BIOLOGIE GENERALĂ - moleculară şi celulară - CURS II...

14
BIOLOGIE GENERALĂ - moleculară şi celulară - CURS II Bazele chimice ale organizării materiei vii

Transcript of BIOLOGIE GENERALĂ - moleculară şi celulară - CURS II...

Page 1: BIOLOGIE GENERALĂ - moleculară şi celulară - CURS II ...marius.mihasan/teaching/pdfs/general_biology_courses/curs_2... · Bazele chimice ale organizării materiei vii Bazele chimice

BIOLOGIE GENERALĂ

- moleculară şi celulară -

CURS II Bazele chimice ale organizării materiei vii

Page 2: BIOLOGIE GENERALĂ - moleculară şi celulară - CURS II ...marius.mihasan/teaching/pdfs/general_biology_courses/curs_2... · Bazele chimice ale organizării materiei vii Bazele chimice

Bazele chimice ale organizării lumii vii

Orice substanţă din natură care are masă se defineşte ca fiind materie. Materia este alcătuite din particule de dimensiuni mici numiţi atomi. Atomii identici (cu acelaşi număr de protoni) au proprietăţi chimice identice şi aparţin aceluiaşi element. În prezent, au fost descrise 92 de elemente naturale şi 26 elemente chimice de sinteză. Elementele au fost aranjate conform proprietăților lor în Tabelul Periodic al elementelor de către Dmitri Mendeleev.

Tabelul periodic ale elementelor. Abundenţa elementelor în scoarţa terestră este indicată prin înălţimea coloanei. Elementele întâlnite în cantităţi semnificative în organismele vii sunt marcate cu albastru.

Distribuţia elementelor în lumea vie:1. Macroelemente – elemente se găsesc în organismele vii în cantităţi mai mari de 0.01%C – principalul element organogen, 18,5 % din greutatea corpului uman (GCU)H – transportor de e-, în alcatuirea apei şi a majorităţii compuşilor organici, 9.5 % GCUO – important în respiraţia celulară, 65 % GCUN – structura proteinelor şi acizilor nucleici, 3,3 % GCUP – structura acizilor nucleici şi a moleculelor energetice, 1.0 % GCUNa – important în transmiterea impulsului nervos, 0.2 % GCUK - important în transmiterea impulsului nervos, 0.4 % GCUS – în alcătuirea majorităţii proteinelor, 0,3 % GCUMg – element esenţial în majoritatea reacţiilor energetice, 0.1 % GCUCl – principalul ion negativ, 0.1 % Ca – constituent al scheletului, implicat în contracţia musculară, 1.5 % GCU2. Microelemente – Fe, Zn, Mn, B, Cu, Mo, Ni

Abundenţa în scoarţă vs în lumea vie?

Page 3: BIOLOGIE GENERALĂ - moleculară şi celulară - CURS II ...marius.mihasan/teaching/pdfs/general_biology_courses/curs_2... · Bazele chimice ale organizării materiei vii Bazele chimice

Legături chimice şi molecule

Atomii se unesc prin legături chimice şi formează molecule.

Tipuri de legături chimice - legătura covalentă - legătura ionică- legătura metalică- legătura de H- legătura van der Waals- interacţii hidrofobe

- legături puternice, intramoleculare

- legături slabe, intermoleculare

Exemplu de moleculă: H2O

Importanţă ● Viaţa a apărut şi evoluat în apă.● 2/3 dintr-un organism e alcătuit din apă● 75% din suprafaţa Pământului e acoperită de

apă

Proprietăţi ale apei importante d.p.v. biologic:

● este un dipol electric, realizând numeroase legături de hidrogen; - absorbtia apei în rădăcini prin capilaritate● are o constantă dielectrică mare, proprietate care favorizează disocierea ionilor şi solubilizarea

moleculelor; H2O funcţionează ca un excelent solvent (solvent universal) atât faţă de compuşii

ionici, cât şi faţă de compuşii covalenţi cu masă moleculară mică; - solubilizarea moleculelor neionizabile● are căldura specifică şi căldura de vaporizare mare ceea ce permite termoreglarea● densitatea gheţii este mai mică decât a apei lichide; - lacurile nu îngheaţă complet● ionizeză uşor şi are caracter amfoter – scala de pH● interacţionează cu moleculele nepolare – hidrofob vs hidrofil

Page 4: BIOLOGIE GENERALĂ - moleculară şi celulară - CURS II ...marius.mihasan/teaching/pdfs/general_biology_courses/curs_2... · Bazele chimice ale organizării materiei vii Bazele chimice

Molecule organice şi macromolecule

Molecule organice – molecule ce conţin în structura lor C

Toate moleculele ce conţin C sunt organice? ExempleNumărul mare şi variat de compuşi organici este legat de: proprietăţile atomilor C şi H de a forma legături

covalente stabile; proprietatea unică a atomilor de C de a se uni în număr

nelimitat pentru a forma catene (lanțuri) stabile. proprietatea atomilor de C de interactiona cu alţi atomi

pentru a forma grupe funcţionale;

hidroxil

carbonil

carboxil

amino

sulfhidril

fosfat

metil

glucide

glucide

Aminoacizi, lipide

aminoazi

aminoacizi

FosfolipideAcizi nucleici

Celulele vii conţin 4 tipuri fundamentale de macromolecule:➢ Carbohidraţii – CHO – amidon, glicogen, celuloză

➢ Lipide – CHO(P) - grăsimi, fosfolipide, steroide

➢ Proteine – CHONS – rol funcţional şi structural

➢ Acizi nucleici CHONP – codifică şi decodifică informaţia genetică

Molecule organice se pot uni prin legături covalente şi formează macromolecule.

Energie Energie

Page 5: BIOLOGIE GENERALĂ - moleculară şi celulară - CURS II ...marius.mihasan/teaching/pdfs/general_biology_courses/curs_2... · Bazele chimice ale organizării materiei vii Bazele chimice

Proteine - generalităţi

Principalele roluri : 1) cataliza biologică – enzimele – proteine globulare ce catalizează în mod specific anumite reacţii Ex: alcool-

dehidrogenaza – dehidrogenarea alcoolului etilic în aldehidă acetică2) apărare – anticorpii (imunoglobulinele) – proteine globulare ce recunosc potenţialii agenţi patogeni3) transport – proteine globulare ce vehiculează molecule sau ioni în organism sau în celule – hemoglobina4) structural – proteine fibrilare – cheratina din păr, colagenul din piele, ligamente5) mişcare – proteinele fibrilare actina şi miozina ce transformă energia chimică în mişcare6) reglare – proteine de dimensiuni mici ce funcţionează ca mesageri intercelulari

Proteinele sunt polimeri rezultaţi în urma condensării unui număr mare de L-aminoacizi uniţi prin legături peptidice. Toate proteinele conţin 20-22 aminoacizi naturali ce fac parte din seria L.

Tipuri, clasificarea şi notara aminacizilor!!!!!

H2N CH2 C OH

O

Glicocol, glicina (Gly, G) α-Alanina (Ala, A) Serina (Ser, S) Cisteina (Cys, C) Metionina (Met, M)

H2N CH C

CH3

OH

O

H2N CH C

CH2

OH

O

OH

H2N CH C

CH2

OH

O

SH

H2N CH C

CH2

OH

O

CH2

S

CH3

Page 6: BIOLOGIE GENERALĂ - moleculară şi celulară - CURS II ...marius.mihasan/teaching/pdfs/general_biology_courses/curs_2... · Bazele chimice ale organizării materiei vii Bazele chimice

Proteine - structură

2. catenele polipetidice sunt împachetate în forme tridimensionale specifice. Forma tridimensională a unei proteine dictează funcţia acesteia. În general, plierea unei proteine în forma tridimensională specifică se realizează spontan, pe baza principiilor de minimizare a energiei – aminoacizii nepolari hidrofobi în interior, iar cei polari la exterior. Plierea corectă a proteinelor este însă controlată enzimatic şi corectată atunci când este cazul de către proteinele chaperone.

3. există 3 nivele de organizare a structurii proteinelor:

A. Structura primară - este dată de numărul, natura şi succesiunea resturilor de aminoacizi.

1 vlspadktnv kaawgkvgah ageygaeale rmflsfpttk tyfphfdlsh gsaqvkghgk61 kvadaltnav ahvddmpnal salsdlhahk lrvdpvnfkl lshcllvtla ahlpaeftpa121 vhasldkfla svstvltsky r

Structura proteinelor:1. O proteină poate conţine una sau mai multe catene de aminoacizi – catenă polipetidică (polipeptidă). Fiecare polipeptidă are un capăt C-terminal şi unul N-terminal.

NH2 CH2 COOH + NH2 CH COOH +

CH3

NH2 CH2 COOH

NH2 CH2 C

O

NH CH

CH3

C NH

O

CH2 COOH

Legătura peptidică

Aminoacid N-terminal Aminoacid C-terminal

Page 7: BIOLOGIE GENERALĂ - moleculară şi celulară - CURS II ...marius.mihasan/teaching/pdfs/general_biology_courses/curs_2... · Bazele chimice ale organizării materiei vii Bazele chimice

B. Structura secundară - este dată de orientarea spaţială a catenei polipeptidice. Caracterul parţial de dublă legătură al legăturii peptidice şi legăturile de H dintre -COOH şi -NH

2 favorizează apariţia unor structuri spaţiale

specifice: -helix şi pliate

α-helixul (structura α-helicoidală).

structura β-pliată

Linus Pauling, Robert Corey si Herman Branson in 1951

Motive – (structuri supersecundare) elementele structurii secundare se pot combina în mod specific, rezultând motive proteice. Ex: motivul ce creează aşa numitul Rosman-fold ce leagă nucleotide

Proteine - structură

Page 8: BIOLOGIE GENERALĂ - moleculară şi celulară - CURS II ...marius.mihasan/teaching/pdfs/general_biology_courses/curs_2... · Bazele chimice ale organizării materiei vii Bazele chimice

D. Structura terţiară – aranjarea, replierea şi înfăşurarea segmentelor α-helicoidale şi β-pliate într-o organizare spaţială complexă sub formă de ghem sau globulă. Domenii – unităţi structurale independente din cadrul aceleiași catene polipetidice cu formă şi funcţie specifică. O catenă polipetidică poate conţine mai multe domenii.

F. Structura cuaternară – este specifică numai anumitor proteine şi reprezintă nivelul de organizare structurală cel mai înalt. Este rezultatul asocierii a două sau mai multe catene polipeptidice numite protomeri, fiecare cu structura sa primară, secundară şi terţiară într-un conglomerat spaţial complex.

Hemoglobina ATP-sintaza

Proteine - structură

Page 9: BIOLOGIE GENERALĂ - moleculară şi celulară - CURS II ...marius.mihasan/teaching/pdfs/general_biology_courses/curs_2... · Bazele chimice ale organizării materiei vii Bazele chimice

Acizi nucleici - generalităţi

Acizii nucleici sunt polimeri rezultați în urma legării prin legături fosfodiesterice unui număr mare de nucleotide. Funcţie de tipul de nucleotide, acizii nucleici se clasifică în:

acid ribonucleic (ARN) – conține în structura sa ribozăacid dezoxiribonucleic (ADN) - conține în structura sa dezoxiriboză

Principalele roluri : 1) stocarea informaţiei genetice– codifică ordinea şi

tipul aminoacizilor ce intră în structura proteinelor2) utilizarea informaţiei genetice - pentru sinteza

proteinelor3) transmiterea informaţiei genetice – abilitatea de a

produce proteine este transmisă de la generaţie la generaţie, deşi proteinele propriu-zise nu sunt.

4) Roluri structurale și cataliză

ADN-ul este HDD-ul organismului viu pe care sunt păstrate programele necesare funcţionării.

O nucleotidă este alcătuită dintr-un glucid cu 5 atomi de C (riboza sau dezoxiriboza), o grupare fosfat (PO

4) şi o bază azotată. În acizii nucleici se

întâlnesc două tipuri de baze azotate:● purinice - două heterocicluri cu N: Adenina (A) şi Guanina (G) în ADN şi ARN● pirimidinice – un heterociclu cu N: Citozină (C) şi Timină (T) în ADN şi C şi

Uracil (U) în ARN

Bază azotată

Grupă fosfat

Pentoză

-OH în ARN

-H în ADN

Acizii nucleici sunt polimeri rezultați în urma legării prin legături fosfodiesterice unui număr mare de nucleotide. Funcţie de tipul de nucleotide, acizii nucleici se clasifică în:

acid ribonucleic (ARN) – conține în structura sa ribozăacid dezoxiribonucleic (ADN) - conține în structura sa dezoxiriboză

Page 10: BIOLOGIE GENERALĂ - moleculară şi celulară - CURS II ...marius.mihasan/teaching/pdfs/general_biology_courses/curs_2... · Bazele chimice ale organizării materiei vii Bazele chimice

Acizi nucleici - structură

Structura acizilor nucleici:1. gruparea fosfat a unei nucleotide se leagă de gruparea hidroxil cu formarea unei legături fosfodiesterice. Rezultă un şir lung asemănător unui lanţ (catenă) alcătuit din alternativ din pentoze şi grupe fosfat. La un capăt gruparea PO4 este liberă – capăt 5´, iar la celălalt grupa OH este liberă – capăt 3`. 2. ADN- ul – conţine 2 catene ce se înfăşoară una în jurul celeilalte asemănător unei scări în spirală. Această formă specifică a fost numită helix dublu. Fiecare treaptă a scării este o pereche de baze azotate legate prin legături de H pe bază de complementaritate (A se leagă de T şi G de C). ADN-ul stochează informația genetică în dublu exemplar, sub forma unei înşiruiri de baze azotate - GCTCTCAATC.

Dublul helix din ADN

Catene pentozo-fosfat

Legături de H între baze

Legături fosfodiesterice

3. ARN- ul – asemănător cu ADN-ul, dar cu două diferenţe majore – Care? ADN-ul este întotdeauna dublu catenar iar ARN-ul este monocatenar. Complementaritatea în molecula de ARN este A se leagă de U şi G de C. ARN-ul copie informaţia (înşiruirea de nucleotide) de pe ADN - CGAGAGUUAG.

ADN ARN ProteineInformaţie Informaţie

Stocare Copie Produs

HDD RAM RezultatProgram Program

DOGMA CENTRALĂ A BIOLOGIEI MOLECULARE

Vocabularul ADN-ului conţine 4 litere – codul binar 2 litere - limba Română 31 litere

Secvenţă de nucleotide Secvenţă de nucleotide Secvenţă de aminoacizi

Page 11: BIOLOGIE GENERALĂ - moleculară şi celulară - CURS II ...marius.mihasan/teaching/pdfs/general_biology_courses/curs_2... · Bazele chimice ale organizării materiei vii Bazele chimice

Lipide - generalităţi

- un grup heterogen de substanţe ce au o proprietate în comun – nu sunt solubile în apă.

Principalele tipuri de lipide şi rolurile lor :

Fosfolipidele conţin un număr mare de legături ne-polare C-H iar catene C-C nu se poate plia asemănător proteinelor pentru a ''ascunde'' grupele nepolare. În schimb, moleculele de fosfolipide se grupează şi expun capetele polare, hidrofile spre exterior şi ascund capetele nepolare, hidrofobe spre interior. Formează astfel un bi-strat fosfolipidic în care capetele polare formează 2 straturi la exterior iar cozile nepolare un strat unic, la interior. Bi-straturile lipidice stau la baza funcţionării membranelor celulare.

A). Fosfolipide – contin în moleculă un rest de glicerol, 2 resturi de acizi graşi (catene lungi de C-C şi C-H ce se termină cu o grupă COOH) şi un rest fosfat. De gruparea fosfat se pot lega aminoacizi, colină sau etanol-amină. Molecula este astfel alcătuită dintr-un cap polar, hidrofil (restul fosfat, sarcină negativă) şi o coadă nepolară, hidrofobă (resturile de acizi graşi).

PO4 - rest fosfat

O-CO-(CH2)

n-CH

3 acid gras

O-CO-(CH2)

n-CH

3 acid gras

cap hidrofil

cozi hidrofobe

Mediu nepolar

H2O

H2O

Page 12: BIOLOGIE GENERALĂ - moleculară şi celulară - CURS II ...marius.mihasan/teaching/pdfs/general_biology_courses/curs_2... · Bazele chimice ale organizării materiei vii Bazele chimice

Lipide - generalităţi

B). Triacilgliceroli (grăsimi) – contin în moleculă un rest de glicerol şi 3 resturi de acizi graşi cu 14-20 atomi de C, saturaţi sau nesaturaţi. Le lipseşte capătul polar, de aceea nu sunt solubile în apă. În mediu apos se grupează sub forma unor globule şi de aceea sunt depozitate în locaţii specifice în organism. Rol în depozitarea energiei. Triacilglicerolii contin mai multă energie decăt glucidele datorită numărului mare de leg C-H.

C). Steroizi – compuşi cu 4 cicluri de atomi de C. Intră în alcătuirea membranelor celulare (colesterol) sau au rol de hormoni (testosteronul şi estrogenul)

D). Prostaglandinele – 2 resturi de acizi graşi grefaţi pe ciclu de 5 atomi de C. Au rol de mesageri chimici.

Animalele depozitează triacilgliceroli ce conţin acizi graşi saturaţi – solizi, iar plantele triacilgliceroli nesaturaţi – lichizi.

Page 13: BIOLOGIE GENERALĂ - moleculară şi celulară - CURS II ...marius.mihasan/teaching/pdfs/general_biology_courses/curs_2... · Bazele chimice ale organizării materiei vii Bazele chimice

Carbohidraţi - generalităţi

- molecule ce conţin C, H şi O în raporturile 1:2:1 – formula lor este (CH2O)

n

- Principalele roluri : 1) depozitarea şi transportul energiei – glucoza, amidon, glicogen2) rol structural – celuloza, chitina

- se clasifică în: 1. Monoglucide2. Diglucide3. Poliglucide

1). Monoglucide – combinaţii naturale polihidroxicarbonilice (polihidroxialdehide sau polixidroxicetone) cu lanţ C-C neîntrerupt. Cel mai frecvent au 5 (pentoze) sau 6 (hexoze) atomi de C.

Ex: pentoză – riboza, dezoxiriboza – structura ARN şi ADN-uluihexoză – glucoza – depozitarea energiei în cele 6 legături C-H

riboza deoxiriboza glucoza

2). Diglucide – două molecule de monoglucide unite printr-o legătură glicozidică. Rol în transportul glucidelor. Ex: lactoza (glucoza + galactoza), sucroză (glucoză + fructoză)

Monoglucidele prezintă izomerie optică şi de poziţie. Toate glucidele naturale aparţin seriei D. Gruparea OH din poziţia 1 se numeşte OH glicozidic și are o reactivitate crescută, formând frecvent legături glicozidice (C-O-C)

Page 14: BIOLOGIE GENERALĂ - moleculară şi celulară - CURS II ...marius.mihasan/teaching/pdfs/general_biology_courses/curs_2... · Bazele chimice ale organizării materiei vii Bazele chimice

Poliglucide

B. Glicogenul – principalul glucid de rezervă la animale, depozitat în ficat şi muschi. Structura sa este similară cu a amilopectinei, ramificaţiile fiind mai lungi.

amiloza

3). Poliglucide – macromolecule alcătuite din numeroase monoglucide unite prin legături glicozidice. Pot fi liniare sau ramificateEx: A. Amidon – principalul glucid de rezervă la plante, depozitat în cloroplaste. Este alcătuit din amiloză (un lanţ liniar de molecule de glucoză legate între ele prin legături glicozidice C1-O-C4) şi amilopectină (un lanţ ramificat de 20-30 molecule de glucoză)

amilopectina

glicogen

glucoză

C. Celuloza – principalul polizaharid structural din pereţii plantelor.

D. Chitina – o formă modificată a celulozei în care o grupa OH din glucoză este înlocuită de NH

2. Prezentă în

peretele celular al fungilor, exoscheletul insectelor și crustaceelor.