COMPUSI ORGANICI CU IMPORTANTA BIOLOGICA

GLUCIDELE

Glucidele, numite si zaharuri, sunt o clasa importanta de substante naturale care se intalnesc in toate organismele vii. Cu exceptia unor derivati azotati, glucidele sunt substante ternare, formate din C, H, si O. Ele raspund formulei brute Cn(H2O)n sau (CH2O)n, din care cauza au primit si denumirea de hidrati de carbon.

Glucidele se impart in doua clase: oze si ozide, dupa caracterul de a se hidroliza.

Ozele, sau monozaharidele, sau zaharurile simple, contin o singura unitate carbonilica (sunt deci nehidroxidabile). Dupa natura gruparii carbonil din molecula, se impart in aldoze si cetoze, iar dupa numarul atomilor de carbon se impart in trioze, pentoze, hexoze, heptoze, octoze.

Ozidele sunt glucide care pot fi hidrolizate sub actiunea enzimelor sau a acizilor diluati, cu formarea de monozaharide. Glucidele din clasa ozidelor se pot imparti in doua clase holozide si heterozide.

Holozidele rezulta din condensarea a doua sau mai multe monozaharide. Dupa numarul moleculelor de monozaharide se pot clasifica in oligozaharide (oligozide) – care contin 2-4 moleculede monozaharide identice sau diferite intre ele, legate covalent, si polizaharide – care contin un numar mare de unitati monozaharidice (de ordinul sutelor sau miilor), pe care le pot elibera prin hidroliza.

Heterozidele sunt formate din monozaharide si componente neglucidice numite aglicon.

Monozaharidele sunt substante cu functiuni mixte, ce contin in molecula o grupare carbonil si mai multe grupari hidroxilice.

In functie de natura gruparii carbonilice – aldehidica (H – C = O) sau cetonica (> C = O), monozaharidele se impart in aldoze si cetoze.

1

Monozaharidele se pot obtine in natura prin biosinteze, in timpul procesului de fotosinteza si prin chimiosinteza.

In industrie si in laboratore se pot obtine prin hidroliza oligozaharidelor si polizaharidelor. De asemenea se pot obtine prin extractie, din unele materii prime, cum ar fi glucoza – care se poate extrage din struguri, sau fructoza din mierea de albine.

LIPIDELE

Lipidele sunt compusi foarte raspanditi in lumea vie, fiind forma principala de depozitare a rezervelor de materiale energetice ale organismelor. Lipidele in asociatie cu proteinele si intr-o mica masura cu zaharurile sunt componente structurale fundamentale ale celulelor.

In functie de contitutia chimica, lipidele se impart in doua mari clase:

lipide simple – esteri ai acizilor grasi lipide complexe – esteri ai acizilor grasi continand si alte grupe in afara alcoolilor si a

acizilor grasi

Clasificarea lipidelor

Dupa criteriul biologic, grasimile se impart in:

  - lipide de rezerva (care se acumuleaza la om, in tesutul adipos, iar la plante in diferite

organe, mai ales in unele seminte sau fructe),

  - lipide de constitutie (care intra in structura celulelor),

  - lipide circulante (care circula prin sange sau prin limfa).

  Tabelul de mai jos evidentiaza criteriul biochimic care  imparte grasimile in:

 

Tip de lipide Reprezentanti

  Lipide simple (contin doar carbon,

oxigen si hidrogen)

  - gliceridele (esteri ai glicerolului cu acizii grasi)

  - ceridele (esteri ai unor alcooli si acizi grasi, cu

glicerina)

  - steridele (esteri ai sterolilor cu acizii grasi)

  Lipide complexe (contin, pe langa

si alte elemente, ca: fosfor, sulf,

  - glicerofosfatidele (fosfatidele)

2

azot, etc.).

 (glucolipide, lipoproteine).  - sfingolipidele

  Lipide combinate cu alti compusi

organici

  - glucolipide (lipide combinate cu glucide)

  - lipoproteine (lipide combinate cu proteine)

Din punct de vedere alimentar, lipidele se impart in

  - grasimi de origine animala (aceste lipide contin preponderent acizi grasi saturati, 

cu exceptia pestilor.

  - grasimi de origine vegetala (lipidele vegetale, care predomina in seminte

oleaginoase), au un continut ridicat de acizi grasi nesaturati

Lipidele se impart in lipide solide care contin acizi grasi saturati si lipide lichide care

contin acizi grasi nesaturati . Trebuie specificat ca lipidele sunt esteri ai glicerolului cu

acizii grasi.

Acizii grasi saturati , care intra in constitutia lipidelor sunt: acidul

almitic,stearic,butiric ,capric,caproic ,caprilic,lauric miristic ,behenic ,arachic .

Acizii grasi nesaturatii  cei mai frecvent intalniti in structura lipidelor sunt reprezentati

de catre acdul olei, caproleic,miristoleic,lauroleic, linoleic ,linolenic ,arachidonic

PROTEINELE

Proteinele sunt substanțe organice macromoleculare formate din lanțuri simple sau

complexe de aminoacizi; ele sunt prezente în celulele tuturor organismelor vii în proporție de

peste 50% din greutatea uscată. Toate proteinele sunt polimeri ai aminoacizilor, în care

secvența acestora este codificată de către o genă. Fiecare proteină are secvența ei unică de

aminoacizi, determina clasificarea proteinelor.

1.     Dupa sursa de provenienta :

-proteine de origine vegetala

-proteine de origine animala

2.     Dupa solubilitatea in apa si in solutii de electroliti :

            - insolubile (fibroase)

            - solubile (globulare)

3.     Dupa produsii rezultati la hidroliza totala :

3

-proteine propriu-zise (  prin hidroliza totala se obtin numai α- aminoacizi)

-proteine conjugate sau proteide ( prin hidroliza totala se obtine, pe langa

α-aminoacizi, si o alta substanta, care in structura proteinei apare ca grupa prostetica)

tă de secvența nucleotidică a genei.

Proteinele fibroase se gasesc in organismul animal in stare solida si confera tesuturilor

rezistenta mecanica (proteine de schelet) sau protectie impotriva agentilor exteriori.

KERATINELE -  proteinele din epiderma, par, pene, unghii, copite si coarne se disting

printr-un continut mare de sulf. Keratinele sunt insolubile in apa atat rece cat si calda, precum si in

solutii saline. Din cauza aceasta keratinele prezinta o mare inertie fata de agentii chimici, precum

si fata de enzime.

FIBROINA ,  componenta fibroasa din matasea naturala, se gaseste in acest material

inconjurata cu o componenta amorfa, cleioasa, sericina, care reprezinta cca. 30 % din greutatea

totala. In cele doua glande ale viermelui de matase, proteinele sunt continute sub forma de solutie

concentrata, vascoasa.

COLAGENUL ,  este componenta principala a tesuturilor conjunctive, tendoanelor,

ligamentelor, cartilajelor, pielii, oaselor, solzilor de peste. Exista numeroase varietati de colagen.

Colagenul are o compozitie deosebita de a keratinei si fibroinei, caci este bogat in glicol, prolina si

hidroxiprolina, nu contine cistina si triptofan.

 Prin incalzire prelungita cu apa, colagenul intai se imbiba,apoi se dizolva transformandu-se in

gelatina sau clei.

ELASTINA   constituie tesutul fibros, cu o elasticitate comparabila cu a cauciucului, a

arterelor si a unora din tendoane, cum este de exemplu tendonul de la ceafa boului. Elastina nu se

transforma in gelatina la fierbere cu apa si este digerata de tripsina. Ca si colagenul, fibrele de

elastina sunt compuse din aminoacizi simpli, mai ales leucina, glicocol si prolina.

In regnul vegetal nu se gasesc proteine fibroase; functia lor este indeplinita in plante de

celuloza. Proteinele fibroase se dizolva numai in acizi si baze concentrate, la cald, dar aceasta

dizolvare este insotita de o degradare a macromoleculelor; din solutiile obtinute nu se mai

regenereaza proteina initiala. Proteinele fibroase nu sunt hidrolizate de enzimele implicate in

digestie si deci nu au valoare nutritiva.

Proteinele solubile sau globulare apar in celule in stare dizolvata sau sub forma de geluri

hidratate. Ele au insusiri fiziologice specifice si se subimpart in albumine si globuline. Albuminele

sunt solubile in apa si in solutii diluate de electroliti (acizi, baze, saruri),iar globulinele sunt

solubile numai in solutii de electroliti.

      Exemple de proteine solubile:

4

             -     albuminele din oua

             -     caseina din lapte

-        globulinele si albuminele din sange (hemoglobina, fibrinogenul)

-        proteinele din muschi (miogenul si miosina).

- proteinele din cereale (gluteina din grau, zeina din porumb)

-        proteinele produse de virusi (antigeni) si bacterii

-        anticorpii

-        nucleoproteidele

-        enzimele

-        hormonii proteici (insulina)

ACIZI NUCLEICI

Acizii nucleici sunt compuşi macromoleculari cu structură complexă şi mase

moleculare cuprinse între câteva zeci de mii şi milioane. Sunt, împreună cu proteinele, componentele nucleoproteidelor, compuşi de importanţă biologică, existenţi în celulele vii. După provenienţa lor, respectiv după materialele din care au fost extrase, acizii nucleici erau consideraţi de două tipuri: acizi timonucleici (acizi nucleici din timus sau acizi nucleici animali) şi acizi zimonucleici (acizi nucleici din drojdie sau acizi nucleici vegetali). Întrucât s-a constatat că deosebirea dintre ei constă în natura componentului glucidic (acizii timonucleici conţin în molecula lor dezoxi-D-riboza, iar acizii zimonucleici conţin D-riboza), denumirile lor au fost înlocuite cu denumirile de acizi dezoxiribonucleici (ADN), şi acizi ribonucleici (ARN). Cercetări ulterioare au dovedit, însă, că aceste două tipuri de acizi nucleici sunt prezente în toate organismele vii, având rol important în desfăşurarea proceselor vitale normale şi patologice; acizii dezoxiribonucleici sunt substanţele de bază în aparatul genetic, care asigură ereditatea şi variabilitatea, pe când acizii ribonucleici au mai mult rol funcţional legat de sinteza proteinelor.

ADN

ADN-ul reprezintă materialul genetic din care sunt alcătuite genele majorităţii organismelor şi este localizat exclusiv în cromozom; fiecare cromozom conţine câte o moleculă de ADN. Rezultă din polimerizarea unor monomeri denumiţi dezoxiribonucleotizi. Prezenţa în cromozom a ADN-ului a fost relevată de chimistul german R.Feulgen, în 1924, prin utilizarea unui colorant vital -fuxina bazică- care colorează roşu-violaceu cromozomii; substanţa din cromozomi, care reacţionează specific cu colorantul, era ADN.

James Watson şi Francis Crick, au făcut cunoscut un model al moleculei de ADN pentru care au primit Premiul Nobel (în 1962). Modelul se bazează pe combinarea a patru nucleotizi. Fiecare nucleotid constă dintr-un radical fosforic monoacid, o pentoză (dezoxiriboza) şi o bază azotată (una din următoarele patru): adenina(A), guanina(G), -A şi G sunt baze purinice- timina(T), citozina(C) - T şi C sunt baze pirimidinice.

5

Combinaţia dintre o bază şi o pentoză se numeşte dezoxiribonucleosid, iar combinaţia celor trei componente dezoxiribonucleotid.

ADN-ul ca şi ARN-ul constă dintr-un lanţ lung de molecule de zahăr, cu o nucleotidă ataşată-un inel de atomi de carbon şi azot. ADN-ul prezintă două lanţuri lungi unite într-o spirală, cu nucleotidele în interior, aşa încât întreaga moleculă gigantică are aspectul unei scări răsucite(v.anexa1).

Secvenţe de trei nucleotide de pe lanţurile ADN-ului formează un cod special care stabileşte ordinea în care sunt legaţi aminoacizii pentru a forma molecule de proteine. Acesta este cunoscut sub numele de cod genetic. Unii aminoacizi sunt codificaţi prin mai mult de un triplet. Deoarece proteinele sunt moleculele de construcţie ale organismului şi, ca şi enzimele, controlorii săi metabolici, codul ADN stabileşte cum arată, creşte şi funcţionează corpul. În concluzie, ADN-ul este materialul genetic al corpului.

Legătura dintre pentoză şi una din bazele azotate este N-glucidică. La dezoxiribonucleosidele purinice legătura N-glucidică se formează între poziţia N9 a heterociclului dublu purinic şi poziţia C1 a pentozei, iar la nucleosidele pirimidinice legătura se realizează între poziţia N3 a nucleului pirimidinic şi poziţia C1 a pentozei. Adiţionarea radicalului fosforic se realizează, obişnuit, prin intermediul poziţiei 5’ a nucleosidului. Astfel rezultă nucleotizii, care sunt esteri ai acidului fosforic cu nucleosidele. Atât conectarea bazelor cu pentoza, cât şi a nucleosidului cu acidul fosforic se realizează prin pierderea unei molecule de H2O. Fiecare radical fosforic al unui nucleotid poate, prin grupările acid libere, să se lege fie cu un radical fosforic, fie cu un alt nucleotid prin poziţia 3’ a dezoxinucleosidului. În primul caz, dezoxinucleotizii pot apărea sub formă de monofosfat, difosfat sau trifosfat. În funcţie de numărul grupelor fosfat şi de baza din constituţia nucleotidului, dezoxinucleotizii monofosfat se numesc: adenozin 5’-fosfat (AMP), guanozin 5’-fosfat (GMP), citidin 5’-fosfat (CMP) şi timidin 5’-fosfat (TMP);dezoxinucleotizii difosfaţi: ADP, GDP, CDP şi TDP, dezoxinucleotizii trifosfaţi:ATP, GTP, CTP şi TTP. În al doilea caz, dezoxinucleotizii se leagă unul de altul prin legături fosfodiesterice astfel: primul nucleotid, prin grupul fosfat la nivelul unei grupări acid libere, se leagă de nucleotidul adiacent inferior prin poziţia 3’, iar de nucleotidul adiacent superior prin poziţia 5’ etc. În acest fel, între nucleotizi se stabileşte o legătură in zigzag. Se formează astfel un lanţ polidezoxiribonucleotidic cu o lungime variabilă. Aceasta este stuctura primară a ADN sau monocatenară. Obişnuit, molecula de ADN este constituită din două lanţuri polinucleotidice sau două catene: aceasta este structura secundară. Analiza chimică a arătat că există o relaţie de 1:1 între adenină (o purină) şi timină (o pirimidină) şi între citozină (o pirimidină) şi guanină (o purină). O asemenea relaţie nu există între cele două purine sau între cele două pirimidine. Legătura dintre cele două catene se realizează prin punţi de hidrogen între perechi de baze situate la acelaşi nivel în cele două catene: două punţi de hidrogen între adenină şi timină A=T şi T=A şi trei punţi între guanină şi citozină. Faptul că la acelaşi nivel adiţionarea radicalului fosforic la dezoxiriboză este diferită (într-o catenă la poziţia 3’, iar în catena complementară la poziţia 5’) a dus la concluzia că cele două catene sunt îndreptate în direcţii opuse. Prin urmare cele două catene complementare au o orientare spaţială inversă sau antiparalelă. Studiul structurii moleculei de ADN a relevat faptul că bazele azotate sunt aşezate spre interior, perpendicular pe axa principală lungă, la o distanţă una de alta de 3,4A. Deoarece unghiul între doi nucleotizi apropiaţi ai aceleiaşi catene este de 36o, structura se repetă la fiecare 10 nucleotizi, adică la 34A. Dubla spirală helicoidală coaxială are un diametru de 20A. Molecula de ADN are dimensiuni foarte mari (fiind cea mai mare macromoleculă biologică), cu o greutate moleculară care poate ajunge la 12 şi 16*106. Majoritatea moleculelor de ADN au o răsucire a helixului la dreapta (“forma B de ADN”); există însă şi molecule cu o răsucire a helixului spre stânga: Z-ADN.

6

Însuşirea genetică conţinută într-o moleculă de ADN aste determinată de însuşirea perechilor de baze de-a lungul moleculei. Cum numărul secvenţelor posibile de baze este egal cu 4n, unde n este egal cu numărul de nucleotizi per catenă, se ajunge la un număr astronomic de variante posibile de informaţie genetică. În timpul replicării cele două catene ale moleculei de ADN se separă enzimatic, fapt ce permite sinteza unor catene complementare noi pe matricele reprezentate de cele două monocatene vechi. Rezultă astfel două bicatene de ADN identice. Bicatenele de ADN se pot separa -denatura- prin expunere la temperaturi apropiate de punctul de fierbere şi la pH extrem (pH<3 şi pH>10) şi se pot combina -renatura- formând helice duble native prin expunerea monocatenelor complementare la temperatura de aproximativ 65oC.

ARN

Complex macromolecular, structural şi funcţional, similar în anumite privinţe, ADN-ului. ARN-ul rezultă din polimerizarea unor ribonucleotizi, care determină formarea unor lanţuri lungi, monocatenare (structură primară). Pe anumite porţiuni monocatena de ARN se poate răsuci în jurul ei, determinând apariţia unei structuri duble între secvenţele complementare de baze (structură secundară). Polimerizarea implică patru tipuri de ribonucleotizi legaţi împreună prin legături fosfodiesterice în poziţiile 3’-5’. Componentul pentozic al ARN-ului este riboza, iar bazele azotate sunt: adenina, guanina, citozina şi uracilul. Sunt două clase de ARN şi anume: ARN genetic care controlează ereditatea la unii viruşi, alta, ARN negenetic care este implicată în sinteza substanţelor proteice(v. Sinteza proteinelor).

ARN negenetic implicat în sinteza proteinelor sau ARN celular. Există trei tipuri de acid ribonucleic celular prezente în toate celulele, şi care, având structuri şi funcţii diferite , joacă un rol esenţial în biosinteza proteinelor. Aceste tipuri sunt : acidul ribonucleic mesager-mARN, acidul ribonucleic solubil sau de transfer-sARN sau tARN şi acidul ribonucleic ribozomal-rARN(v.anexa2). În celule se găseşte o mare cantitate de rARN (80-90% din ARN-ul celular) o cantitate oarecare de sARN(10-15%) şi o cantitate mică de mARN(mai puţin de 5%).

ARN mesager. mARN este sintetizat în timpul transcripţiei mesajului genetic de pe o catenă de ADN şi serveşte ca tipar pentru sinteza proteinelor. A fost găsit în strânsă legătură cu ADN-ul cromozomal. mARN are următoarele caracteristici: este foarte repede sintetizat, are o singură catenă, complementară uneia dintre catenele ADN-ului propriu, la nivelul căreia a fost sintetizat. În mARN mesajul este înscris codificat în codoni care conţin triplete de baze azotate (ribonucleotizi). La capătul 3’, moleculele de mARN conţin o secvenţă de acid poliadenilic-poly-A (între 70-250 nucleotizi). Aceste “cozi” poly-A sunt adăugate posttranscripţional. Terminaţia 5’ a mARN-urilor sunt blocate prin adiţia unor capete de m7

Gppp (7-metilguanozine reziduale legate de mARN prin legături trifosfat).

ARN solubil, de transfer sau adaptor. sARN-ul sau tARN-ul este similar ca structură cu orice acid ribonucleic. Este caracterizat printr-o slabă polimerizare , are rolul de a activa enzimele din citoplasmă. Apoi reacţionează cu aminoacizii specifici –prin formarea grupărilor aminoacil-sARN- care sunt transferaţi la locul de biosinteză a proteinelor: complexe mARN-ribozomi sau poliribozomi. Anumite părţi din catena de sARN, constituite din serii scurte de nucleotizi, reprezintă bazele complementare ale codului mARN pentru un aminoacid caracteristic. În asemenea porţiuni reprezentate de tripleţi de baze, denumite anticodoni,

7

sARN-ul diferitelor specii este identic. Faptul că în citoplasmă există toţi sau aproape toţi cei circa 20 de aminoacizi proteici, presupune că trebuie să existe un număr de minimum 20 de tipuri de sARN, câte unul pentru fiecare aminoacid (maximum 64, câţi codoni se pot forma de cele patru baze azotate). Moleculele de sARN constau dintr-o singură catenă, alcătuită din 75-80 de ribonucleotizi. La un capăt al catenei (capătul 5’) se găseşte acid guanilic (G), iar la capătul 3’ se găseşte un triplet format din bazele CCA (citozină-citozină-adenină). Între braţul scurt, cu G, şi braţul lung la nivelul primului nucleotid C, se formează punţi de hidrogen. Regiunile bicatenare includ trei bucle monocatenare intermediare. Regiunea de curbură a lanţului polinucleotidic reprezintă celălalt capăt al moleculei de sARN. Curbura este constituită dintr-un segment de trei nucleotizi necomplementari, deci legaţi prin punţi hidrogenice. Acest triplet de baze a căpătat denumirea de anticodon tocmai pentru a indica complementaritatea lui faţă de codonii mARN.

ARN ribozomal. Una din caracteristicile principale care deosebeşte rARN de celelalte tipuri de ARN constă în aceea că el apare întotdeauna legat de proteine. Lanţul rARN-ului este constituit atât din porţiuni monocatenare cât şi din porţiuni bicatenare helicoidale cu bucle monocatenare. În lanţul polinucleotidic al rARN-ului raportul molar între bazele azotate componente este în favoarea bazelor purinice. Astfel conţinutul în adenină/uracil=21:19, guanină/citozină=36:25, iar raportul general purine/pirimidine circa 1,3. Molecula de rARN are peste 1000 de nucleotizi.

Sinteza proteinelor

Proces care constă în polimerizarea aminoacizilor, în celule sau în vitro. (v.anexa3)Intr-o celulă pot exista circa 10000 proteine care au rol esenţial în funcţionarea şi reproducerea celulei şi organismului. Biosinteza proteinelor se desfăşoară în următoarele momente. În primul moment are loc transcripţia, care constă în sinteza mARN de către una dintre catenele de ADN dintr-o genă. Acest mARN are o structură complementară catenei de ADN matrice, reprezentând o “imagine în oglindă” a acestuia, o transcriere mecanică a codonilor catenei de ADN, respectiv a mesajului genetic, cu simboluri complementare. În al doilea momont are loc translaţia care constă în migrarea mARN în citoplasmă şi asocierea mARN cu ribozomii activi în sinteza proteică. Catena de mARN se fixează simultan prin absorbţie pe mai mulţi ribozomi la distanţa între ei de 300-350A, formând poliribozomi. În al treilea moment are loc activarea aminoacizilor, care constă în reacţia unui aminoacid cu adenozin-trifosfat (ATP) catalizată de aminoacil-ARN sinteza, şi formarea de aminoacil-adenilat (aminoacil AMP), care se ataşează de o moleculă de tARN, determinând apariţia unui complex aminoacil-tARN. Acest complex este transportat în locul lui propriu în lanţul proteic, determinat de mARN din polizomi. Pe catena mARN din polizom, se vor amplasa, la nivelul fiecărui ribozom, numai acele complexe aminoacil-tARN care, pe bucla centrală, reprezentând anticodonul, posedă o secvenţă de trei ribonucleotizi complementară codonilor mARN din complexul polizomului. În acest fel aminoacizii sunt legaţi enzimatic într-o ordine impusă de ADN care a matriţat mARN şi care joacă un rol direct în biosinteza proteinelor. În al patrulea moment are loc translaţia, polimerizarea sau asamblarea aminoacizilor. Legătura se realizează între gruparea COOH a primului aminoacil care reprezintă punctul activ al biosintezei progresive, cu gruparea NH2, a celui de al doilea aminoacil, în prezenţa enzimei peptid-polimeraza, care catalizează formarea legăturilor peptidice între aminoacizi; încorporarea aminoacizilor este ireversibilă; iau astfel naştere lanţuri polipeptidice care se eliberează de polizom, prin translocarea ultimului complex aminoacil-tARN de ultimul

8

ribozom din polizom, când acesta a ajuns în urma rotirii la extremitatea matricei mARN de care se detaşează. Un lanţ polipeptidic se sintetizează într-un minut.

9