2/24/2013

1

Ce este biochimia?

Punte de legătură dintre

– Chimie, stiinţa care studiază:

• structura atomilor şi moleculelor

• interacţiunile lor

– Biologie, stiinţa care studiază:

• structura celulelor şi organismelor

• interacţiunile lor

Stiinţa care studiază organismele vii la nivel molecular

Scopul principal al biochimiei

A determina modul cum interacţionează

variatele molecule din organismele vii pentru a

constitui,

menţine,

perpetua viaţa

2/24/2013

2

Domeniile principale ale biochimiei

Structura şi funcţia biologică a compuşilor chimici ce alcătuiesc organismele vii.

Relaţia structură-funcţie.

Totalitatea transformărilor chimice din organismele vii (metabolism)

Mecanismul stocării şi transmiterii informaţiei genetice

Biochimie DescriptivăPrograma analitică

• Aminoacizi (2ore)

• Peptide & Proteine (1+4 ore)

• Enzime & Cofactori enzimatici & Vitamine (4 + 3 +1 ore)

• Glucide (3 ore)

• Glicoproteine & Proteoglicani (2 ore)

• Lipide (2 ore)

• Nucleotide & Acizi nucleici (3 ore)

• Hormoni & Neuromediatori (2 ore)

• Receptori (2 ore)

2/24/2013

3

Indicaţii bibliograficeCărţiIn limba engleză:

• Basic Medical Biochemistry (DB Marks, AD Marks, CM Smith)

• Biochemistry – Lippincott’s Illustrated Reviews (R.Harvey , P Champe)

• Texbook of Biochemistry (TM Devlin)

• Harper’s Illustrated Biochemistry (RK Murray, DK Granner, PA Mayes)

• Biochemistry (G Zubay)

• Color Atlas of Biochemistry (Jan Koolman, Klaus-Heinrich Roehm)

In limba română:

• Biochimie medicală – Mic tratat (V Dinu, A Popescu si altii)

• Biochimie descriptivă (I Olteanu)

• Biochimie (Lehninger – traducere)

• Enzime. Cofactori enzimatici (M Dronca)

Internet• www.freebooks4doctors.com

TEMATICA CURSULUI 1Aminoacizi

– Formula generală– Importanţa biomedicală– Clasificare & Denumiri & Abrevieri

– Standard & Nonstandard– Esenţiali & Neesenţiali– Polari & Nepolari

– Proprietăţi optice şi spectrale– Proprietăţi acido-bazice. Relaţia Henderson-Hasselbalch

– Incărcare electrică la pH fiziologic– Sisteme tampon

Peptide– Definiţie & Denumire– Caracteristici structurale– Clasificare– Semnificaţie biologica– Peptide naturale (ex. familia POMC, ocitocină, vasopresină, glutation)– Peptide artificiale (ex. aspartam)

2/24/2013

4

AMINOACIZI- Formula generală

H3N+

C

H

COO-

R

Partea comună tuturor aminoacizilor

Radicalul este caracteristic fiecărui aminoacid

Carbonul α se găseşte între grupările carboxil şi amino

Grupare amino

Grupare carboxil

AMINOACIZI - Importanta grupărilor funcţionale şi a radicalului (R)

Grupările -COOH şi -NH2

sunt implicate în formarea

legăturii peptidice

R

H

C C

H

R

NH CO NH CO

Radicalii determinăstructura & proprietăţile

proteinei

2/24/2013

5

• Sunt unităţi de construcţie ale proteinelor

• Sunt precursori ai unor compuşi cu importante roluri biologice– Tyr -> Catecolamine, Melanina

– Trp -> Serotonina, Melatonina

– Arg -> NO, Creatina

– His -> Histamina

– Glu -> Acid gama aminobutiric (GABA)

– Met -> S-Adenozil metionina (SAM)

– Asp -> Baze purinice, pirimidinice

– Gln -> Baze purinice, pirimidinice

– Gly -> Hem, baze purinice

– Ser -> Fosfatidil serina

• Sunt neuromediatori: Glu, Asp, Gly

• Pot fi folositi pentru sinteza glucozei, corpilor cetonici

• Pot fi folosiţi ca sursă de energie

AMINOACIZI - Importanţa biomedicală

AMINOACIZI - Clasificare Aminoacizii standard = aminoacizii codificaţi genetic = 20 aminoacizi Aminoacizii nonstandard nu sunt codificaţi genetic.

2/24/2013

6

AMINOACIZI STANDARD Clasificare în funcţie de structura R

I. Monoamino monocarboxilici

Radical alifatic

Aciclic Ciclic

Nesubstituit Substituit Nesubstituit

GlicinaAlaninaValina

LeucinaIzoleucina

HidroxiliciSerina

TreoninaTiolici

CisteinaTioetericiMetionina

AmidiciAsparaginaGlutamina

Iminoacid !

Prolina

Radical aromatic

Homociclic Heterociclic

Nesubstituit Substituit Nesubstituit

Fenilalanina FenoliciTirozina

Triptofan

II. Monoamino dicarboxiliciAcidul aspartic (asparagic)

Acidul glutamic

III. Diamino monocarboxiliciLizina

HistidinaArginina

AMINOACIZI STANDARD Clasificare în funcţie de structura R

(Continuare)

2/24/2013

7

α-AMINOACIZI AMINOACIZI – Structuri & Denumiri

I. Monoamino monocarboxilici

Alifatici, aciclici, nesubstituiti

Glicina (Gly, G) Alanina (Ala, A) Valina (Val, V) Leucina (Leu , L) Izoleucina (Ile , I)

Acidul α-amino Acidul α-amino Acidul α-aminoizovalerianic izocapronic β-metil valerianic

Acidul α-amino Acidul α-aminoacetic propionic

AMINOACIZI – Structuri & DenumiriI. Monoamino monocarboxilici

Alifatici, aciclici, substituiti

Serina (Ser, S) Treonina (Thr ,T ) Cisteina (Cys, C) Metionina (Met , M)

Hidroxilici Tiolici Tioeterici

Acidul α-amino, γ-tiometil butiric

Acidul α-amino, β-mercapto propionic

Acidul α-amino, β-hidroxi butiric

Acidul α-amino, β-hidroxi propionic

2/24/2013

8

AMINOACIZI – Structuri & DenumiriI. Monoamino monocarboxilici

Alifatici, aciclici, substituiti

Asparagina (Asn, N) Glutamina (Gln, Q)

Amidici

γ-Monoamida acidului aspartic δ-Monoamida acidului glutamic

AMINOACIZI – Structuri & DenumiriI. Monoamino monocarboxilici

Alifatici, ciclici, nesubstituiti

Prolina (Pro, P) Fenilalanina (Phe, F) Tirozina (Tyr , Y) Triptofan (Trp, W)

Aromatici

Acidul pirolidin2-carboxilic

Acidul α-amino β-fenil propionic

Acid α-amino β-p-hidroxifenil propionic

Acid α-amino, β-3-indolil propionic

2/24/2013

9

AMINOACIZI – Structuri & Denumiri

II. Monoamino dicarboxilici

Aspartat (Asp, D) Glutamat (Glu, E)

Acidul α-amino succinic Acidul α-amino glutaric

AMINOACIZI – Structuri & Denumiri

III. Diamino monocarboxilici

Lizina (Lys, K) Arginina (Arg, R) Histidina (His, H)

Acidul α,ε-diaminocaproic

Acidul α-amino δ-guanidino valerianic

Acidul α-amino β-imidazol propionic

2/24/2013

10

Aminoacizi – Denumiri & Abrevieri

Denumire uzuala Denumire stiintifica Abreviere Denumire radical

AlaninaAspartatAsparaginaArgininaCisteinaFenilalaninaGlicina (glicocol)GlutamatGlutaminaHistidinaIzoleucinaLeucinaLizinaMetioninaProlinaSerinaTirozinaTreoninaTriptofanValina

Acid -amino propionicAcid -amino succinic-Monoamida acidului asparticAcid -amino, -guanidino valerianicAcid -amino, -mercapto propionicAcid -amino, -fenil propionicAcid -amino aceticAcid -amino glutaric-Monoamida acidului glutamicAcid -amino, -imidazol propionicAcid -amino, -metil valerianicAcid -amino izocaproicAcid , -diamino caproicAcid -amino, -tiometil butiricAcid pirolidin-2-carboxilicAcid -amino, -hidroxi propionicAcid -amino, -p-hidroxifenil propionicAcid -amino, -hidroxi butiricAcid -amino, -3-indolil propionicAcid -amino izovalerianic

AlanilAspartilAsparaginilArginilCisteinilFenilalanilGlicilGlutamilGlutaminilHistidilIzoleucilLeucilArginilMetionilProlilSerilTirozilTreonilTriptofanilValil

AlaAspAsnArgCisPheGlyGluGlnHisIleLeuArgMetProSerTyrThrTrpVal

Aminoacizi standard – Clasificare în funcţie de polaritatea radicalului

Aminoacizi

Grupare carboxil(-COOH)

Deprotonată (COO-)la pH fiziologic

Grupare α-amino(-NH3

+)

Protonată (NH3+)

la pH fiziologic

Radical (R) Catena laterala

NepolarHidrofob

PGlicina* -2,4Leucina -2,3Izoleucina -2,2 Valina -2,0Alanina -1,9 Metionina* -1,5Cisteina* -1,2Fenilalanina +0,8

Baza protonataIncarcata pozitiv

NeutruNeîncărcat electric

PAspartat +11,0Glutamat +10,2

PHistidina (la pH6) +10,3Lizina +15,0Arginina +20,0

PTreonina +4,9Serina +5,1Triptofan +5,9Tirozina +6,1Prolina* +6,0Asparagina +9,7Glutamina +9,4

PolarHidrofil

Acid deprotonatIncarcat negativ

La pH fiziologic

Polaritate (P)

2/24/2013

11

Localizarea aminoacizilor în structura spatiala a proteinelor

Hidrosolubile ( globulare) Membranare

Aminoacizii nepolari “căptuşesc” suprafaţa proteinei

sunt în contact cu mediul lipidic

Aminoacizii nepolari (culoare galbena) formează “miezul” proteinei

evită contactul cu mediul apos

Aminoacizi nonstandard – existenţi în proteine

Nu sunt codificaţi genetic

Se formează prin modificare post-translaţională a aminoacizilor standard !

5-Hidroxilizina, 4-Hidroxiprolina, allizina → Colagen

N-metil lizina → Actină

N-Acetil-lizina→ Histone

Acidul -carboxi glutamic → Factori ai coagulării

Farnezil cisteina → Proteine membranare implicate in reglare

Palmitoil cisteina → Proteine membranare

Cistina → Insulină, albumină, imunoglobuline etc.

Fosfo serina, fosfo tirozina → Enzime reglatoare

N-Acetilglucozamin asparagina → Glicoproteine cu legatură N-glicozidică

N-Acetilgalactozil serina → Glicoproteine cu legatură O-glicozidică

ADP-ribozil arginina → Proteine membranare implicate in reglare

2/24/2013

12

N-metil lizina Acid -carboxi glutamic Fosfo serina

Cistina

Aminoacizi nonstandard – existenţi în proteine

Selenocisteina

ADP-Ribozilarea H2N-Arg, Gln ; HS-Cys

Palmitoilarea HS-Cys Prenilarea HS-Cys

O-Glicozilarea HO-Ser, Thr, Tyr N-Glicozilarea H2N-Asn

Aminoacizi nonstandard – existenţi în proteine

2/24/2013

13

Modificari post-translationale ale aminoacizilor

Nu sunt codificaţi genetic

Sunt componente ale unor coenzime, neuromediatori, intermediari metabolici

Aminoacizi nonstandard – neexistenţi în proteine

- Alanina →Coenzima A

Acidul -aminobutiric = Neuromediator

Homocisteina = Intermediar în metabolismul Met

Ornitina, citrulina = Intermediari în sinteza ureei

5-Hidroxi triptofanul = Intermediar în sinteza serotoninei, melatoninei

3,4-Dioxifenilalanina (L-DOPA) = Intermediar in sinteza adrenalinei

2/24/2013

14

Aminoacizi nonstandard – Structuri

Aminoacizi esenţiali

Aminoacizi standard care nu pot fi sintetizaţi în organismul uman, deci trebuie sa fie preluaţi din alimente

Aminoacizi ramificaţi: Val, Leu, Ile

Aminoacizi aromatici: Phe, trp

Aminoacizi bazici: Lys, His, Arg (numai în situaţii speciale)

Aminoacizi hidroxilici: Thr

Aminoacizi cu sulf: Met

2/24/2013

15

Aminoacizi – Proprietăţi optice Toţi aminoacizii (exceptie Gly) au cel puţin un centru asimetric (carbon cu 4 substituenţi

diferiţi) = carbonul

Carbonul = chiral sau optic activ

Aminoacizii cu carbon chiral pot avea 2 stereoizomeri (enantiomeri), (D şi L), care se găsescîn relaţia obiect-imagine în oglindă

Toţi aminoacizii din proteine sunt L-aminoacizi

L - Aminoacid D - Aminoacid

L- Gliceraldehida D - Gliceraldehida

Aminoacizi - Proprietăţi spectrale

Aminoacizii aromatici prezintă un maxim de absorbţie în UV, ~ 280nm

2/24/2013

16

Acizii slabi sunt parţial disociati

Echilibrul de disociere este caracterizat de constanta de aciditate

Relaţia cantitativă dintre concentraţia acidului slab [HA] şi concentraţia bazei conjugate [A-] este descrisă de ecuaţia Henderson-Hasselbalch

Aminoacizi - Proprietăţi acido-bazice

HA H+ + A

-

Acid slab Proton SareBaza conjugata

][

]][[

HA

AHKa

][

][log

HA

ApKapH

Aminoacizii = acizi slabi si baze slabe => caracterul amfoter

Dpdv al compoziţiei este format din: acid slab + bază conjugată (-COOH / -COO-)

baza slabă + acid conjugat (-NH2 / -NH3+)

Dpdv al funcţiei: se opune variaţiilor de pH când se adaugă cantităţi limitate de acid sau

bază tare

Capacitatea de tamponare este maximă la

pH = pKa 1 unde pKa = - log Ka

La pH < pKa predomină forma protonată (-COOH)

pH > pKa predomină forma deprotonată (-COO-)

Aminoacizii pot forma sisteme tampon

2/24/2013

17

Curba de titrare a acidului acetic

][

][log

HA

ApKapH

Curba titrare a glicocolului

Treptele de ionizare:

pI = pHi = pH izoelectric

pHi = ½ (pK1 + pK2)

Forma de amfiion (zwitterion)Incarcare electrica = 0Solubilitate in apa minima

2/24/2013

18

Peptide - Definiţie

Peptide = combinaţii de tip amidic rezultate prin condensarea a 2 sau mai

multe molecule de aminocizi

= succesiune de aminoacizi legaţi prin legatură peptidică

Succesiune constantă de legături peptidice separate prin Cα

Radicali diferiţi legaţi de Cα

Peptide - Denumire

Se denumesc succesiv radicalii aminoacizilor începând cu capătul N-terminal

Ser-Gly-Tyr-Ala-Leu = Seril-Glicil-Tirozil-Alanil-Leucina

2/24/2013

19

Peptide – Incărcare electrică La pH = 7 gruparile carboxilice sunt deprotonate

grupările amino sunt protonate=> încarcarea electrică a peptidei depinde de numărul & tipul grupărilor acido-bazice!

La pH = pH izoelectric încărcarea electrică netă = 0, ca urmare solubilitatea în apăeste minimă şi viteza de migrare în câmp electric = 0

Peptide – Clasificare

In funcţie de numărul aminoacizilor componenţi• Oligopeptide = peptide formate din câţiva aminoacizi

– dipeptide

– tripeptide

– tetrapeptide, etc

• Polipeptide = peptide formate din < 50 aminoacizi

= peptide cu GM <10000

In funcţie de modul cum sunt sintetizate• Peptide ribozomale = peptide sintetizate prin traducere folosind ca matriţă ARN

mesager; în general au rolul de hormoni sau molecule de semnalizare.

Exemplu: peptidele din familia pro-opiomelanocortinei, glucagonul, angiotensina,

vasopresina, oxitocina etc.

• Peptide nonribozomale = peptide sintetizate prin condensări succesive de aminoacizicatalizate de enzime specifice.

Exemplu: glutation = γ-Glu-Cys-Gly

• Peptide artificiale = sintetizate prin sinteza chimica

Exemplu: aspartam

2/24/2013

20

Peptide – Semnificaţie biologică

Denumire Structura Functie Sinteza

Calcitonina 32 Aminoacizi Hipocalcemiant Celulele C adiacente celulelor foliculare

ale tiroidei

Glucagonul 29 Aminoacizi Hiperglicemiant Celulele α din insulele Langerhans ale

pancreasului

Secretina 27 Aminoacizi Stimulează secreţia de

H2O şi HCO3- de către

pancreas

Celulele S din duoden şi jejunul proximal

ACTH 39 Aminoacizi Controleaza dezvoltarea

cortexului adrenalelor si

sinteza de steroizi

Celulele corticotrope ale adenohipofizei

Vasopresina 9 Aminoacizi Regleaza eliminarea

renala de H2O

Nucleul supraoptic al al hipotalamusului

Oxitocina 9 Aminoacizi Regleaza contracţia

muşchiului neted al

uterului şi a celulelor

mioepiteliale ce înconjoară

alveolele mamare

Nucleul paraventricular al hipotalamusului

α-Endorfina 16 Aminoacizi Analgezic, euforic

asemănător morfinei

Celulele corticotrope ale adenohipofizei

sub forma de POMC

Familia pro-opiomelanocortinei (POMC)

2/24/2013

21

ACTH - Structura

Fragment 1 (Aa 1-4) = interacţionează cu receptorii melanofori

Fragment 2 (Aa 5-10) = măreste activitatea fragmentului 1 de 1000x

Fragment 3 (Aa 11-14) = măreste activitatea fragmentului 1 de 1000x

Fragment 4 (Aa 15-18) = adaptează “cuvintele” 1,2 si 3 la receptorul specific situat pe corticosuprarenala

determina activităţil corticotrope si corticotrofe, reduce activitatea melanoforetică

Fragment 5 (Aa 19-24) = stabilizează hormonul în timpul transportului

Fragment 6 (Aa 25-33) = stabilizează hormonul în timpul transportului

Fragment 7 (Aa 34-39) = determină specificitatea de specie, induce formarea de anticorpi la alte specii

ACTH - Rol

Stimulează secreţia de hormoni corticosuprarenali

intensificarea

catabolismului proteic şi lipidic gluconeogenezei

2/24/2013

22

Vasopresina & Oxitocina

Vasopresina

Oxitocina

Are efect antidiuretic & vasopresor

Implicata in

• formarea memoriei

• inducerea agresivitatii

Determină

• declanşarea contracţiilor uterului gravid

• secreţia laptelui din glanda mamară

• reducerea temerilor &cresterea increderii

• aparitia instinctului matern

Nonapeptide cu structura asemănătoare dar rol biologic diferit !

Tripeptida naturală – Glutation

Caracteristicile sintezei:

• condensare succesivă a aminoacizilor Glu, Cys, Gly catalizată de sintetaze specifice

• nu este necesară prezenta unei de matrice (ARNm)

Forma redusaForma oxidata

2/24/2013

23

GSH – Roluri biologice

Antioxidant major

ajută la descompunea H2O2, reciclizează alţi antioxidanţi (vitaminele C, E)

Reducător intracelular

ajută la menţinerea gr. SH şi la rearanjarea punţilor S-S din proteine

Cosubstrat al γ-glutamil transpeptidazei (GT)

ajută la transportul aminoacizilor prin membrana celulară

Component al leucotrienei C4 (LTC4), hormon local cu rol în inflamaţie

Implicat în eliminarea metalelor grele, toxinelor, medicamentelor

GSH – Rol în protejarea faţă de SRO

Specii reactive ale oxigenului (SRO)

2/24/2013

24

GSH – Rol în transportul aminoacizilor

Aa + GSH Glu-Aa + Cys-Gly

Aa

Oxoprolina

GT

GSH – Rol în “conjugarea” xenobioticelor

R-SH + GSH R-S-S-

Glu

Cys

Gly

Peptide artificiale

Sintetizate prin metode chimice sau enzimatice