Cum determina proprietatile fizico-chimice ale atomilor structura si functia biomoleculelor?
Feb 08, 2016
Cum determina proprietatile
fizico-chimice ale atomilor
structura si functia biomoleculelor?
• Apa este o molecula cu proprietati speciale care are influenta deosebita asupra biorganismelor
• ~ 70-80% din greutatea celulelor
•~ 7% ioni anorganici si molecule mici (amino acizi = baza constitutiva a proteinelor), nucleotide (--acizi nucleici), lipide (--membrane), glucide (--celuloza)
•Restul: macromolecule si agregate macromoleculare
Viata s-a dezvoltat in mediu apos
specia moleculara cea mai abundenta
- Hidrofil- Hidrofil
Molecule care se Molecule care se dizolva in apa dizolva in apa (glucide)(glucide)
Molecule care Molecule care prefera apaprefera apa
Molecule care Molecule care nu se dizolva nu se dizolva in apa (lipide, in apa (lipide, grasimi)grasimi)
Molecule care Molecule care evita apaevita apa
-Hidrofob
Molecule amfifile Molecule amfifile (amfipatice)(amfipatice)
Cam schizofre!
Contin regiuni hidrofobe si regiuni hidrofile
Exemplu: fosfolipidele (componente de baza ale membranelor)
““Chimia” unor molecule Chimia” unor molecule foarte micifoarte mici
poate fi importanta pentru poate fi importanta pentru viataviata
Exemplu: Ionul de hidrogen, HExemplu: Ionul de hidrogen, H++ (1 (1 Da) este foarte important pentru Da) este foarte important pentru structura/functia unei molecule cu structura/functia unei molecule cu masa de 10masa de 101111 Da (ADN din Da (ADN din cromozomul 1)cromozomul 1)
Un Un numar mic de principiinumar mic de principii de de baza din chimie (fizica?) baza din chimie (fizica?) este suficient pentru este suficient pentru intelegerea proceselor de la intelegerea proceselor de la nivel molecular la nivel nivel molecular la nivel celularcelular
Super “glue” in lumea Super “glue” in lumea vie?vie?
Interactiuni (forte) de atractie dintre Interactiuni (forte) de atractie dintre atomi – molecule – ansambluri atomi – molecule – ansambluri supramolecularesupramoleculare
Forte puternice: legaturi covalente (simple, duble, triple); sunt implicate o pereche, doua, trei de electroni
Forte atractive slabe: interactiuni necovalente.
Determina structura/functia proteinelor, acizilor nucleici, lipidelor, glucidelor
Tipuri de interactiuni Tipuri de interactiuni slabeslabe
IoniceIonice Legatura de hidrogenLegatura de hidrogen Van de WaalsVan de Waals ““Efectul hidrofob”Efectul hidrofob”
0.6 kcal/mol
Scara energiilor in biologie
Atractia dintre sarcini de Atractia dintre sarcini de semn opussemn opus
Legatura de Legatura de hidrogenhidrogen
http://www.northland.cc.mn.us/biology/Biology1111/animations/hydrogenbonds.html
Energia legaturii de Energia legaturii de hidrogenhidrogen
In procese catalitice In procese catalitice poate ajunge si la 20 poate ajunge si la 20
kcal/molkcal/mol
Rotatie libera in jurul Rotatie libera in jurul legaturii simple de simplelegaturii simple de simple
Nu “exista” rotatie in jurul Nu “exista” rotatie in jurul legaturii dublelegaturii duble
Flexibiliatea, dinamica biomoleculelor
Repulsia stericaRepulsia sterica
Potential Lennard-Jones
Doua obiecte nu pot Doua obiecte nu pot ocupa in acelasi timp ocupa in acelasi timp aceeasi regiune din aceeasi regiune din spatiuspatiu
Principiul lui Pauli: doi Principiul lui Pauli: doi electroni nu pot avea electroni nu pot avea aceeasi stare cuanticaaceeasi stare cuantica
Crestere rapida a energiei la intrepatrunderea norurilor electronice
Exponentiala
ε
ro
Se considera atomii ca doua sfere Se considera atomii ca doua sfere rigide de anumite dimensiuni, sfere rigide de anumite dimensiuni, sfere care nu se pot intrepatrunde care nu se pot intrepatrunde
• Cum se estimeaza Cum se estimeaza razele Van der Waals?razele Van der Waals?
http://webhost.bridgew.edu/fgorga/proteins/van_der_walls.htm
http://www.chemguide.co.uk/atoms/bonding/vdw.html
La distanta mica miscarea sincronizata a electronilor se extinde la un numar foarte mare de molecule
GazGaz TTff ((°C ) )
heliuheliu -269-269neonneon -246-246argoargonn
-186-186
criptcriptonon
-152-152
xenoxenonn
-108-108
radoradonn
-62-62+δ -δ +δ -δ
XeNe
Forma moleculelor este Forma moleculelor este importantaimportanta
CHCH33-CH-CH22-CH-CH22-CH-CH33
CHCH33-CH-CH-CH-CH33
|| CHCH33
-0,5o C -11,7o
C
Lipide saturateLipide saturateFormulaFormula Nume (acid)Nume (acid) TTmm((0 0
C)C)CHCH33(CH(CH22))1010COCO22H H lauriclauric 45 45 CHCH33(CH(CH22))1212COCO22HH miristicmiristic 5555CHCH33(CH(CH22))1414COCO22HH palmiticpalmitic 6363CHCH33(CH(CH22))1616COCO22HH stearicstearic 6969CHCH33(CH(CH22))1818COCO22HH arahidicarahidic 7676
http://www.cem.msu.edu/~rhttp://www.cem.msu.edu/~reusch/VirtualText/lipids.hteusch/VirtualText/lipids.htm#lipid1bm#lipid1b
Lipide nesaturateLipide nesaturateFormulaFormula Nume Nume
(acid)(acid)TTmm
((0 0
C)C)CHCH33(CH(CH22))55CH=CH(CHCH=CH(CH22))77COCO22H H palmitolpalmitol
eiceic00
CHCH33(CH(CH22))77CH=CH(CHCH=CH(CH22))77COCO22H H oleicoleic 1313CHCH33(CH(CH22))44CH=CHCHCH=CHCH22CH=CH(CHCH=CH(CH22))77COCO22H H
linoleiclinoleic -5-5
CHCH33CHCH22CH=CHCHCH=CHCH22CH=CHCHCH=CHCH22CHCH=CH(CH2)=CH(CH2)77COCO22H H
linoleniclinolenic --1111
CHCH33(CH(CH22))44(CH=CHCH(CH=CHCH22))44(CH(CH22))22COCO22
H H arahidonarahidonicic
--4949
www.
sciencecartoonsplus.
com
Structuri biologice: Structuri biologice: aspecte generaleaspecte generale
Organizarea macroscopica sau Organizarea macroscopica sau microscopica vizibila a unui microscopica vizibila a unui organism organism
Pentru biolog:Pentru biolog:
Exemple
Structura scheletuluiwww.enchantedle
arning.com/.../skelcolor.GIF
Structura celulei
http://www.cellsalive.com/
Structura mitocondriei
http://micro.magnet.fsu.edu/cells/mitochondria/images/mitochondriafigure1.jpg
In biofizicaIn biofizica
Termenul de structura are o Termenul de structura are o definitie mai largadefinitie mai larga
Se aplica si la:Se aplica si la: Structura atomilorStructura atomilor
http://molaire1.club.fr/e_atomequan1.gif
Marimi dependente de Marimi dependente de timptimp
Electrocardiograma normala
Sonograma “radarului” Sonograma “radarului” la liliecila lilieci
Retele metaboliceRetele metabolice
EcosistemEcosistem
MatematicaMatematica Sistem: agregat de elemente cu o Sistem: agregat de elemente cu o
anumita interelatie dintre eleanumita interelatie dintre ele
Structura sistemului: totalitatea Structura sistemului: totalitatea interelatiilorinterelatiilor
In biofizicaIn biofizica
Relatiile dintre
elemente
DINAMICESisteme
INTERACTIUNI
Retele metaboliceRetele metabolice
Elementele sistemului:
Interactiunile:
metabolitii
reactiile metabolice
EcosisteEcosistemm
Interactiune dintre
indivizii populatiei
Macromolecule biologiceMacromolecule biologiceca sistemeca sisteme
Exista patru nivele de organizareExista patru nivele de organizare
Structura primaraStructura primaraSecventa liniara a monomerilor Secventa liniara a monomerilor elementelor) dintr-un lant elementelor) dintr-un lant monomer liniar (sistem)monomer liniar (sistem)
Structura secundaraStructura secundarapozitionarea in spatiu a monomerilor pozitionarea in spatiu a monomerilor (elementelor) intr-o parte a moleculei (elementelor) intr-o parte a moleculei
(sistemului) unul relativ la celalalt (sistemului) unul relativ la celalalt
Structura tertiaraStructura tertiara
– pozitionarea in spatiu a regiunilor omogene de structuri secundare (elemente) dintr-o molecula (sistem)
Structura cuaternaraStructura cuaternara
http://pqs.ebi.ac.uk/
– pozitionarea in spatiu a macromoleculelor (elemente) intr-un complex supramolecular (sistem).
Structuri periodice Structuri periodice (cristale)(cristale)
Structuri neperiodice Structuri neperiodice (structuri biologice)(structuri biologice)
“cristale aperiodice”: structura inalt organizata de elemente care nu se repeta periodic
Procesele de formare a Procesele de formare a structurilor biologice (dezvolare structurilor biologice (dezvolare
a vietii, reproducere, …)a vietii, reproducere, …)
Entropia SCADE
PARE sa fie in contradictie PARE sa fie in contradictie cu principiul al doilea al cu principiul al doilea al
termodinamiciitermodinamicii
Procese spontane din sisteme IZOLATE se produc cu o crestere a entropiei
In sisteme IZOLATE entropia atinge maximul
Nici un sistem biologic (chiar Nici un sistem biologic (chiar ecosistem!) incluzind si mediul ecosistem!) incluzind si mediul NU poate fi considerat izolatNU poate fi considerat izolat
Pamantul NU este un Pamantul NU este un sistem izolatsistem izolat
Primeste energie de la SoareEmite (iradiaza) energie
Flux permanent de Flux permanent de energie (substanta)energie (substanta)
Sistemele biologice sunt sisteme dinamice la neechilibru
Structuri la echilibru:Structuri la echilibru: Cristale de sare obtinute prin Cristale de sare obtinute prin
evaporarea apeievaporarea apei
Structuri la neechilibru (disipative)Structuri la neechilibru (disipative)
Autoasambalarea Autoasambalarea (autooraganizarea)(autooraganizarea)
Plierea spontana a proteinelorPlierea spontana a proteinelor Aranjarea in structuri Aranjarea in structuri
supramoleculare (complexe supramoleculare (complexe enzimatice)enzimatice)
EntropieEntropie
Masura a dezordinii (lipsei Masura a dezordinii (lipsei de ordine)de ordine)
Masura a ordiniiMasura a ordinii
Un sistem cu maxim de dezordineUn sistem cu maxim de dezordine
maximul de maximul de entropieentropie
Entropia este un Entropia este un parametru extensivparametru extensiv
Entropiile S1 si S2 a doua subsisteme se pot suma
S=S1+S2
Rotatie libera in jurul Rotatie libera in jurul legaturii simple de simplelegaturii simple de simple
Nu “exista” rotatie in jurul legaturii Nu “exista” rotatie in jurul legaturii dubleduble
Flexibiliatea, dinamica biomoleculelor