Dr. Sorin Gheorghe Bolog – BIOCHIMIE – curs II 1 BIOCHIMIE – curs II Biochimia organismelor vii. Apa si ionii. Cuprins: Biochimia organismelor vii ............................................................................................................................ 2 Caracteristicile proprii materiei vii ............................................................................................................ 2 Biochimia vietii .......................................................................................................................................... 2 Biomoleculele........................................................................................................................................ 2 Reactii chimice in celula vie .................................................................................................................. 5 Autoreglarea reactiilor din celule ......................................................................................................... 6 Replicarea organismelor vii ................................................................................................................... 7 Apa, cationii si anionii ................................................................................................................................... 9 Apa ............................................................................................................................................................ 9 Proprietatile fizice ale apei. Legatura de hidrogen. ............................................................................ 10 Proprietatile de solvent ale apei ......................................................................................................... 12 Interactii hidrofobe ............................................................................................................................. 13 Ionizarea apei ...................................................................................................................................... 14 Produsul ionic al apei: scara de pH ..................................................................................................... 15 Cationi si Anioni ...................................................................................................................................... 17
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
Dr. Sorin Gheorghe Bolog – BIOCHIMIE – curs II
1
BIOCHIMIE – curs II
Biochimia organismelor vii. Apa si ionii.
Cuprins:
Biochimia organismelor vii ............................................................................................................................ 2
Caracteristicile proprii materiei vii ............................................................................................................ 2
Reactii chimice in celula vie .................................................................................................................. 5
Autoreglarea reactiilor din celule ......................................................................................................... 6
Replicarea organismelor vii ................................................................................................................... 7
Apa, cationii si anionii ................................................................................................................................... 9
Apa ............................................................................................................................................................ 9
Proprietatile fizice ale apei. Legatura de hidrogen. ............................................................................ 10
Proprietatile de solvent ale apei ......................................................................................................... 12
Produsul ionic al apei: scara de pH ..................................................................................................... 15
Cationi si Anioni ...................................................................................................................................... 17
Dr. Sorin Gheorghe Bolog – BIOCHIMIE – curs II
2
Biochimia organismelor vii
Asa cum aminteam in primul curs, materia vie este compusa din molecule nevii. Aceste
molecule nevii, luate separat si nu ca si constituienti ai organismelor vii, se supun tuturor legilor
fizice si chimice care guverneaza materia nevie.
Organismele vii poseda alte proprietati care nu apartin materiei nevii.
Caracteristicile proprii materiei vii
Materia vie Materia nevie
Organizare si complexitate deosebita; numar
mare de biomolecule; numar mare de specii.
Amestecuri intamplatoare de compusi simpli
cu o structura putin complicta.
Orice componenta a organismelor vii are o
functie specifica.
Nu exista functii.
Exista capacitatea de a capta si transforma
energia din mediu; utilizeaza “materiale
prime” luate din mediu si le transforma in
structuri proprii complicate necesare
supravietuirii.
Nu se utilizeaza energia externa pentru a-si
conserva structura; materia nevie suporta
trasformari sub forma de descompunere
(stare mai putin organizata) sub actiunea
energiilor externe.
Au capacitate de replicare/autoreplicare cu
mare fidelitate.
Nu exista.
Biochimia vietii
Daca se patrunderea secretelor biochimiei vietii trebuie sa luati in calcul logica
moleculara a starii vii. Acest lucru presupune ca, desi moleculele din organismele vii se supun
principiilor de chimie si fizica clasica, care guverneaza intreaga activitate a tuturor moleculelor,
ele interactioneaza intre ele si conform altui grup de principii.
Biomoleculele
Compozitia chimica a organismelor vii este calitativ si cantitativ diferita de cea a
mediului in care acestea traiesc. In organismele vii concentratia de carbon si azot este mare, pe
cand in materia nevie, prezenta acestora este relativ redusa si sunt sub forma de compusi
simplii.
Dr. Sorin Gheorghe Bolog – BIOCHIMIE – curs II
3
Compozitia chimica a organismelor vii devine din ce in ce mai complexa pe masura ce se
afla mai sus pe scara evoutiei. Astfel, in organismul uman, exista aproximativ 10000 de proteine
diferite ca structura si functie, fata de aproximativ 3000 cate exista intr-o bacterie numita E.
coli. De retinut este si faptul ca aceste biomolecule sunt deosebit de complexe ca si structura.
Desi au functii asemanatoare, proteinele din organismul uman sunt diferite de cele ale E. coli,
deci fiecare specie are un set de proteine si de acizi nucleici proprii.
Desi exista aceasta diversitate imensa de molecule organice, aceasta se reduce la o
simplitate uimitoare. Macromoleculele sunt formate din parti mici legate intre ele sub forma
unor lanturi lungi. De exemplu, glicogenul sau celuloza constau din molecule de glucoza legate
covalent.
Celuloza
Glicogenul
Dr. Sorin Gheorghe Bolog – BIOCHIMIE – curs II
4
De retinut faptul ca toate proteinele prezente in organismele vii sunt alcatuite doar din
20 de aminoacizi, aranjati in mod diferit. Acesti aminoacizi sunt prezenti la toate organismele
vii. Mai mult, acizii nucleici, ADN si ARN, sunt alcatuiti din doar 8 nucleotide care sunt unice la
toate organismele vii.
O alta caracteristica comuna prezenta la unele unitati constituiente din structura
macromoleculelor: fiecare indeplineste o functie in celula vie, sunt adaptabile si pot juca mai
multe roluri. Aminoacizii nu sunt numai precursori pentru proteine, ci intra si in compozitia
hormonilor, a alcaloizilor, porfirinelor, pigmentilor, etc. Unele nucleotide nu sunt numai
constituienti ai acizilor nucleici, ele intra si in structura unor molecule purtatoare de energie sau
coenzime.
Astfel se nasc urmatoarele axiome:
- Exista o simplitate extraordinara in organizarea moleculara a celulei.
- Toate organismele vii au un stramos comun.
- Identitatea fiecarei specii este pastrata prin prezenta unor seturi caracteristice de
acizi nucleici si proteine.
- Exista un principiu remarcabil privind economia moleculara in organismele vii.
Probabil ca celulele vii contin moleculele cele mai simple cu putinta in cel mai mic
numar de tipuri diferite, suficient pentru a le conferi viata si particularitate de specie, in
conditiile de mediu in care existam.
O alta axioma care se poate deduce din comportamentul organismelor vii:
- Organismele vii isi creeaza si mentin ordinea lor fundamentala pe seama mediului, in
care induc dezordinea si intamplarea. (organismele vii absorb din mediu energia
necesara si redau acestuia o cantitate echivalenta de energie sub o forma care le
este mai putin utila)
In limbajul fizicii, organismele sunt sisteme deschise, ele fac schimb de energie si materii
prime cu mediul in care traiesc. Caracteristic sistemelor deschise este faptul ca ele nu sunt in
echilibru cu mediul in care traiesc.
O alta reflectare a comportamentului organismelor vii – ele au eficienta maxima in
prelucrarea energiei si a materiei. De asemenea, organismele vii functioneaza ca niste masini
chimice izoterme. Cu alte cuvinte, indiferent de etapa de viata in care se afla o celula,
temperatura ei este constanta pe toata suprafata ei.
Dr. Sorin Gheorghe Bolog – BIOCHIMIE – curs II
5
Reactii chimice in celula vie
Celulele vii sunt veritabile masini chimice perfect adaptate reactiilor chimice ce se
desfasoara in interiorul lor. Randamentul reactiilor chimice intr-o celula vie este de 100%.
Aceasta performanta se datoreaza prezentei enzimelor.
Enzimele sunt proteine inalt specializate ce catalizeaza numai un anumit tip de reactie
chimica. In prezent se cunosc aproximativ 2000 de tipuri de enzime implicate in reactiile din
organismele vii. O enzima catalizeaza transformarea unei anumite substante intr-o anumita
directie, spre un anumit produs final, fara a interfera cu posibilele alte cai de transformare ale
substantei respective sub actiunea altor enzime. Din acest motiv organismele vii pot realiza
simultan multe si variate reactii chimice individuale fara a se incurca intr-un labirint de produsi
secundari inutili.
Din aceste considerente mai putem extrage o axioma a starii vii:
- Specificitatea interactiilor moleculare din celule rezulta din complementaritatea
structurala a moleculelor ce interactioneaza.
Reactiile biochimice din organism pot exista independent sau se cupleaza in serii de
reactii, in lanturi de reactii de 2 pana la 20 de etape (reactii independente) care pot urma cai
convergente sau divergente. Aceste serii de reactii determina orientarea proceselor spre
produsi finali specifici de care celula are nevoie.
Celulele pot fi impartite in doua mari clase in functie de energia pe care o iau din mediul
inconjurator – celule fotosintetizante (care utilizeaza lumina solara ca principal factor de
energie) si celulele heterotrofe (care obtin energie din degradarea moleculelor organice
puternic reduse, bogate in energie cum este si glucoza). Desi iau energia din mediu sub forme
diferite, ambele tipuri de celule o conserva in ATP. Transportand energia catre alte molecule,
ATP-ul pierde gruparea fosfat si se transforma in ADP (energetic mai sarac). La randul sau ADP-
ul poate accepta din nou energie chimica revenind la starea de ATP. ATP-ul este veriga dintre
doua mari lanturi de reactii enzimatice din celula – primul ciclu – cel al transformarii ADP in ATP
si cel de-al doilea utilizeaza ATP-ul pentru a realiza biosinteza componentelor celulare din
precursori simpli transformandu-l in ADP.
Dr. Sorin Gheorghe Bolog – BIOCHIMIE – curs II
6
Din aceste cicluri rezulta o alta axioma a materiei vii:
- Secventele de reactii enzimatice legate consecutiv ofera posibilitatea transferului de
energie chimica de la procesele producatoare la cele consumatoare de energie.
Autoreglarea reactiilor din celule
Am aratat mai sus ca reactiile biochimice sunt legate intre ele prin intermediari comuni.
Acest fapt faciliteaza posibilitatea sintezei simultane a unei largi palete de molecule complexe.
E. coli sintetizeaza simultan mii de compusi complecsi diferiti din numai 3 precursori simpli –
glucoza, amoniac, apa. Legarea reactiilor enzimatice in secvente de reactii biochimice
consecutive face posibila desfasurarea ordonata a mii de reactii chimice care au loc in celulele
vii, astfel incat toate biomoleculele specifice necesare functionarii in conditii optime a celulei
sunt produse in cantitati adecvate si la viteze optime.
Ca exemplu al complexitatii acestei uzine chimice – celula vie – o celula bacteriana, ca
cea mentionata mai sus poate produce simultan cel putin 3000 de macromolecule diferite,
fiecare constituit din cel putin 100 de aminoacizi.
Asamblarea reactiilor enzimatice in secvente consecutive perfect adaptate, face posibila
reglarea metabolismului. De exemplu, supraproductia unui anumit aminoacid si acumularea
acestuia va determina inhibarea etapei cheie din reactia biochimica care l-a produs, fenomen
denumit inhibare feedback (inhibare prin retroinhibitie).
Dr. Sorin Gheorghe Bolog – BIOCHIMIE – curs II
7
O alta modalitate de reglare a metabolismului provine din capacitatea unei celule de a
opri productia unei enzime necesare obtinerii unui anumit produs ori de cate ori acel produs
poate fi procurat, gata preparat, din mediu. De aici rezulta un alt principiu al materiei vii:
- Celulele sunt capabile sa-si regleze reactiile lor metabolice si sinteza enzimatica
realizand maximum de eficienta si economie.
Replicarea organismelor vii
O caracteristica fundamentala a organismelor vii este capacitatea de reproducere sau de
autoreproducere. Intreaga cantitate de informatie genetica a omului este codificata in ADN-ul
nucleului celular. Un spermatozoid sau un ovul uman are o cantitate de doar 6 picograme de
ADN. Altfel spus, intreaga informatie genetica care descrie toata structura umana si functiile
organismului uman cantareste doar 0,0000000000012 grame (12 x 10-12g). Astfel mai putem
extrage o axioma a organismelor:
- Simbolurile prin care este codificata informatia genetica in ADN sunt de dimensiuni
submoleculare.
O alta caracteristica importanta a transmiterii informatiei genetice de la o generatie la
alta este reprezentata de stabilitatea informatiei genetice. Nu exista variatii bruste ale
informatiei genetice decat in cazul aparitiei unor defecte in procesul de replicare ADN sau prin
inserarea unor coduri ADN virale in informatia initiala. Achizitiile si pierderile de informatie
genetica se realizeaza foarte lent, pe parcursul a numeroase generatii, acestea avand rol
adaptativ la mediul de viata.
Este de retinut si faptul ca structura ADN nu este una tridimensionala, desi exista
aspectul helicoidal al acestuia. Informatia genetica este codificata de 4 elemente nucleotidice
diferite asezate in secvente specifice intr-o molecula liniara de ADN.
Dr. Sorin Gheorghe Bolog – BIOCHIMIE – curs II
8
Dar marea majoritate a elementelor structurale codificate de ADN sunt tridimensionale.
Astfel putem extrage urmatoarea axioma:
- Informatia genetica unidimensionala din ADN este tradusa in componenti
tridimensionali macromoleculari si supramoleculari din organismele vii prin
traducerea structurii ADN in structura proteinelor.
Alta caracteristica importanta a ADN-ului este complementaritatea structurala. O catena
de ADN (o singura jumatate) serveste ca matrita pentru replicarea enzimatica a unei noi catene
structural complementare.
A – T
G - C
Din acest motiv, daca ADN-ul sufera mici “leziuni”, acestea vor fi rapid reparate de
enzime specifice fara pierdere de informatie.
Dr. Sorin Gheorghe Bolog – BIOCHIMIE – curs II
9
Rezumand principiile enumerate mai sus, Albert Lehninger in lucrarea sa Biochemistry,
Second Edition, scria: “O celula vie este un sistem de molecule organice, deschis, izoterm,
capabil de autoasamblare, autoreglare si autoreplicare, functionand dupa principiul
economiei maxime de material si de mijloace; ea favorizeaza desfasurarea multor reactii
organice legate consecutiv, prin care, cu ajutorul catalizatorilor organici produsi de ea insasi,
are loc transferul de energie si sinteza propriilor componenti.”
Apa, cationii si anionii
Apa
Formula chimica a apei – H-O-H = H2O.
Dr. Sorin Gheorghe Bolog – BIOCHIMIE – curs II
10
Apa este omniprezenta in toate organismele vii in proportii variabile intre 70 si 90% din
greutate.
Nu este o substanta inerta, ea interactioneaza rapid si are proprietati speciale.
Produsii de ionizare ai apei – ionii de hidroniu (H3O+) si hidroxil (HO-) sunt determinanti
ai structurilor caracteristice si ai proprietatilor proteinelor si acizilor nucleici, ale membranelor,
ribozomilor si ai altor componenti intracelulari.
Proprietatile fizice ale apei. Legatura de hidrogen.
Apa are punctul de topire, de fierbere, de evaporare, caldura de fuziune si tensiunea
superficiala mai mare decat a multor lichide obisnuite. Aceste proprietati ale apei se datoreaza
fortelor de atractie dintre moleculele apei lichide. Aceste forte de atractie puternica isi au
originea in distributia specifica a electronilor in molecula de apa. Existenta unui anumit unghi
specific intre componentele apei, cei 2 atomi de H si cel de O ii confera o asimetrie electrica.
Atomul de O este puternic electronegativ si are tendinta sa atraga electronii unici ai atomilor
de H, lasand nucleul acestuia dezgolit. Cei doi atomi de H “dezgoliti” lasa o incarcatura partial
pozitiva, iar atomul de O pastreaza o incarcatura negativa partiala. Astfel, desi molecula de apa
nu are incarcare neta, ea “functioneaza” ca un dipol electric.
Dr. Sorin Gheorghe Bolog – BIOCHIMIE – curs II
11
Cand 2 molecule de apa se aproprie se produce o legatura electrostatica complexa
denumita “legatura de hidrogen”, concomitent cu o rearanjare a incarcaturii electrice in fiecare
molecula. Datorita aranjamentului spatial caracteristic, fiecare molecula de apa are capacitatea
sa formeze aceasta legatura de hidrogen cu inca alte 4 molecule de apa vecine. Aceste legaturi
de hidrogen sunt prezente atat in apa sub forma lichida, cat si in gheata si vaporii de apa. Din
punct de vedere al energiei necesare pentru a se desface o astfel de legatura, ele sunt mult mai
slabe decat legaturile covalente din interiorul moleculei (de aproximativ 20 de ori mai slabe).
Forta de legatura depinde si de unghiul in care se formeaza aceste legaturi si distanta dintre
molecule.
Este interesant faptul ca exista diferente mici intre numarul de legaturi de hidrogen din
apa sub forma de gheata si cea sub forma lichida. Acest lucru se explica prin rapiditatea cu care
se formeaza si se distrug aceste legaturi in apa lichida. Exista numeroase teorii prin care se
incearca explicarea structurii apei lichide, inca nici una acceptata unanim.
Legaturile de hidrogen nu sunt specifice apei. Ele mai pot exista intre o grupare HO- si
H2O, intre o grupare carbonil si apa, intre 2 lanturi peptidice, intre perechile de baze
complementare din ADN.
Dr. Sorin Gheorghe Bolog – BIOCHIMIE – curs II
12
Intre legaturile de hidrogen se naste fenomenul de cooperare. Acesta presupune
cresterea puterii de atractie intre 2 molecule prin participarea mai multor legaturi de hidrogen.
Altfel spus, cand intre 2 molecule ale unei substante dizolvate se pot forma doua sau mai multe
legaturi de hidrogen, stabilirea primei legaturi mareste semnificativ, prin modificarea
geometriei moleculare, probabilitatea stabilirii celei de-a doua legaturi de hidrogen. Aceasta
cooperare este caracteristica proteinelor si acizilor nucleici.
Proprietatile de solvent ale apei
Apa este un solvent foarte bun. Apa are capacitatea sa dizolve multe saruri cristaline –
NaCl – prin capacitatea sa de a se opune atractiei dintre ionii de Na+ si Cl- prin formarea ionilor
de Na+ si Cl- hidratati, foarte stabili.
Dr. Sorin Gheorghe Bolog – BIOCHIMIE – curs II
13
Alte substante care se pot dizolva usor in apa: compusii neionici polari, glucide, alcoolii