea NAD+ in NADH se poate urmari spectral in domeniul UV: se urmareste fie scaderea in timp a semnalului la 260 nm, fie formarea in timp a lui NADH la 340 nm (vezi slide).

Dozarea GOT –principiul reactiei

1.2. Oxidoreductaze FAD/FMN dependente (vezi caiet) FAD + FMN pot fi aerobe / anaerobeFADH2 + O2 => FAD + H2O2

ROS = specii reactive ale oxigenului

Coenzimele participa la procese redox in care sunt implicate specii reactive ale oxigenului (vezi slide)

Flavinenzimele contin si ioni metalici (=metaloenzime) ex Fe care ofera posibilitatea de legare si transportare de e-.

1.3. Transelectronaze- Catalizeaza procese redox cu schimb de electroni= importante in catena respiratorie (ex. Citocromul)Cit (Fe2+) – 1e- <=> Cit (Fe3+) +1e-

Hb (Fe2+) <=> MetHb(Fe3+)

1.4. Oxidaze- Catalizeaza reactii folosind ca substrat O-ul sau peroxiziiEx. Peroxidaze si catalaze (vezi slide)Peroxidaze: H2O2 + 2H+ +2e- => 2H20Catalaze: H2O2 + H2O2 => 2H20 + O2

Se clasifica in:- Monooxigenaze- Dioxigenaze (vezi slide)

2. Transferaze

10

Page 11: Bioch Sem 2 Curs

- Catalizeaza reactii de transfer de grupari functionale de pe un substrat pe altul

Ex. Aminotransferaze (TGO, TGP), metiltransferaze, fosfotransferaze, aciltransferaze(vezi slide) GOT = glutamatoxalilacetattransaminaza / AST/ASAT = aspartattransaminazaGPT = glutamatpiruvattransaminaza / ALT/ ALAT alaniltransaminaza

Glicoziltransferaze Monozaharid + ATP => Monozaharid-P + ADPMonozaharid-P +UTP => Monozaharid-UDP + PPiMonozaharid-UDP + Monozaharid => diglicerid + UDP (vezi slide)

3. Hidrolazele Esterazele =o subclasa a hidrolazelor si au capacitatea de a cataliza scindarea hidrolitica a legaturii esterice, cu eliberarea acidului si alcoolului corespunzator.

Lipaze (vezi slide)

Fosfoesteraze:- Fosfomonesteraze (vezi slide)

o Fosfataza alcalina (vezi slide)o Fosfataza acida (vezi slide)

- Fosfodiesteraze

Glicozidaze

Amilaze

Hialuronidaze

Peptidaze

11

Page 12: Bioch Sem 2 Curs

TEHNICI IMUNOCHIMICE

Def. Presupun identificarea uneia / a ambelor specii imune din probe biologice cu rol in diagnostic. Tehnicile acestea se pot folosi si in protectia mediului si in analiza de alimente.

Specii imunochimiceAntigen (Ag)AnticorpiHaptene

IgGIgAIgM – nu poate traversa bariera placentaraIgDIgE

Haptena- mici molecule organiceAnticorpi monoclonali / policlonaliRecunoasterea antigenului Interactiile antigen-anticorp- necov- reversibile- specifice - exoterme

METODE IMUNOCHIMICE

Se clasifica in fctie de modul de analiza al interactiei Ag Ac in:- tehnici directe - tehnici indirecte (folosesc makeri) (vezi slide)

Tehnici directeImunodifuzia = metoda de evidentiere a uneia / a ambelor specii imune dupa o prealabila difuzie printr-un gel Imunodifuzia simpla (radiala, Mancini) Ids- presupune migrarea doar a uneia dintre speciile imune printr-un gel, cea de-a

2-a fiind deja incorporata in acesta. (vezi caiet) (vezi slide)

12

Page 13: Bioch Sem 2 Curs

Imunodifuzia dubla- presupune migrarea ambelor specii imune din gel - daca speciile sunt specifice apare interactia Ag-Ac materializata prin

linii/arcuri de precipitare - are avantajul ca poate exprima relatiile intre care se afla antigene vecine. Exista 3 variante de intersectie a antigenelor vecine.

Aceste tehnici de Id dureaza 24-48 h.

ContraimunoelectroforezaDef. se aplica pt specii imune incarcate electric / care au posibilitatea de derivatizare prin introducerea unor grupari functionale incarcate electric. (vezi caiet + slide)- metoda are avantajul unui timp de lucru mai scurt decat in cazul tehnicilor de

imunodifuzie de ordinul zecilor de minute. - metoda este calitativa si semicantitativa

Imunoelectroforeza - presupune mai multe tipuri de analiza combinate :

a. modelul Grabar (vezi laborator) presupune 2 etape: electroforeza (electromigrarea uneia dintre speciile imune) si imunodifuzia dubla , a speciilor separate anterior fata de antispeciile corespunzatoare

Electromigrarea: Se alege experimental un pH mai mare decat toate pctele izoelectrice ale proteinelor. Daca gelul = de Agar, acesta are impuritati care in curent electric continuu se ionizeaza pozitiv si determina deplasarea acestora impreuna cu sistemul tampon si beta, gamma globulinele catre polul negativ, contrar sarcinii electrice. Fenomenul se numeste electroendoosmoza. Daca gelul nu are impuritati, electroendoosmoza nu mai are loc. Imunodifuza dubla a speciilor separate fata de antispeciile antiser.

- metoda este calitativa si semicantitativa (persoane specializate pot analiza intensitatile arcurilor de precipitare fata de seruri normale / standard.

b. tip rachete se aplica atunci cand antigenul este incarcat electric negativ, iar anticorpul se afla incorporat in gel.

Metoda este si cantitativa, deoarece inaltimea rachetei de precipitare = d.p. cu concentratia de antigen din godeu. (vezi slide + caiet)

c. bidimensionala presupune 2 etape de electromigrare pe directii perpendiculare. Se aplica pt amestecuri complexe de antigene. Obs: in a 2-a etapa de electromigrare, in gel se afla inclus si anticorpul/anticorpii. Metoda este calitativa si cantitativa.

13

Page 14: Bioch Sem 2 Curs

Metode indirecte- necesita existenta unui marker legat chimic de una din speciile imune.

Markerii pot fi:- radioizotopi -tehnica RIA - fluorocromi - FIA- enzime EIA- particule magnetice

Radioimunodetectiile RIAFolosesc ca marker substante active/radioizotopi 125 I, 3H (tritiu), 14C, 32P,

35S. Se aplica cu succes pt detectii de substante aflate in urme (concentratii f mici ex. hormoni, vitamine, compusi poluanti) => metoda este f sensibila.

Metoda prez dezavantaje, deoarece necesita conditii experimentale speciale, personal inalt calificat.Specificitate – dintr-un amestec recunosc cv anumeSensibilitate – se poate merge cu limita de detectie cat mai jos , la urme de substanta.Varianta directa presupune ca pe un suport activat se imobilizeaza probele care se doresc a fi studiate. In etapa de incubare cu antigen de pacienti marcati cu izotopi. Etapa de spalare – spalarea se realiz cu sisteme tampon pt indepartarea excesului de reactiv / a reactivului nespecific.Metoda = calitativa. Emisia de radiatii = d.p. cu concentratia antigenului specific => met cantitativa.

Fluoroimunodetectii FIA Pt fiecare fluorocrom exista o anumita lungime de unda de excitare si o anum lungime de unda de emisie. (vezi caiet si slide) Metoda = calitativa si uneori cantitativa cu rol in special in imunohistochimie.Varianta indirecta Se iau se pun in contact si au o perioada de incubare. Se adauga conjugatul imun marcat cu fluorocrom.

EIA Tehnici imunoezimatice (Enzymeimunoassay) ELISA Folosesc ca marker enzime (peroxidaza, fosfataza alcalina, glucozoxidaza).

Metodele se bazeaza atat pe interactii specifice Ag-Ac, cat si interactii specifice E-S. (enzima-substrat).Enzimele se leaga chimic prin diferite procese de speciile imune (tehnica Nakane Kawaoi, cu glutaraldehida), cand se obtin conjugate imunoenzimatice care prezinta scaderi accentuate ale activitatilor enzimatice si anticorpice in conjugat fata de cele corespunzatoare speciilor libere.

14

Page 15: Bioch Sem 2 Curs

Se obt in final r pozitive +negative, exista zone colorate / incolore – varianta calitative, cantitative.

Metoda sandwich Met calitativa (vezi caiet) + cantitativa.

Varianta prin competitie Se considera 2 pacienti cu concentratii diferite de anticorpi de testat in proba biologica. Y – anticorpul de testat. Se realizeaza o competitie la nivelul legarii de antigene intre anticorpii din proba si anticorpii marcati enzimatic (sunt favorizati cei in concentratie mai mare). Se adauga apoi substratul specific enzimei, au loc interactii specifice E-S cu formarea produsilor de reactie. Cu cat concentratia produsilor de reactie obtinuti e mai mare, cu atat s-a utilizat o concentratie mai mare de conjugat imuno-enzimatic, deci concentratia anticorpului din proba initiala a fost mai mica. Relatie de inversa proportionalitate intre produs si anticorpul initial.

4. Liaze Enzime care catalizeaza scindarea moleculelor de substrat in dreptul leg covalente C-C, C-O, C-N => subclase: C-C liaze (vezi slide)

Aldolaza (C-C liaza) (vezi slide)

5. Izomeraze Catalizeaza reactii de obtinere a unor izomeri (vezi slide)Racemaze (vezi slide)Epimeraze (vezi slide)Cis-trans izomeraze (vezi slide) Fosfohexozoizomeraza (vezi slide)

6. Ligaze / sintetaze = enzime care catalizeaza procesele de sinteza organica la niv org vii cu consum energetic , folosesc ca sursa de energie molecule macroergice (ATP, UTP, GTP).Aminoacil-tRNA ligazele = subclasa a ligazelor cu proprietatea de a activa AA liberi din citoplasma in vederea transferarii la nivelul ribozomilor pt participarea la biosinteza proteica conform mesajului codificat de codul genetic. (vezi slide)Carboxilligaze catalizeaza reactia de fixare a CO2 de un substrat, in prezenta biotinei. Prin acest mecanism se desfasoara initierea biositnezei acizilor grasi pe cale citoplasmatica din acetil coenzima A. => foloseste coenzime(vezi slide)

15

Page 16: Bioch Sem 2 Curs

VITAMINE. COENZIME

VitamineDpdv al solubilitatii se clasifica in 2 clase:- vitamine hidrosolubile - liposolubile Toate vitaminele hidrosolubile cu exceptia vit C (ac ascorbic) prez caracteristici specific coenzimelor.

De inv surse, modalitate de actiune, cant mai mare, mai mica in org, daca are coenzima, unde participa aceasta. Fara cantitati mg.

Vitaminele manifesta un spectru larg de actiune, in concentratii mici prez urmatoarele caracteristici generale:- factorii alimentari absolut necesari- manifesta influenta hotaratoare in procesele metabolice- factori de reglare a functiilor celulare- lipsa din alimentatie det aparitia unor disfunctii- pt unele perechi de vit se manifesta relatii de synergism: A/D, E/C, B2/A,

B12/ac folic Sursa principala: planteSursa sec: flora bacteriana

Vitamine hidrosolubile- nu sunt toxice- cantitatile stocate in organism sunt mici datorita posibilitatii vehicularii prin

lichidele biologice- solubile in apa, se transporta usor => in ingestia excedentara sunt rapid

excretate in urina => trebuie sa fie prezene continuu in hrana. (este necesara ingestia lor permanenta)

Vitamine liposolubile= greu solubile in lichidele biologice = transportate impreuna cu lipidele prin lichidele biologice (lipidele sunt transportate prin particule lipoproteice, acizii grasi sunt legati de albumine, care le antreneaza).- excesul vit liposolubile poate fi toxic pt ca tind sa se acumuleze in organism

la nivelul tesutului adipos / in ficat.= digerate, absorbite si transportate in grasimile din dieta.

- nu se excreta direct in urina

16

Page 17: Bioch Sem 2 Curs

Provitaminele= precursori ai vitaminelor- necesita o transformare chimica pt a deveni active.

Antivitamine- actioneaza antagonist prin inhibitie competitiva, blocand rolul unor

coenzyme- au structura asemanatoare vitaminei respective Ex. antibiotice, sulfamide, ascorbaza

Vit hidrosolubile(vezi slide)Vit liposolubile(vezi slide)

Coenzimele= cofactori de natura organica neproteica- fiind mici, sunt termostabile si dializabileSe pot clasifica in:- cosubstraturi CoS- grupari prostetice GP

Caracteristici specifice CoS- prezinta interactii slabe intre apoenzima si cosubstrat apoE-CoS- necesita alti parteneri (alte enzime) pt regenerare - participa in reactii de legare cu anumite grupari urmate de eliberarea

acestora.

Caracteristici specifice GP- interactii puternice apoE-GP - participa la o singura reactie enzimatica (vezi slide)

Coenzime chinonice Coenzima Q (ubichinonina) (vezi slide)

17

Page 18: Bioch Sem 2 Curs

HORMONI

= moleculele semnal apartinatoare sistemului hormonal.- actioneaza in cantitati mici(vezi slide)- prez receptori care sunt localizati diferit in fctie de natura hormonuluiHormonii hidrosolubili prez receptori la suprafata celulei.Hormonii liposolubili prez receptori in interiorul celulei.O celula poate receptiona unul / mai multi hormoni, determinand raspunsuri identice / diferite. Un hormon poate actiona si determina modificari si raspunsuri celulare diferite.- influenteaza cresteri, diferentieri + alte functii.In functie de locul de biosinteza si locul de actiune, hormonii se clasifica in 3 clase:- hormoni autocrini- paracrini- endocrini

Hormonii autocrini = biosintetizati de o anumita celula si actioneaza asupra celulei care le-a indus biosinteza. (vezi slide)Hormonii paracrini= biosintetizati de o anumita celula si actioneaza asupra unor celule asemanatoare din acelasi tesut.Hormonii endocrini = biosintetizati la un anumit nivel si actioneaza la o distanta mai mare dupa o prealabila vehiculare. Hormonii se pot lega in procesul de vehiculare pe anumite structuri proteice solubile. Daca legarea este puternica, sunt necesare enzime care sa elibereze hormonul (forma legata este inactiva) pt a putea actiona optim. Forma libera este activa.

Dpdv structural, hormonii se clasifica in:- hormoni peptidici + polipeptidici- hormoni steroizi - hormoni derivati ai acizilor grasi - hormoni derivati ai AA(vezi slide)

Sistemele hormon - receptor hormonal respecta proprietatile generale ale sistemelor receptor – receptat. (vezi sem 1) Agonistii prezinta structuri asemanatoare hormonilor si determina declansarea unui raspuns hormonal celular.

18

Page 19: Bioch Sem 2 Curs

Antagonistii hormonali prezinta analogie structurala (seamana), dar nu determina raspuns celular.

Hormonii pot sa actioneze la nivelul membranelor celulare, pot sa intervina in procese enzimatice intracelulare/ sa intervina in biosinteza proteinelor. (vezi slide)

Hipotalamusul reprezinta centrul reglarii nervoase a intregului sistem hormonal endocrin. Hipofiza = glanda supraordonata, asigurand concentratii optime ale hormonilor biosintetizati la acel nivel, legatura cu procesele specifice, dar si influentand sinteza altor hormoni.

P.A. substantele de pe slide Catecolamine – reactii de obtinere : adrenalina

TERMODINAMICA SISTEMELOR LA ECHILIBRU

La nivel planetar intreaga energie provine de la soare si aceasta se manifesta sub diverse forme dependent de structura materiei. Pentru intelegerea notiunilor de energetica se introduce notiunea de sistem ca fiind acea zona din univers arbitral aleasa, care urmeaza sa fie studiata. In raport cu sistemul se defineste mediul care este spatiul din afara sistemului in care acesta se gaseste. Intre sistem si mediu exista o limita de separatie unde caracteristicile specifice variaza brusc. Dpdv al interrelatiilor sistem – biosistem si mediu se pot intalni in natura 3 tipuri de sisteme:- izolat- inchis- deschis Sistemul izolat presupune absenta schimbului de energie si masa dintre sistem si mediu. Acest sistem este un sistem ideal. Atunci cand intre mediu si sistem exista un schimb de energie fara sa se realizeze schimb de masa, sistemul se defineste ca fiind inchis, iar atunci cand se realizeaza in ambele sensuri schimburi atat de masa cat si de energie intre sistem si mediu, sistemul se defineste ca fiind deschis. (vezi slide)

In fizica clasica se introduce notiunea de energie, ca fiind capacitatea unui sistem de a efectua un lucru. Atat lucrul mecanic sau lucrul in genere, cat si energia poseda aceeasi unitate de masura. Unitatea de masura in energetica, Joule-ul reprezinta energia necesara unei forte de un Newton pt a o deplasa pe o distanta de 1 m. Se cunosc 2 mari clase de energii:- energia potentiala- energia cinetica

19

Page 20: Bioch Sem 2 Curs

Daca energia potentiala este nedispersabila si este dependenta de pozitia sistemului in spatiu, energia cinetica este dispersabila in sensul gradientului energetic ( deplasarea se realizeaza intotdeauna de la valorile mari catre valorile mici pana la atingerea echilibrului) si se datoreaza miscarii componentelor sistemului.

Energia cinetica este uniform repartizata in sistem, deci nu se produc acumulari energetice la nivelul sistemului si una dintre cele mai cunoscute forme de energie cinetica o reprez caldura care masoara gradul de agitatie / miscare ale componentelor sistemului in conformitate cu legile browniene. Caldura este o energie dezordonata si care respecta in totalitate legile atribuite energiei cinetice. In perioada anilor 1700-1800 in teoriile mecaniciste s-a considerat ca un biosistem se aseamana cu orice masina termica. Ulterior s-a demonstrat ca intre cele 2 sisteme distincte (masina termica si sistemul biologic) exista diferente fundamentale: in timp ce pt o masina termica energia se deplaseaza de la valori mari spre valori mici, adica de la cald la rece caldura, majoritatea biosistemelor au capacitatea de a disipa energia si functioneaza izoterm (la intervale de temp relativ constante in timp), ceea ce nu este valabil pt masina termica.

In univers, energia produsa de soare ajunge la nivelul planetei pamant sub forma fotonilor (energie radianta) care la nivelul plantelor este preluata prin intermediul unor coloranti ca si la nivelul unor bacterii fotosintetizatoare si aceasta este utilizata in transformarea CO2 (compus anorganic) in compusi organici. Astfel energia radianta se transforma in energie metabolica, in cantitati echivalente, care in final se inmagazineaza in compusi organici sub forma legaturilor covalente. (vezi slide)Energia inmagazinata sub forma compusilor organici este ulterior utilizata de alte biosisteme (heterotrofi) care au capacitatea de a prelua energia legaturilor chimice din compusii organici si de a o transforma in energie proprie metabolica care se utilizeaza in scopuri proprii.

In natura, majoritatea proceselor chimice se desfasoara in conditii de reversibilitate, majoritatea reactiilor chimice presupun stabilirea astfel a unui echilibru chimic intre reactanti si produsii de reactie. Aceste procese se desfasoara in toate sistemele deschise in care sunt incluse toate biosistemele. In urma reversibilitatii proceselor chimice exista un anumit moment in care viteza reactiei intr-un sens este egala cu viteza reactiei in sens opus cand cantitatile de reactanti si de produsi de reactie raman constante in timp, nu se mai modifica cantitativ. Echilibrul chimic la care se ajunge este de tip dinamic si nu static, deoarece cantitatea de reactanti transformata in unitatea de timp este = cu cantitatea de produsi de reactie care reface reactantii.

Conform legii actiunii maselor, la echilibrul chimic se defineste constanta de echilibru, ca fiind un raport dintre produsul concentratiilor produsilor de reactie si produsul concentratiei reactantilor. K=[C][D]/[A][B] (vezi slide)

20

Page 21: Bioch Sem 2 Curs

In stabilirea echilibrelor chimice un rol fundamental il are legea lui Le Chatelier, care postuleaza: daca asupra unui sistem in echilibru se actioneaza cu o forta perturbatoare, sistemul va reactiona in asa fel incat va tinde sa diminueze pe cat posibil efectul fortei perturbatoare.

Pt studiul termodinamicii se apeleaza la sitemele in echilibru si de aceea este termodinamica clasica aplicata biosistemelor in echilibru. In termodinamica pt studiul sistemelor se introduc functiile de stare, care reprez o masura a variabilelor de stare care sunt la randul lor dependente de starea de echilibru a sistemului considerat si rsp de caracteristicile de evolutie a variabilelor.AX = Xf – Xi (vezi slide)In termodinamica functiile de stare se aplica pt starea initiala si rsp pt starea finala, iar variatia functiei ∆X este dependenta de diferenta finala si cea initiala. Conventia valorilor functiilor de stare:Intotdeauna energia preluata de un sistem din mediu conduce la cresterea valorii energiei totale a acestuia si prin conventie este notata cu semnul + (pozitiv) in timp ce energia eliberata de un sistem si furnizata mediului conduce la diminuarea energiei totale a sistemului si din aceasta cauza, semnul este – (negativ).Principiul I al termodinamicii postuleaza ca: in univers energia este constanta si ca aceasta nu se creeaza, nu se distruge, dar se transforma dintr-o forma intr-alta in cantitati echivalente. In cadrul principiului I al termodinamicii este introdusa functia de stare, energia interna U ca fiind energia totala a unui sistem dat la un moment dat. Daca un sistem efectueaza un lucru (W) si primeste sau elibereaza cantitatea Q de caldura, variatia energiei interne ∆U (vezi slide)

Fiind o functie de stare, energia interna nu depinde decat de starea initiala si cea finala a sistemului, indiferent de drumul parcurs de sistem pt a se transforma de la initial in final. (vezi slide)

Entalpia H este functia de stare rezultata din suma energiei interne si produsul dintre presiune si volum H=U+PV

Variatia entalpiei unui sistem se defineste ca fiind caldura schimbata de sistem cu mediul, la presiune constanta. Dpdv al entalpiei, in natura se cunosc 2 tipuri de reactii: - reactii exogene- reactii endogeneIn reactiile exogene, entalpia finala (a produsilor) este mai mica decat entalpia initiala (a reactantilor) ∆ H<0, in timp ce in reactia endogene, energia produsilor de reactie = mai mare decat entalpia reactantilor (sistemul preia energie din mediu, iar ∆ H >0. (vezi slide)Starea standard (∆X o) se considera prin conventie orice sistem aflat la o atm si 25 grade C (298 K).Poate fi:- solida – solid pur

21

Page 22: Bioch Sem 2 Curs

- lichida – lichid pur , solut [1M]- gazoasa (gaz pur la 1 at )In maj sistemelor in care se considera dizolvatul (solutul) ionul de hidroniu H+ concentratia 1 M = echivalenta cu pH = 0, ceea ce nu poate fi aplicapil.In maj biosistemelor exista intervale de pH optim de supravietuire in apropierea valorii neutre a pH-ului. Pt biosistemul om, pH optim de functionare / fiziologic = 7,35-7,45. Din aceste motive se defineste starea standard biochimica, care este ∆ Xo’ care presupune ca biosistemul se afla la 25o C, la 1 atm si la conc molara 10-7 al ionilor de hidroniu H+, care este echivalentul pH=7.

Deoarece functiile de stare introduse in principiul I al termodinamicii nu satisfac necesitatile de discutare a sistemelor la echilibru, s-a introdus principiul II al termodinmicii care postuleaza faptul ca in univers dezordinea este mai probabila decat ordinea si ca toate sistemele tind spontan catre o stare de echilibru. In cadrul principiului II al termodinamicii, energia unui sistem se considera ca este dispersata atunci cand dispersia nu este impiedicata. In cadrul acestui principiu este introd notiunea de entropie S, care reprez acea parte din energia totala a unui sistem care nu se poate utiliza de acesta. Prin interm acestei functii de stare putem aprecia atat dispersia energiei cat si transformarile spontante din univers.

Deoarece energia inutilizabila de sistem este definita prin entropie, variatia acestei functii de stare ∆S >0, ceea ce inseamna ca in mod constant orice sistem tinde catre dezordine. Daca unui sistem i se adauga o cantitate Q de energie / de caldura, variatia entropiei ∆S reprez variatia caldurii in raport cu temperatura absoluta. (vezi slide)

Dpdv al entropiei, toate fiintele vii de pe planeta sunt antientropice (se opun dezordinii), ele incearca sa creeze ordine, iar at cand capacitatea acestora de a crea ordine este limitata, biosistemul tinde catre dezordine maxima si revine in litosfera, iese din biosfera.

In natura starile cu entropie minima sunt cele organizate prin excelenta starile solide cristalizate. La antipod cu starea solida se gaseste starea gazoasa in care miscarea haotica browniana a moleculelor de gaz determina sistemul cu cea mai mare entropie. In biosisteme, macromoleculele de tip polipeptidic / polinucleotidic care prezinta o structura tertiara nativa poseda entropia minima in raport cu mediul. Oricare alta stare decat cea nativa aduce cu sine o crestere a entropiei si rsp o scadere a capacitatii functionale, care poate sa conduca pana la denaturare.

O alta functie de stare, entalpia libera G = comparativ cu entropia, acea parte a energiei unui sistem capabila sa fie utilizata in vederea efectuarii lucrurilor chimice, fizice/biologice. Ca si in cazul entalpiei H, in entalpia libera se intalnesc 3 situatii distincte dependente de valoarea entalpiei libere.

Daca entalpia libera a produsilor de reactie = mai mica decat a reactantilor, sistemul cedeaza energie in mediu , iar ∆G<0, inseamna ca este

22

Page 23: Bioch Sem 2 Curs

sistem exergonic si per verso, cand entalpia produsilor de reactie > decat a reactantilor, sistemul primeste energie din exterior, variatia entalpiei libere>0 si procesul se numeste endergonic. (vezi slide)

In cadrul entalpiei libere se introduce si functia energiei de activare ca fiind minimul energetic necesar ca reactantii sa se transforme in produsi de reactie.

In genere un sistem redox presupune existenta unor procese cu caracteristici opuse antipozi. Daca unul presupune oxidarea, celalalt presupune reducerea, iar cele 2 sisteme chimice se produc simultan unul pe seama celuilalt. Un sistem se reduce atunci cand:- accepta electroni- accepta atomi de H - cedeaza atomi de OSe oxideaza atunci cand:- cedeaza electroni- cedeaza atomi de H- accepta atomi de OSistemul care se reduce este oxidant, si invers sistemul care se oxideaza este reducator.

Deoarece in sistemele redox se realizeaza transfer de echivalenti de reducere (electroni/ atomi de H) pot fi caracterizate prin interm potentialelor electrice pe care le desfasoara. Pt a defini un potential electric, se considera prin conventie potentialul normal = 0 al electrodului de H. Toate celelalte potentiale normale se caracterizeaza in raport cu valoarea pozitiva/negativa a acestora.

Prin conventie se iau in calcul pt caract sistemelor energetice potentialele de reducere si nu cele de oxidare.Daca potentialul de reducere a unui sistem = negativ, inseamna ca poseda afinitate redusa pt electron, acesta este usor expulzat deci sistemul se oxideaza si este reducator si per verso, cand potentialul de reducere = pozitiv, afinitatea in raport cu electronul este mare, acesta este acceptat din mediu, deci se reduce si devine oxidant.

Pt masurarea unui potential electric al unui sistem dat se realizeaza o pila electrica intre electrodul de H si sistemul considerat. Pila = confectionata a.i. sa exista o comunicare interna intre cei 2 electrozi prin interm unui sifon cu electrolit si rsp alta externa prin interm unui conductor de speta I (metal). (vezi slide)

Daca la nivelul electrodului de H se produce procesul de reducere (vezi slide), la nivelul celulei de electrod se elibereaza energia neceseara sistemului.

Electrodul de H care presupune existenta unui conductor de platina platinat imersat intr-o solutie 1 M H+ si care se gaseste sub barbotare continua de [O] la 1 atm, potentialul acestuia prin conventie = 0. La nivelul electrodului de cuplare, exista un analit A care in raport cu electrodul metalic imersat in

23

Page 24: Bioch Sem 2 Curs

solutia metalului rsp poseda un alt potential diferit de cel al H-ului. Suma algebrica dintre cele 2 potentiale, adica 0+ /0- constituie tensiunea electro-motoare a pilei care = masurabila.

Potentialul chimic µSe introduce atunci cand solutul / subst dizolvata este neincarcata electric si se gaseste in raport cu o membrana semipermeabila.µ= µ0 + RT ln [A]µ0= potentialul chimic standardPotentialul chimic fiind o functie de stare pt un sistem dat se poate considera variatia acestui parametru, ca fiind diferenta dintre potentialul chimic al produsilor de reactie si potentialul chimic al reactantilor, care este egal cu variatia entalpiei libere. Din aceasta diferenta se obtine variatia entalpiei libere ca fiind proportionala cu logaritmul natural al raportului dintre concentratia finala si concentratia initiala a solutului. ∆ µ = µ2- µ1 = ∆G∆G =RT ln [A2] / [A1]

Daca [A2]/[A1] <1 Sistemul in acest caz este spontan, iar analitul se deplaseaza din compartimentul 1, unde e conc mai mare, inspre compartim 2 unde conc este mai mica, pana la atingerea echilibrului, deci sistemul este exergonic.Per verso daca conc finala [A2] > [A1], ∆G> 0 sistemul este endergonic de la 1 spre 2 , dar exergonic, spontan de la 2 spre 1. [A2]/[A1] = 1Atunci cand concentratiile solutului sunt egale in ambele compartimente, avem ln 1=0, inseamna ca ∆G=0, avem echilibru termodinamic.Intotdeauna atunci cand solutul este neincarcat electric, acesta se va deplasa prin membrane prin difuzie simpla in mod spontan de la compartim cu conc mare spre compartim cu conc mica, in sensul diminuarii entalpiei libere, potentialului chimic si gradientului de concentratie. Pt deplasarea analitului in sens invers prin membrana, de la concentratia mica inspre conc mare , eset necesar un aport energetic din exterior, transportul nu se mai realizeaza prin difuzie simpla, ci prin difuzie fortata, este transport activ.Este posibil ca in biosis sa se realizeze transportul activ la nivelul membranelor, dar acest transport se realizeaza in prezenta altui sistem, capabil sa cedeze energia necesara transportului activ. Din aceasta cauza, in metabolism, procesele celulare se desfasoara sub forma unor linii metabolice/cicluri metabolice in care exista alaturi de procese endergonice si procese exergonice care in ansamblul liniei/ciclului metabolic asigura necesarul energetic pt transformarea reactantului / reactantilor in produsii finali / metaboliti.

Alaturi de transportul prin difuzie simpla si transportul activ prin consum de energie exista si transportul facilitat, care nu necesita consum de energie,

24

Page 25: Bioch Sem 2 Curs

dar necesita la nivelul membranei prezenta unei macromolecule de natura proteica / unui agregat macromolecular capabil sa recunoasca si sa lege analitul si de a-l transfera prin membrana dintr-un compartiment in altul.Deoarece transportorii de natura macromoleculara recunosc si leaga analitii prin intermediul unui nr limitat de situsuri, acesta poate atinge un maximum de transport al analitului care peste o anumita valoare a acestuia, capacitatea de transport ramane constanta. Intre capacitatea de transport si concentratia analitului, in acest mod se poate considera ca exista o relatie matematica exprimata printr-o curba de tip hiperbola echilatera asemanatoare cu curba Michaelis-Menten.

Potential electrochimicDaca pt functia de stare potential chimic, analitul era neincarcat electric, nu era ion, pt functia de stare potential electro-chimic, solutul este incarcat electric si se gaseste intr-un sistem in raport cu o membrana semipermeabila. In acest caz se defineste potentialul electro-chimic (vezi slide) la fel, la care se adauga un termen electric zFE (z=nr electroni, F=nr fazei, E=potentialul)In acest caz variatia potentialului electrochimic ∆ µ= ∆ G= RT ln [A2]/[A1] + zF∆ E. Pt ca sistemul sa fie spontan (ionii sa se deplaseze fara consum de energie prin membrana, trebuie ca ∆G<0. In acest caz, pentru ca in ecuatia variatiei entalpiei libere exista termenul electric, este posibil ca ionii sa se deplaseze prin membranele semipermeabile si de la concentratii mici inspre concentratii mari prin difuzie simpla, daca variatia entalpiei libere<0 si aceasta variatie este datorata termenului electric.

OsmozaDaca se considera o membrana semipermeabila care desparte 2 compartimente:- unul cu solventul pur - altul cu solutia unui solut in solvent (vezi slide) Conform potentialului chimic, apa in compartimentul 1 datorita concentratiei mai mari decat in compartim 2, va tinde sa compenseze concentratia din compartim 2 prin transfer pana cand se atinge un echlibru. Prin trecerea apei din compartim cu conc apoasa mare, in compartim cu conc apoasa mica, nivelul lichidului din compartim 2 va tinde sa creasca usor si astfel la nivelul acestui compartiment apare o presiune hidrostatica superioara compartimentului 1, iar presiunea se numeste presiune osmotica л = valoarea presiunii aplicata compartimentului unde se gaseste solutia pt a opri fluxul de apa prin membrana dinspre compartimentul cu apa pura inspre compartimentul cu solutie. л = conc solutului [X] RT25

Page 26: Bioch Sem 2 Curs

Daca conc [X] molara se defineste ca fiind nr de particule pe unitatea de volum [X] = n/V , atunci pV=nRT. Bazat pe p osmotica la niv biosistemelor se desf numeroase procese fiziologice :- preluarea apei si mineralelor - reabsorbtia apei din lumenul renal - permeabilitatea membranaraDependent de p osmotica a unui sistem, intalnim sisteme:- izotone- hipotone- hipertoneDaca se gasesc in contact 2 sisteme in care presiunile osmotice sunt diferite, la nivelul membranelor se realizeaza schimb de apa (osmoza) pana cand cele 2 presiuni se egaleaza. Cele mai cunoscute situatii de acest tip se intalnesc in cazul eritrocitelor care poseda membrane celulare deosebit de friabile (rezistenta mecanica slaba).

Atunci cand un eritrocit este introdus intr-un sistem hiperton (cu p mare), apa din interiorul eritrocitului va trece in mediu, volumul eritrocitului va scadea, producandu-se fenomenul de ratatinare / de zbarcire.

Per verso, daca eritrocitul este introdus intr-un mediu hipotonic, apa din mediu va patrunde in eritrocit, va tinde sa-i creasca volumul acestuia si datorita rezistentei mecanice slabe, membrana eritrocitara se lizeaza/ se rupe, se prod fenomenul de hemoliza. Daca oricare alta celula se gaseste intr-un mediu hipoton, se produc aceleasi fenomene, care sunt descrise de plasmoliza, deosebirea de hemoliza constand in faptul ca, membranele tuturor celorlalte celule prezinta rezistenta mecanica mai mare si nu se lizeaza, isi maresc doar volumul. Din aceste motive, in organismele vii se introduc lichidele intotdeauna la o presiune osmotica apropiata de valoarea presiunii tesutului / lichidului biologic. In genere pt sange si maj tesuturilor se utilizeaza solutia fiziologica cu echivalentul de 0,86 % NaCl in H2O.

Presiunii osmotice i se atribuie termenul de osmolaritate, ca fiind nr de moli de particule dizolvate in unitatea de volum. La nivelul organismului uman, presiunea osmotica a sangelui este dependenta de natura vasului (artera/ vena). Daca in artere, presiunea osmotica este mare, la acest nivel apa ca solvent este impinsa si alaturi de aceasta si metabolitii in afara tubului capilar si se produce fenomenul de filtrare, prin aceasta asigurandu-se alimentarea cu metaboliti a tuturor celulelor organismului in timp ce la nivelul venelor, presiunea osmotica este mica si se produce fenomenul invers prin care apa din mediu si unii metaboliti sunt introdusi din mediu in capilar, producandu-se fenomenul de reabsorbtie.

26

Page 27: Bioch Sem 2 Curs

Dializa-hemolizaDializa se aseamana cu osmoza, deosebirea dintre cele 2 fenomene se refera la faptul ca in dializa prin membrane pot patrunde si pot fi transferate alaturi de moleculele de apa si moleculele unor soluti de dim mici (mai mici decat ochiurile de retea ale membranei).Hemodializa se aplica sistemului sanguin care in raport cu o membrana semipermeabila schimba cu mediul molecule de apa si moleculele unor metaboliti de dimensiuni mici care nu mai pot fi filtrati la nivel renal, fenomenele intalnindu-se in bolile renale cronice. Hemodializa se realizeaza in special pt eliminarea moleculelor de uree, care se biosintetizeaza la nivel hepatic din azotul aminic si care este produs de excretie cu caracteristici toxice limitate comparativ cu amoniacul NH3 / alti derivati ai N-ului. Cu toate acestea, prin tendinta de crestere a cocentratiei circulante a ureei se pot produce unele procese secundare care pot induce dezvoltarea unor fenomene toxice in prima faza si care in final devin incompatibile cu viata. In aceste cazuri, avand in vedere faptul ca sangele este o suspensie apoasa a elementelor figurate intr-o solutie omogena de substante organice, anorganice si macromoleculare, se poate realiza eliminarea prin hemodializa a ureei, prin efectuarea unui bypass intre sistemul arterial si venos. (vezi slide) Se utilizeaza ca membrane semipermeabile saci de dializa prin interm carora circula sangele arterial, care in acest mod elibereaza in solutia de dializa, unde este introdus sacul de dializa, ureea excedentara, circuitul fiind continuat prin revenirea in organismul uman a sangelui dializat la nivelul circuitului venos. Operatia de curatire a sangelui este extensiva in timp, cateva ore, si se realizeaza prin scaderea concentratiei sanguine in uree, cuplata cu cresterea concentratiei ureei in lichidul de dializa. Pt o indepartare cat mai avansata a metabolitului din sange, solutia de dializa se indeparteaza periodic, permitand refacerea unor noi echilibre intre sangele din interiorul sacului de dializa si solutia de dializa.

27