CURS 1INTRODUCERE

Biochimia este o ştiinţă modernă, cu caracter complex, care are drept material de studiu materia vie şi fenomenele specifice acesteia, din punct de vedere al organizării, compoziţiei şi structurii biomoleculelor componente, precum şi al proceselor complexe de transformare a acestora, în corelaţie cu efectele energetice asociate reacţiilor metabolice.

Cunoaşterea substratului biochimic al materiei vii, şi a mecanismelor reacţiilor biochimice oferă cheia înţelegerii ştiinţifice a fenomenelor particulare lumii vii cum ar fi: procesele fiziologice normale sau patologice, formarea speciilor, variabilitatea, ereditatea, reproductibilitatea, adaptabilitatea etc., şi proiectarea posibilităţilor de intervenţie şi de aplicare a unor alternative optime.

Biochimia este alcătuită din Biochimie statică / descriptivă ( descrie combinaţiile chimice din organismele vii ) şi Biochimie dinamică ( cercetarea metabolismului ) .

Primele concepţii ştinţifice privind starea de boală, ereditate, regim de viaţă, influenţa mediului înconjurător asupra organismului se datoresc lui Hipocrat din Kos, Galenus din Pergam, Paracelsus ș.a.

Realizarea primelor sinteze in vitro ( Fr. Wőhler, ureea, 1828 ; Zinin, anilina, 1842 ; H. Kolbe, acidul acetic, 1845 ș.a. ) au demonstrat posibilităţile nelimitate ale sintezei organice, îndreptând preocupările către elaborarea unor metode noi de determinare, calitative și cantitative a produselor rezultate în reacţiile biochimice, în această perioadă Biochimia devenind ca știnţă de sine stătătoare .

În sec 20, principalele direcţii de cercetare au avut ca obiectiv acizi nucleici, proteinele, enzimele, alcaloizi, carotenoidele, antibioticele.

Caracteristici biochimice ale materiei vii Materia vie este constituită din aceleaşi elemente chimice care alcătuiesc materia

lumii minerale, organizate în structuri care se supun aceloraşi legi, fizice şi chimice, care guvernează lumea nevie.

În constituţia organismele vii, vegetale şi animale, sunt reprezentate un număr de aproximativ 60 din cele peste o sută de elemente chimice cunoscute. Dintre acestea 12 elemente chimice (99,9%) se regăsesc în structura tuturor celulelor vii şi sunt denumite macrobioelemente: C, H, O, N, P, S, Cl, Si, Mg, K, Na, Ca.

Un număr de patru elemente chimice: C, O, H, N, reprezentând peste 99% din masa totală a organismelor vii se găsesc în proporţii diferite în plante, în animale şi în organismul uman.

În proporţii mai reduse, (aproximativ 1%), dar manifestând un important rol biocatalitic în procesele metabolice, se găsesc o serie de microbioelementele (oligobioelemente): B, V, Mn, Co, Ni, Mo, Cu, Zn etc.

De ordinul milionimilor de procente au fost identificate în cenuşa plantelor şi ultrabiomicroelemente: Au, Ag, Hg, Pb, Ge etc.

În toţi compușii materiei vii „ C ” joacă rol predominant datorită configuraţie sale electronice ce îi permite să realizeze combinţii atât cu elemente electronegative ( O, S,

N, P, Cl ) cât și cu elemente electropozitive ( H ) , dar „ C ” se poate combina și cu el însuși rezultând edifici moleculare foarte complexe .

Atomii de H și O alături de atomul de C formează primi constituienţii elementari ai materiei vii ( H₂O și CO₂ ).

Atomul de N este, de asemenea, un elemente esenţial, pentru că alături de C, H și O intră în compoziţia substanţelor proteice ( compușii ce reprezintă structurile moleculare cele mai importante ale materiei vii ). Atomii de C, H, O și N au o proprietate comuna aceea de a lega legaturi covalente prin distribuirea de perechii de electroni.

Elementele mai puţin abundente ( P, S, Ca, Mg ) iau parte ca elemente de construcţie în alcătuirea moleculelor ce intră în formarea organismelor vii, iar CL, Na și K sunt și ele indispensabile vieţii .

Elemetele rare participă în concentraţi extrem de mici în procesele metabolice celulare fundamentale, în calitate de componenţi ai enzimelor sau activatori a acestora. Absenţa lor determină perturbări grave ale metabolismului celular.Cea mai mare parte din compușii atomilor sunt rău condutori de căldură și electricitate și au o căldură specifică ridicată , de aici rezultă că compuși celulari sunt instabili, instabilitate necesară desfășurării proceselor metabolice.

Deşi este constituită pornind de la molecule mici, cu compoziţie elementală simplă, (H2O, CO2, NH3, aminoacizi, monoglucide, lipide simple etc.), materia vie este total diferită prin proprietăţi de cea minerală, caracterizându-se printr-un înalt grad de complexitate şi organizare, într-o mare varietate de forme, rezultat al procesului de evoluţie îndelungat.

Cu toată varietatea şi complexitatea chimică a organismelor, materia vie este organizată după un principiu unitar. Componenţii celulari nu alcătuiesc o serie continuă, mărimea şi complexitatea biomoleculelor nu variază treptat. Majoritatea constituenţilor celulari sunt compuşi macromoleculari şi doar un număr relativ redus de biomolecule au dimensiuni mici, în timp ce speciile moleculare cu dimensiuni intermediare sunt practic absente. Această discontinuitate între mărimea şi gradul de complexitate a celor două tipuri de biomolecule este rezultatul mijloacelor pe care celulele le utilizează pentru edificarea lor. Într-o primă etapă, printr-o mare diversitate de reacţii biochimice, organismele vii sintetizează biomolecule primordiale: câteva tipuri de monozaharide, 20 de aminoacizi, opt nucleotide, câţiva acizi graşi şi alcooli.

A doua etapă a chimiei celulare constă în policondensarea moleculelor primordiale sub formă de macromolecule: proteine, acizi nucleici, polizaharide, lipide complexe. Prin repetarea aceluiaşi gen de biosinteză, cu maximum de economie de materiale şi energie, din molecule mici se formează treptat macromolecule, proces care decurge cu randament maxim şi fără formare de compuşi intermediari.

Componenţii celulari, în afară de dimensiuni, se deosebesc şi prin caracterul lor specific sau nespecific. Unii dintre ei, cum ar fi moleculele mici, biomoleculele promordiale: monozaharidele, aminoacizii, nucleotidele, acizii graşi sunt identici în toate organismele vii, vegetale şi animale, alţii prezintă specificitate de specie, de organ şi mai ales de individ. Constituenţii celulari specifici sunt macromoleculele proteice şi acizii nucleici, care pot exista într-o varietate practic infinită, dar fiecare celulă, fiecare organism cuprinde un set distinct de proteine şi de acizi nucleici. Diversitatea structurală a celor 5 milioane de specii de proteine şi un număr corespunzător de specii acizi nucleici, se realizează prin mijloace simple, de combinarea a unui număr redus de

specii moleculare, respectiv, 20 de aminoacizi pentru proteine şi câte patru tipuri de nucleotide pentru acizii nucleici.

Prin legarea unui număr mare al acestor unităţi în succesiuni variate se poate obţine un număr infinit de combinaţii. O anumită secvenţă de aminoacizi sau de nucleotide conţine o cantitate de informaţie care conferă proteinelor şi acizilor nucleici caracterul de molecule informaţionale. În contrast cu multitudinea posibilităţilor de legare a aminoacizilor în proteine sau a nucleotidelor în acizi nucleici, într-un organism dat nu se realizează decât succesiuni care îi sunt proprii, pentru care primeşte informaţie de la predecesori, prin intermediul acizilor dezoxiribonucleici ADN.

Chintesenţa materiei vii o reprezintă capacitatea de autoreplicare de la o generaţie la alta.

Structurile celulare sunt edificii complexe, cu entropii reduse, care se dezagregă şi se refac continuu; în organismele vegetale şi animale adulte cele două procese sunt echilibrate, astfel încât masa lor rămâne constantă. Refacerea structurilor celulare decurge, parţial, pe seama produşilor de degradare a componenţilor proprii, iar ceea ce se pierde este completat prin elementele preluate din mediul înconjurător, ca substanţe nutritive. Întreţinerea morfologiei proprii, creşterea şi dezvoltarea organismului implică şi un consum permanent de energie. Plantele şi câteva specii de microorganisme înmagazinează prin fotosinteză energia solară în glucide, lipide, proteine, care alcătuiesc hrana oamenilor sau a animalelor, consumate la rândul lor de către om. De fapt, organismele animale iau din mediul înconjurător o formă de energie de calitate superioară pe care o utilizează pentru îndeplinirea tuturor funcţiilor vitale şi eliberează în mediu o cantitate de energie de calitate inferioară (căldură).

Schimburile de materie şi de energie dintre organism şi mediu, care definesc însăşi viaţa, implică desfăşurarea unui număr mare de reacţii chimice, care alcătuiesc metabolismul, cu două laturi principale:

• catabolismul (degradarea constituenţilor celulari la compuşi mai simpli) implică procese exergonice, în care se produce energie;

• anabolismul (edificare şi refacerea constituenţilor celulari) decurge prin reacţii endergonice, în care se consumă energia mobilizată în procesele catabolice.

Organismele vii sunt deci sisteme deschise, aflate într-un permanent schimb de energie şi materie cu mediul înconjurător, constituind sediul unui triplu flux, de materie, de energie şi de informaţie.

La baza activităţii chimice celulare stau biocatalizatorii enzime, care catalizează multitudinea de reacţii care alcătuiesc metabolismul. Enzimele sunt proteine care se caracterizează printr-o activitate catalitică mult superioară catalizatorilor chimici şi o înaltă specificitate. Reacţiile catalitice care alcătuiesc metabolismul intermediar nu sunt independente, ele alcătuiesc secvenţe liniare sau secvenţe ramificate sau cicluri, atât anabolice cât şi catabolice. Deşi termenii extremi ai acestor secvenţe sunt identici, procesele de biosinteză nu au loc prin inversarea reacţiilor de degradare, secvenţa anabolică nu este o simplă parcurgere în sens invers a celei catabolice, cele două procese se diferenţiază prin una sau mai multe etape. Reacţiile distincte ale celor două secvenţe opuse sunt adesea acele reacţii care au efectele energetice cele mai pronunţate, respectiv sunt puternic endergonice sau exergonice.

Un alt aspect important al metabolismului este coerenţa funcţională a diverselor reacţii biochimice. Metabolismul nu este o sumă de reacţii, ci este alcătuit din sisteme

de reacţii intercorelate care asigură funcţionarea optimă a organismului. Cu toate că organismul este sediul unei activităţi biochimice intense şi variate, compoziţia sa chimică calitativă şi cantitativă este relativ constantă. Homeostazia biologică (menţinerea între anumite limite a parametrilor biochimici şi fiziologici ai organismului) este rezultatul funcţionării unor mecanisme de autoreglare. La nivel celular se exercită un control primitiv metabolic prin accelerarea şi încetinirea reacţiilor metabolice ca rezultat al modificării activităţii enzimelor existente în celule sau prin inducţia şi represia sintezei proteinelor cu rol biocatalitic. La nivelul organismului se adaugă sistemul de control neuro-umoral, cu rol de coordonare a activităţilor metabolice celulare.