biochimie curs 2.pdf

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


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.


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


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.


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.


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).


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.


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.


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.


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.


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.


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.


13

Alte substante care se pot dizolva usor in apa: compusii neionici polari, glucide, alcoolii

simpli, aldehidele si cetonele.

Interactii hidrofobe

HIDROFÍL, -Ă, hidrofili, -e, adj., HIDROFÍLĂ, hidrofile, adj.f., s.f. 1. Adj. Care absoarbe

apa în mare cantitate; care se îmbibă ușor cu apă; care are afinitate pentru apă, avid de apă. 2.

Adj.f., s.f. (Bot.) (Plantă) la care florile se polenizează în apă sau la suprafața apei; hidrogamă. -

Din fr. hydrophile.

HIDROFÓB, -Ă, hidrofobi, -e, adj., s.m. şi f. 1. Adj. (Chim.) Care nu se combină cu apa sub

nici o formă; care nu se îmbibă de apă, care nu are afinitate pentru apă; hidrofug. 2. S.m. şi f.

(Med.) Persoană care suferă de hidrofobie. – Din fr. hydrophobe.

Exista si substante amfipatice – exemplu: oleatul de sodiu. Acesta are un capat hidrofob

si unui hidrofil. Dizolvat in apa, aceasta substanta se va organiza sub forma de particule (micele)

cu partea hidrofila la exterior si partea hidrofoba in interior, ascunsa de moleculele apei.

Exista numerosi componenti celulari care se comporta astfel – tind sa ascunda partile

nepolare de apa: proteinele, acizii nucleici si lipidele polare.

Efectul substantelor dizolvate asupra proprietatilor apei

Odata dizolvate substante in apa, acestea vor determina modificarea structurii si

proprietatilor apei lichide. Daca dizolvam NaCl in H2O acesta va produce o crestere a ordinii

interne si va aparea o structura mult mai regulata, mai ales cand este intr-o concentratie

aproximativ egala cu cea prezenta in lichidele organismelor vii.


14

Alt exemplu, in cazul prezentei Mg2+ in apa – acest atom divalent va fi inconjurat de nu

mai putin de 6 molecule de apa.

Adaugarea unei substante in apa ii determina si schimbarea proprietatilor coligative.

Comportamentul fizico-chimic al unei soluții este diferit de cel al solventului pur. Principalele

consecințe ale prezenței moleculelor de dizolvate in apa sunt: coborârea tensiunii de vapori

(presiunea vaporilor saturanți), scăderea punctului de congelare proporțional cu concentrația,

constanta de proporționalitate - constanta crioscopică - legea Raoult (scăderea T la dizolvarea

unui mol de substanță într-un litru de soluție), creşterea punctului de fierbere - constanta

ebulioscopică, apariția unei presiuni osmotice (acestea toate se numesc proprietati coligative).

Ionizarea apei

Ionul de H este puternic atras de ionul de O. Din acest motiv, exista posibilitatea ca el sa

“sara” spre ionul de O al moleculei de apa invecinat si sa disocieze molecula din care face parte,

legandu-se de noua molecula printr-o legatura de hidrogen.


15

Din acest “salt” – o reactie chimica de fapt – rezulta doi ioni, ionul hidroniu (H3O+) si

ionul hidroxil (HO-). La randul sau, ionul de hidroniu se combina cu alte molecule de apa

rezultand ionului H9O4+.

Efectul de tunel – reprezinta migrarea protonilor prin moleculele de apa legate prin

legaturi de hidrogen foarte rapid.

Produsul ionic al apei: scara de pH

Semnificatia si masurarea pH-ului ocupa un loc important in numeroase domenii

practice si stiintifice: in analiza chimica, in controlul si reglarea proceselor tehnologice, in

studierea echilibrelor chimice, etc.


16

Fiecare este familiarizat cu termenul de valoare a pH-ului de la ploile acide sau de la

balanta pH-ului din cosmetice.

Pentru experti, valoarea pH-ului reprezinta una dintre cele mai importante valori ce

caracterizeaza calitatea neutra/acida/bazica unui fluid.

pH-ul este prescurtarea de la "pondus hydrogenii" – “puterea hidrogenului”. Notiunea a

fost introdusa de catre omul de stiinta danez S.P.L. Sorensen, in anul 1909, pentru a exprima

concentratii mici de ioni de hidrogen si a fost definita ca logaritmul zecimal cu semn schimbat al

concentratiei ionilor de hidrogen. pH-ul inseamna cantitatea de ioni de hidrogen (H+) si

hidroxid (OH-) care sunt dizolvati intr-o solutie. Cu cat ionii de hydrogen sunt mai multi, cu atat

apa este mai acida, iar ph-ul este mai mic. O solutie cu concentratie egala de hidroxid si

hidrogen este catalogata neutra, iar valoarea pH-ului este 7. O concentratie mai mare de ioni de

hidroxid indica o valoare mai mare de 7 a pH-ului si o apa alcalina. O concentratie mai mare de

ioni de hidrogen indica un pH mai mic de 7 si o apa acida. Scala pH-ului este logaritmica, in alte

cuvinte, fiecare pas in jos sau in sus este de 10 ori mai mic sau mai mare decat precedentul. Un

pH de 6 este de 10 ori mai acid decat un pH de 7. Un pH de 5 este de 100 de ori mai acid decat

unul de 7 si asa mai departe.

Disocierea moleculei de apa este un proces continuu aflat intr-un echilibru permanent:

H2O

OH- + H+ a carui constanta de echilibru poate fi scrisa astfel:

K = H+ [ OH −]

[H2O]

[...] = concentratia in moli la litru.

Aplicata la apa, aceasta formula se poate scrie astfel:

nr de grame de H2O dintr − un litru

masa moleculara a apei=

1000

18 = 55,5M = H + OH − = Kw

Valoarea lui Kw la 25oC este de 1,0 x 10 -14.

Intr-o solutie acida – concentratia H+ este mare, iar OH- este scazuta.

Intr-o solutie bazica raportul se inverseaza – concentratia OH- este mai mare si cea de

H+ este mica.

Kw – produsul ionic al apei, sta la baza scarii pH, mod de apreciere a concentratiei reale a

ionilor de H+ (implicit si de OH-) in orice solutie apoasa, pe intervalul H+ 1M si OH- 1M.


17

pH = 1g 10 1

H+ = - 1g 10 [H+]

Ceea ce inseamna intr-o solutie complet neutra, la 25oC:

[H+] = [OH-] = 1 x 10-7 M de unde rezulta ca pH = 1g 1

1 x 0.0000001 = 7,0

In practica – cu cat valoarea pH-ului este mai mare, cu atat concentratia [H+] este mai

mica si invers. Scara pH-ului este logaritmica asa cum am amintit mai sus, si nu aritmetica.

Cationi si Anioni

Cationul (grec. ἰόν *ión+ = cel mişcător) este un ion încărcat electric pozitiv,

numele de cation. provine de la comportarea lor în timpul unei electrolize, cationii


18

se deplasează la catod (polul negativ). Cationii pot proveni din atomi sau

molecule, care au devenit încărcați pozitivi prin cedare de sarcini negative

(electroni), sau prin acceptare de protoni de hidrogen (H+).

In compoziția sărurilor intră întotdeauna cationii (ionii pozitivi), şi anionii

(ionii negativi), între care există continu procese de transormare.

Exemple de cationi:

Cationi simpli proveniți din atomi:

o K +, Na +, Li +, H +, Mg 2+, Ca 2+, Ba 2+, Al 3+, Pb

4+, Fe2+, Fe3+;

Cationi proveniți din molecule:

o NH 4 +

o H3O +

o [NO] +

Anionul (din grecul ἀνά – “ana”), insemnand “sus”, este un atom sau o

molecula cu mai multi electroni decat protoni, ceea ce ii confera o incarcare net

negativa.

Exemple de Anioni:

- Anioni simpli

o Anionul de C C4-

o Anionul de Cl Cl−

o Anionul de F F−

o Anionul de H H-

o Anionul de O O2−

o Anionul de S S2-

- Oxianioni:

o Anionul de Carbonate *CO3+2−

o Carbonatul de H *HCO3+− sau bicarbonatul

o Hidroxid OH−

o Nitrat *NO3+−


19

o Fosfat *PO4+3−

o Sulfat *SO4+2−

o Thiosulfat *S2O3+2−

- Anioni din Acizi organici :

o Acetat [CH3COO]−

o Format [HCOO]−

o Oxalate *C2O4+2−

o Cianid CN−

Teme:

1. Realizati pentru ora urmatoare rezumatul cursului II.

2. Importanta cationilor si anionilor in organism – lucrare pe grupe.

biochimie curs 2.pdf

Documents