Biochimia produselor alimentare s1.pdf

BIOCHIMIA PRODUSELOR ALIMENTARE Semestrul I

1

Cuprins

UNITATEA DE ÎNVĂłARE 1. Introducere în biochimie: obiectul biochimiei. ConstituenŃi fundamentali ai materiei vii. UNITATEA DE ÎNVĂłARE 2. Materia vie: aspecte structurale şi topobiochimice

UNITATEA DE ÎNVĂłARE 3. Glucide: prezentare generală, oze reprezentative. ImportanŃă în industria alimentară. UNITATEA DE ÎNVĂłARE 4. DerivaŃi ai monoglucidelor: ozide. Holozide şi heterozide – rol biochimic. UNITATEA DE ÎNVĂłARE 5. Poliholozide. ProprietăŃi generale. Glicani şi glicozaminoglicani. UNITATEA DE ÎNVĂłARE 6. BioconstituenŃi ai materiei vii:Lipide Prezentare generală. Clasificarea lipidelor. Precursori structurali. UNITATEA DE ÎNVĂłARE 7. Lipide simple: structură şi compoziŃie, rol biochimic. UNITATEA DE ÎNVĂłARE 8. Lipide complexe : glicerofosfolipide - rol biochimic. Sfingolipide– rol biochimic. UNITATEA DE ÎNVĂłARE 9. BioconstituenŃi ai materiei vii:Protide Aminoacizi proteinogeni şi neproteinogeni: reprezentanŃi; distribuŃie naturală, rol biochimic. UNITATEA DE ÎNVĂłARE 10. Peptide: clasificare, proprietăŃi fizico-chimice, reprezentanŃi naturali, rol biochimic.

2

UNITATEA DE ÎNVĂłARE 11. Proteide – caracteristici generale. Holoproteide şi heteroproteide : caracterizare, compoziŃie, structură, activitate biologică, implicaŃii în tehnologia alimentară. UNITATEA DE ÎNVĂłARE 12. Nucleoproteide – rol biochimic. Acizii nucleici în biochimie . RelaŃia structură chimică – activitate biologică. UNITATEA DE ÎNVĂłARE 13. Apa ca mediu biologic: distribuŃia şi rolul apei în organism. Caracteristici structurale ale moleculei de apă. UNITATEA DE ÎNVĂłARE 14. Compuşi bioanorganici. Elemente macro-, oligo- şi microbiogene. Rol biologic şi biochimic. Compuşii bioanorganici în alimentaŃie şi în organismul uman.

3

UNITATEA DE ÎNVĂłARE 1

INTRODUCERE ÎN BIOCHIMIE: OBIECTUL BIOCHIMIEI. CONSTITUENłI FUNDAMENTALI AI MATERIEI VII.

1. INTRODUCERE ÎN BIOCHIMIE În accepŃie mai vastă, biochimia se defineşte ca ştiinŃa care studiază compoziŃia chimică a organismelor vii şi transformările fizico – chimice care au loc în aceste organisme. Biochimia studiază compoziŃia, constituŃia şi corelaŃiile dintre biomoleculele componente ale materiei vii, dar şi procesele de transformare ale acestora. Astfel, în biochimie s-au delimitat două ramuri distincte: a) Biochimia statică - care are ca obiect de studiu compoziŃia, structura, proprietăŃile constituenŃilor materiei vii precum şi proporŃiile dintre aceştia. În acest cadru se studiază bioconstituenŃii anorganici şi organici ai materiei vii. b) Biochimia dinamică - studiază transformările de materie şi energie prezente în organismele vii. În acest sens putem distinge două domenii: metabolismul material şi metabolismul energetic. Metabolismul material are în vedere bioconstituenŃii, şi anume biodegradarea (catabolismul) şi biosinteza (anabolismul) acestora, iar metabolismul energetic vizează bioenergetica proceselor biochimice. Studiul biochimiei se impune ca necesitate datorită aportului informaŃional şi interdependenŃei cu alte discipline, cum ar fi: citologia, fiziologia, microbiologia, alimentaŃia, farmacologia, etc. Alături de domeniile consacrate, în biochimie există şi domenii mai specializate, printre care se disting: biochimia microorganismelor, biochimia vegetală şi biochimia animală. De asemenea, în biochimie există şi domenii dependente de compartimentul aplicativ. Din această categorie fac parte: biochimia alimentară, biochimia farmaceutică, etc. Din considerentele prezentate anterior, este relevantă complexitatea problematicii existente în biochimie, a raporturilor interdisciplinare şi a conexiunilor între diversele domenii fundamentale şi aplicative.

2. CONSTITUENłI FUNDAMENTALI AI MATERIEI VII În materia vie există o continuă transformare a bioconstituenŃilor. Între organismele vii şi mediu se realizează interacŃiuni complexe, care constă în schimburi continue de substanŃă, energie şi informaŃie. Generic, constituenŃii materiei vii se numesc bioconstituenŃi. Localizarea acestora în formaŃiunile specifice sistemelor biologice este studiată cu ajutorul topobiochimiei. 4

Bioelementele sunt reprezentate de acei compuşi indispensabili morfogenezei ultrastructurilor şi funcŃiilor proprii, pe parcursul procesului evolutiv. DistribuŃia elementelor în materia vie are la bază sistemul periodic al elementelor chimice şi a fost ilustrată de Theophanides în 1980. a) Macrobioelementele reprezintă 99,7% din constituenŃii materiei vii. În această clasă se includ bioelementele cuaternare: oxigen, carbon, hidrogen şi azot, la care se adaugă calciul şi fosforul. Macrobioelementele cuaternare intră în constituŃia bioconstituenŃilor de natură organică (glucide, lipide, proteine) şi anorganică (apa), şi în compoziŃia vitaminelor, enzimelor, hormonilor, având un rol esenŃial în procesele de morfogeneză. b) Oligobioelemente – se află în proporŃie redusă de 0,05 – 0,75%. Din această categorie fac parte: sodiu, potasiu, magneziu, sulf şi clor. Aceşti compuşi intră în structura unor compuşi cu rol biologic de natură organică sau anorganică. Alături de macrobioelemente, oligobioelementele fac parte din categoria elementelor plastice sau de constituŃie, implicate în procesele de morfogeneză care se desfăşoară în sistemele biologice. c) Microbioelemente sunt prezente în organism în cantităŃi foarte reduse, sau doar în urme. Acestea sunt grupate în microbioelemente invariabile (Fe, Zn, Cu, Co, Mn, Mo, F, I) sau sau variabile (Ni, Se, Si, B). Microbioelementele au un rol important în biocataliză. O prezentare comparativă la plante, animale şi om, a cuantumului bioelementelor din grupul cuaternar este redată în tabelul de mai jos. Tabel 1 DistribuŃia elementelor cuaternare în lumea vie ConcentraŃia Valori medii (%) Organisme Plante Animale Om

C

H

O

N

54.00 21.00 21.05

38.00 62.00 62.43

7.00 10.00 9.68

0.03 3.00 3.10

Alături de bioelemente, în arealul habitual al omului se află elemente cu potenŃial toxicogen (Hg, Cd, Pb, Sn) şi anioni (stibiaŃi, azotaŃi, azotiŃi). Astfel de compuşi apar în diverse produse reziduale, contaminând uneori solul, apa şi chiar alimentele. Bioelementele din organism se află asociate sub formă de diverse combinaŃii chimice cu structură şi compoziŃie bine definită. Aceste combinaŃii poartă denumirea de biomolecule care pot fi anorganice şi organice. Din categoria biomoleculelor anorganice fac parte apa şi compuşii biominerali. a) Apa este componentul chimic prezent în cea mai mare cantitate în organismul uman. În funcŃie de specie, sex, vârstă, cuantumul apei în organism este cuprins între 40-94%. Originea apei poate fi exogenă (provenită din mediul extern) sau endogenă (provenită din reacŃii biochimice). Rolul apei în organism este complex: component structural al unor constituenŃi ai materiei vii, solvent al unor compuşi din organism, mediu de 5

desfăşurare a reacŃiilor biologice, substanŃă implicată în transportul substanŃelor în organism. b) compuşii biominerali sunt prezenŃi în organismele vii în proporŃie de 3-5%. Biomineralele prezente în organismul uman sunt anioni (clor, fosfat, carbonat, sulfat, azotat) şi cationi (sodiu, potasiu, calciu, magneziu). În organism compuşii biominerali au roluri variate: rol structural (calciul este prezent în oase, fierul în hemoglobină), rol catalitic (zincul este implicat în activitatea a peste 70 de enzime, cuprul de asemenea fiind efector enzimatic şi component al cuproproteinelor), rol fizico-chimic (electroliŃii participă la realizarea echilibrului acido-bazic, osmotic şi la procesele electrochimice de la nivelul membranelor biologice). Compuşii biominerali pot forma şi combinaŃii stabile, forma lor de prezentare fiind condiŃionată de rolul biologic al acestora. Principalele clase de compuşi biologici de natură organică sunt : glucidele, lipidele şi proteinele. DistribuŃia biomoleculelor în materia vie (plante, animale, om) este prezentată în tabelul 2. Tabel 2 DistribuŃia biomoleculelor în lumea vie Clasa de compuşi Biomolecule anorganice Apa Compuşi minerali Biomolecule organice Glucide Lipide Protide

Plante

CompoziŃia (%) Animale

Om

77.5

64.3

64.0

75.0 2.5

60.0 4.3

64.0 4.0

22.5

35.7

36.0

18.0 0.5 4.0

6.2 11.7 17.8

1.0 15.0 20.0

În organism biomoleculele organice au diverse roluri: rol plastic (sunt constituenŃi fundamentali ai materiei vii cu rol în procesele de morfogeneză); sunt efectori biochimici prin controlarea desfăşurării reacŃiilor chimice şi a interacŃiilor metabolice (vitamine, enzime şi hormoni); au rol energetic, fiind surse primare de energie necesară desfăşurării proceselor vitale ale organismelor; rol informaŃional în cazul unor macromolecule proteice (acizi nucleici) care pot stoca şi transmite informaŃia genetică; rol fizico-chimic prin implicarea în realizarea echilibrului acido-bazic, coloid-osmotic şi la procesele de tranzit transmembranar. Compuşii biologici de natură organică sunt reprezentaŃi de glucide, lipide şi protide. Aceste clase de compuşi sunt prezentate sumar în continuare. Glucidele (zaharide sau carbohidraŃi) sunt compuşi chimici naturali prezenŃi în regnul vegetal şi animal. În cazul glucidelor simple, în compoziŃia acestora se află bioelemente ternare: carbon, hidrogen şi oxigen. La derivaŃii glucidici cu structură complexă în moleculă s-au mai decelat azot, fosfor şi sulf. 6

Din punct de vedere al structurii chimice, glucidele se clasifică în două subclase: a) oze ; b) ozide. a) Ozele (monoglucidele) conŃin în moleculă o grupare carbonilică (aldehidică sau cetonică) şi grupări hidroxilice. În funcŃie de natura grupării carbonilice pot fi aldoze sau cetoze. După numărul de atomi de carbon din moleculă pot fi dioze, trioze, tetroze, pentoze, hexoze, etc. b) Ozidele se formează prin condensarea moleculelor de oze . Astfel se disting două clase: Holozidele – constituite exclusiv din resturi de monoglucide. Acestea la rândul lor pot fi oligoholozide cu moleculă mică şi poliholozide care au structură de glicani sau glicozaminoglicani. Heterozidele (glicozidele) au structură mai complexă fiind constituite din o componentă glucidică şi o componentă neglucidică numită aglicon. În regnul vegetal, glucidele se formează prin fotosinteză, iar în regnul animal prin aport exogen. Rolul glucidelor în materia vie este structural şi energetic. Lipidele sunt compuşi chimici cu structură heterogenă, cu proprietăŃi chimice variate, fiind substanŃe hidrofobe şi insolubile în apă. Din punct de vedere chimic, lipidele sunt esteri care au în moleculă resturi de alcooli şi acizi. În natură s-au izolat: lipide simple care conŃin doar carbon, oxigen şi hidrogen şi lipide complexe care mai pot conŃine fosfor, azot şi sulf. a) Lipidele simple sunt compuşi ternari care au structură de esteri organici şi care în funcŃie de natura resturilor de alcooli şi de acizi, pot fi: acilgliceroli, ceride, steride şi etolide. b) Lipidele complexe pot fi clasificate în funcŃie de natura alcoolilor constituenŃi în glicerofosfolipide şi sfingolipide. Lipidele din materia vie au un rol predominant constituŃional şi energetic, având importanŃă biologică, nutriŃională, medicală şi industrială. Protidele sunt compuşi cu largă răspândire în lumea vie. Din punct de vedere structural, sunt compuşi cuaternari, care au în moleculă atomi de carbon, hidrogen, oxigen şi azot. Protidele au ca şi componenŃi structurali de bază aminoacizii. În urma hidrolizei proteinelor se eliberează aminoacizii, iar în cazul heteroproteinelor, alături de aceştia se obŃin resturi moleculare neproteice. Aceşti compuşi pot fi clasificaŃi în trei mari subclase: a) aminoacizi; b) peptide; c) proteide. a) Aminoacizii se mai numesc şi monopeptide, sunt substanŃe cu grupări funcŃionale mixte: grupare aminică (-NH2) şi grupare carboxilică (COOH). În funcŃie de compoziŃia şi structura catenei laterale, aminoacizii pot fi aciclici (alifatici) şi ciclici (homociclici şi heterociclici). 1) Aminoacizii aciclici pot fi clasificaŃi în funcŃie de numărul grupărilor funcŃionale specifice, (-NH2) şi (-COOH), dar şi de prezenŃa altor grupări funcŃionale: hidroxil (-OH şi tiol (-SH), după cum urmează: - Aminoacizi monoaminomonocarboxilici (glicina, alanina); - Aminoacizi monoaminodicarboxilici (acid aspartic, acid glutamic); - Aminoacizi diaminomonocarboxilici (lisina); - Aminoacizi diaminodicarboxilici (acidul L-diaminopimelic); - Hidroxiaminoacizi (serina, treonina); - Tioaminoacizi (cisteina, cistina, metionina). 7

2) Aminoacizii ciclici se împart în următoarele subclase: - Aminoacizi homociclici (fenilalanina); - Aminoacizi heterociclici (triptofan, histidina); - Iminoacizi heterociclici (prolina, hidroxiprolina). b) Peptidele sunt compuşi rezultaŃi în urma unor reacŃii de condensare realizate între molecule de aminoacizi identici sau diferiŃi.Din această clasă fac parte oligopeptidele şi polipeptidele. 1) Oligopeptidele sunt formate din resturi de aminoacizi (2-10) legate prin legături peptidice. Din această clasă fac parte: oligopeptide inferioare: carnosina şi anserina (2-7 resturi de aminoacizi) şi oligopeptide superioare ocitocina şi vasopresina (2-10 resturi de aminoacizi). 2) Polipeptidele au în moleculă un număr mai mare de aminoacizi (> 10) şi au masa moleculară peste 5000 Da. Din această clasă fac parte: insulina, glucagonul, parathormonul, endorfinele. c) Proteidele sunt agregate macromoleculare care au în moleculă un număr mare de aminoacizi legaŃi de alte molecule neprotidice. Din grupa proteidelor fac parte: holoproteidele care sunt proteine simple, molecula lor fiind constituită numai din aminoacizi, şi heteroproteidele care pe lângă aminoacizi, care constituie gruparea proteică, mai conŃin şi o grupare prostetică reprezentată de diverse clase de compuşi neprotidici. Protidele au rol structural, funcŃional şi informaŃional, având un rol major în transmiterea informaŃiei genetice de la ogeneraŃie la alta (ex: acizii nucleici). În general, structura, proprietăŃile, forma şi dimensiunile biomoleculelor sunt importante în relaŃie cu procesele biochimice la care acestea participă în organismele vii.

-

-

-

Concepte şi noŃiuni de reŃinut biochimia studiază compoziŃia, constituŃia şi corelaŃiile dintre biomoleculele componente ale materiei vii, dar şi procesele de transformare ale acestora. bioelementele sunt reprezentate de acei compuşi indispensabili morfogenezei ultrastructurilor şi funcŃiilor proprii, pe parcursul procesului evolutiv. Bioelementele din organism se află asociate sub formă de diverse combinaŃii chimice cu structură şi compoziŃie bine definită. Aceste combinaŃii poartă denumirea de biomolecule care pot fi anorganice şi organice. Din categoria biomoleculelor anorganice fac parte apa şi compuşii biominerali. Compuşii biologici de natură organică sunt reprezentaŃi de glucide, lipide şi protide. în materia vie există o continuă transformare a bioconstituenŃilor. Între organismele vii şi mediu se realizează interacŃiuni complexe, care constă în schimburi continue de substanŃă, energie şi informaŃie. Generic, constituenŃii materiei vii se numesc bioconstituenŃi. Localizarea acestora în formaŃiunile specifice sistemelor biologice este studiată cu ajutorul topobiochimiei.

Întrebări sau probleme rezolvate 1. Care sunt compuşii care fac parte din categoria biomoleculelor 8

anorganice? Biomoleculele anorganice sunt reprezentate de apă şi compuşii biominerali. 2. Care sunt compuşii care fac parte din categoria biomoleculelor organice? Biomoleculele organice sunt reprezentate de glucide, lipide şi protide.

9

UNITATEA DE ÎNVĂłARE 2

MATERIA VIE: ASPECTE STRUCTURALE ŞI TOPOBIOCHIMICE 1. VIRUSURI – ULTRASTRUCTURĂ ŞI TOPOBIOCHIMIE NoŃiunea de virus defineşte o entitate biologică acelulară constituită din regiuni distincte: formaŃiunea capitală, formaŃiunea centrală şi formaŃiunea terminală. Ideea unanim acceptată este aceea că virusurile sunt agenŃi infecŃioşi de tip special, iar infecŃia virală este consecinŃa introducerii materialului genetic în celula gazdă. Virusurile conŃin un număr redus de gene care au un conŃinut de acizi nucleici bine delimitat (DNA sau RNA). În jurul genelor se află o manta protidică reprezentată de capsidă. În cazul virusurilor complexe, acestea sunt înconjurate de un înveliş membranar. La virusuri trebuie precizate câteva caracteristici specifice formaŃiunilor virion, virus şi provirus. Astfel, virionul este o unitate morfologică primară care dispune de capacitate infectantă; virusul este o formaŃiune genomică virală liberă care se poate replica în celula gazdă; provirusul este o formaŃiune genomică virală integrată cromozomului din celula-gazdă. Din punct de vedere al unor proprietăŃi (ereditate, autoreproducere, variabilitate), virusurile sunt asemănătoare celulelor, existenŃa lor fiind însă dependentă de celula-gazdă. Din punct de vedere al ultrastructurii, formaŃiunile caracteristice virusurilor sunt formaŃiunea capitală, formaŃiunea centrală, formaŃiunea terminală. 1.1. FORMAłIUNEA CAPITALĂ Această componentă virală este constituită din core, capsidă şi peplos. Aceşti constituenŃi ai formaŃiunii centrale sunt prezentaŃi în continuare. Core se mai numeşte şi corpul central în care se află acidul nucleic coreal reprezentat de DNA sau RNA, înconjurat de proteine interne. În core se află cromozomii virali, cu dimensiuni reduse, care stochează informaŃia genetică, şi constituie genomul viral (fig. 1).

Fig. 1 Virusul-aspecte ultrastructurale (http://www2.hkedcity.net/sch_files/a/phc/phc-ltp/public_html/e_decd.html) 10

Pentru definirea genomului viral se are în vedere numărul de gene şi greutatea moleculară a acizilor nucleici. Astfel, numărul de gene poate varia foarte mult, de la 3 gene la virusul Polyoma, la 160 de gene la virusul Pox. Capsida este formată dintr-un lanŃ polipeptidic sau agregate de lanŃuri polipeptidice identice sau diferite care au o anumită simetrie. Împreună cu core, capsida formează ansamblul core-capsidă care este definitoriu pentru structura virusului. La nivelul capsidei au fost izolate formaŃiuni numite capsomere, al căror număr este dependent de informaŃia genetică. PrezenŃa acestora influenŃează simetria virală care poate fi helicală sau icosaedrică. Astfel, în cazul virusurilor helicale, capsomerele sunt reprezentate de o singură moleculă proteică, iar la virusurile icosaedrice de 5-6 molecule proteice. Din punct de vedere topobiochimic, nu au un echipament enzimatic care să poată fi adaptat proceselor metabolice. Cu toate acestea, câteva enzime virale au fost descoperite. (neuraminidaza, exo- şi endonucleaze, RNA polimeraza şi DNA-polimerazaRNA dependentă). Peplosul este învelişul extern al virusurilor care protejează ansamblul core-capsidă, şi care apare doar la unele virusuri. Din punct de vedere structutural, peplosul este un înveliş de natură virionului în lipoproteică, care se maturizează în cursul „înmuguririi” membrana celulară. La exteriorul stratului lipoproteic se găsesc glicoproteine, iar la interior, polipetide. 1.2. FORMAłIUNEA CENTRALĂ Aceasta este o prelungire cilindrică a formaŃiunii core-capsidă, fiind cunoscută şi sub denumirea de formaŃiunea terminală. Această formaŃiune are aspect cilindric, care la exterior intră în contact cu mediul înconjurător, iar la interior cu formaŃiunea capitală (core-capsidă). Pe această cale se asigură tranzitul formaŃiunii centrale şi pătrunderea acesteia prin membrana celulei procariote sau eucariote în momentul infectării virale. Fixarea virusului se face prin intermediul plăcii cu fibre terminale, iar apoi, prin formaŃiunea centrală, acidul nucleic din core este injectat în celula-gazdă.

1.3. FORMAłIUNEA TERMINALĂ Aceasta se mai numeşte şi placa cu fibre terminale. Prin intermediul acesteia are loc fixarea virusului la membrana celulei procariote sau eucariote. Fibrele au un rol deosebit de important în etapele preliminare injectării, şi anume: orientarea virusului cu extremitatea distală spre membrana celulară şi ataşarea virusului la membrana celulară a viitoarei celule gazdă. După injectarea acidului nucleic coreal în celula gazdă, are loc autodistrugerea resturilor virusului.

11

1.4. CICLUL CELULAR LA VIRUSURI Ciclul celular prezintă anumite particularităŃi care diferenŃiază virusurile virulente de cele temperate. Astfel, la virusurile virulente ciclul celular este litic, iar la cele temperate, lizogenic. În cazul ambelor cicluri celulare există o „fază de repaus” care caracterizeză aşa-numita „latenŃă virală”. Bazele moleculare ale latenŃei virale nu sunt pe deplin elucidate, dar se consideră că există factori care controleză stabilirea şi menŃinerea stării de latenŃă, factori care sunt dependenŃi de tipul de celulă infectată cu un anumit virus. 1.4.1. Ciclul litic Acesta este caracterizat prin existenŃa a cinci faze: - faza de repaus când virusul se află în afara celulei gazdă - faza de absorbŃie şi infectare în timpul căreia particula virală se află la suprafaŃa celulei-gazdă şi când în final are loc tranzitarea acidului nucleic viral în celula-gazdă. - faza de eclipsă sau vegetativă caracterizată prin pierderea capacităŃii de infectare a virusului - faza de maturare în care molecula de acid nucleic viral este inclusă în capsula proteică virală. - faza de liză în care are loc distrugerea celulei-gazdă şi eliberarea particulei virale. Pe parcursul etapelor prezentate mai sus are loc transferul de acid nucleic de la virus la celulă, urmat de încapsidarea genomului viral. După liza celulei-gazdă, ciclu celular poate fi reluat. 1.4.2. Ciclul lizogenic În cadrul acestui ciclu celular caracteristic virusurilor temperate există patru faze distincte: - faza de repaus în care virusul este prezent în afara celulei procariote sau eucariote. - faza de adsorbŃie şi infectare similară celei din cadrul ciclului litic - faza de transformare în timpul căreia acidul nucleic viral se integrează în celula-gazdă, cu care se replică în acelaşi timp. În acest caz, molecula de acid nucleic viral fixată de celula-gazdă, se numeşte provirus (profag). - faza de integrare care se defineşte prin transformarea particulei virale în provirus prin fixarea acidului nucleic coreal în genoforul celulei-gazdă, cu care se divide în acelaşi timp. La nivelul ciclului vital la virusuri există două stări: statică, caracteristică fazei de repaus, şi dinamică caracteristică celorlalte faze. 2. PROCARIOTE – ULTRASTRUCTURĂ ŞI TOPOBIOCHIMIE Prin termenul de procariote (gr. Pro-înainte; karion-nucleu) sunt definite cele mai simple forme de organizare celulară, care nu au nucleu înconjurat de membrana perinucleară şi nici organite celulare delimitate de membrane 12

proprii. Organismele procariote cele mai cunoscute sunt arhebacteriile şi eubacteriile. O reprezentare a celulei procariote se regăseşte în fig. 2, prezentânduse particularităŃile structurale ale acesteia. Din punct de vedere structural, celula procariotă este constituită din nucleoid, citoplasmă, formaŃiuni intracelulare, membrana celulară şi aparat de fixare (flageli, pili, fimbrine). Caracteristicile acestor componente celulare sunt prezentate succint în continuare.

Fig. 2 Celula procariotă (http://www.steve.gb.com/science/cell_biology.html) 2.1. NUCLEOIDUL La procariote nucleul celular este înlocuit cu o formaŃiune numită nucleoid, care conŃine un singur cromozom reprezentat de DNA dublu catenar cu lungime de cca. 1,2 nm şi diametrul de 0,2nm. În celula procariotă DNA este asociat cu proteine non-histonice, şi constituie DNA genoforal. Deoarece nucleoidul este lipsit de înveliş propriu, procariotele se mai numesc şi organisme prenucleate. 2.2. CITOPLASMA Citoplasma este masa internă cu aspect granular fin care se mai numeşte şi citosol. În citoplasmă concentraŃia proteinelor depăşeşte 20%, acestea fiind reprezentate cu precădere de enzime implicate în procese metabolice. În citoplasmă se află organitele celulare: ribosomii, mezozomul, plasmidele, granulele de depozitare, vacuolele, aparatul fotosintetizant, incluziunile şi magnetosomii. Ribosomii sunt dispuşi într-un cadru nestructurat, datorită absenŃei reticulului endoplasmatic. La acest nivel are loc biosinteza proteinelor. Mezozomul prezintă câteva caracteristici distincte: provine din membrana celulară în urma învaginării acesteia şi este implicat în activitatea 13

genoforului bacterian, prin repartizarea materialului genetic (DNA genoforal) în absenŃa unui aparat mitotic. Activitatea mezozomului este asociată cu cea a membranei plasmatice şi a DNA genoforal din nucleoid şi a DNA plasmidal. Granulele de depozitare conŃin în moleculă polimeri glucidici fiind implicaŃi în furnizarea energiei necesare celulei procariote Vacuolele sunt considerate a fi formaŃiuni ultrastructurale permanente necesare pentru depozitarea de apă şi metaboliŃi hidrosolubili. Aparatul fotosintetizant este localizat în apropierea membranei plasmatice, prezentându-se sub formă de vezicule sau invaginaŃii membranare. Incluziunile apar în citoplasmă la sfârşitul perioadei de creştere, fiind implicate în activitatea metabolică a celulei bacteriene. Magnetosomii intervin în orientarea celulelor bacteriene în câmpuri magnetice. 2.3. MEMBRANA CELULARĂ Membrana celulară delimitează mediul intern de mediul extern, iar din punct de vedere structural este constituită dintr-un strat lipidic dublu în care se află molecule proteice. Sub raport procentual lipidele reprezintă 45% iar protidele 55% din membrana celulară. În exteriorul membranei celulare se află peretele celular la suprafaŃa căruia se află formaŃiuni membranare (flageli, pili, fimbrine). Acesta protejează celula de factorii de mediu. PrezenŃa acestuia conferă o anumită rigiditate celulei, datorită prezenŃei poliglucidelor şi glicanilor. Structura peretelui celular constituie un criteriu de clasificare a bacteriilor în bacterii gram-pozitive, care au un perete celular mai rigid, şi mai stratificat, spre deosebire de bacteriile gram-negative la care acesta este mult mai subŃire. Alături de membrana celulară, peretele celular are rol de sită, fiind implicat în transportul compuşilor cu moleculă mică şi în blocarea tranzitului substanŃelor nocive. 2.4. APARATUL DE FIXARE Aparatul de fixare este reprezentat de flageli, pili şi fimbrine, formaŃiuni care derivă din peretele celular. Flagelii sunt formaŃiuni care asigură mobilitatea celulei procariote. Pilii sunt formaŃiuni de dimensiuni mai reduse comparativ cu flagelii care participă la procesul de reproducere. Fimbrinele sunt apendici extramembranari care asigură aderarea la suprafeŃele conexe. Aceste formaŃiuni sunt întâlnite la bacteria Escherichia coli şi la alte bacterii. 2.5. CICLUL CELULAR LA PROCARIOTE În cazul procariotelor nu putem vorbi despre un ciclu celular specific, ci despre un ciclu vital, care poate fi de mai multe tipuri, în funcŃie de complexitatea celulelor procariote: 14

- ciclul celular vegetativ monomorf, care se întâlneşte în cazul bacteriilor monomorfe; - ciclul celular vegetativ dimorf, cauzat de existenŃa a două celule diferite morfologic încă de la diviziune; - ciclul celular vegetativ polimorf, specific bacteriilor care produc celule distincte din punct de vedere al morfologiei; - ciclul celular vegetativo-sporal, care este mai rar întâlnit, şi apare atunci când alături de ciclul vegetativ există şi un ciclu sporal pe parcursul căruia are loc sporogeneza. Diferitele tipuri de ciclu celular întâlnite la procariote se datorează varietăŃii de forme sub care acestea există în lumea vie. 3. EUCARIOTE – ULTRASTRUCTURĂ ŞI TOPOBIOCHIMIE Termenul de eucariote (eu-bine, karion-nucleu) defineşte organismele uni- şi multicelulare cu nucleu bine delimitat de o anvelopă perinucleară care delimitează membrana nucleară de citoplasmă. Celulele eucariote prezintă diviziune celulară mitotică şi meiotică. În citoplasmă, formaŃiunile intracelulare de la procariote sunt înlocuite de organite celulare cu membrane proprii. Dimensiunile celulelor eucariote diferă în funcŃie de Ńesut şi rolul fiziologic. Astfel, în organismul uman cea mai mare celulă este ovulul, iar cea mai mică se află în sânge (trombocitul). Celulele se află grupate în Ńesuturi, având rol, formă şi dimensiuni diferite. În general, celulele au formă sferică, dar sub influenŃa unor factori fizici sau chimici, celulele pot avea forme variate: discoidale, eliptice, filamentoase, prismatice sau piramidale. Celula eucariotă vegetală şi animală este reprezentată schematic în fig. 3. Reprezentarea generală a principalelor caracteristici morfo-fiziologice comparative la organsimele eucariote reprezintă o sinteză a informaŃiilor compilate din literatura de specialitate. Celulele eucariote evidenŃiază o anumită specificitate în arhitectura ultrastructurii. Astfel, din punct de vedere structural, se pot remarca: nucleul, citoplasma, organitele celulare, citoscheletul şi membrana celulară.

15

Celula vegetală

celula animală Fig. 3 Celula vegetală şi animală (reprezentare schematică) (http://siksite.sites.uol.com.br/PreHistECell.htm) 3.1. NUCLEUL Această formaŃiune este caracteristică celulelor eucariote, având o dispunere centrală şi ocupând aproximativ o treime din volumul acesteia. La exterior, nucleul este delimitat de membrana perinucleară, care este constituită din două membrane : membrana externă care delimitează spaŃiul perinuclear şi membrana internă care are structură proteică. Pe suprafaŃa anvelopei nucleare sunt dispuşi pori care asigură o legătură între aceasta şi citoplasmă. Un procent de 95% din nucleu este reprezentat de acidul deoxiribonucleic (DNA), tot aici fiind izolate şi cantităŃi mai mici de acid ribonucleic şi proteine (reprezentate de histone-(de natură bazică) şi nonhistone – (de natură acidă). 16

Materialul genetic al celulei eucariote este localizat în cromozomi, care conŃin în structura lor formaŃiuni specifice numite nucleosomi, formaŃi din DNA reiterativ şi non-reiterativ. Totalitatea acestor molecule se constituie în ansamblul numit cromatina, care conŃine materialul genetic (DNA cromozomial). În interiorul nucleului se află nucleolul care produce sinteza RNA ribozomal, dimensiunile lui reduse fiind crescute în perioada se transcripŃie. În nucleu se află sediul biosintezei acizilor nucleici, iar în citoplasmă este sediul biosintezei proteice. Prin porii nucleari are loc tranzitul proteinelor spre nucleu şi a acizilor nucleici spre citoplasmă. 3.2. CITOPLASMA Citoplasma este lichidul intracelular, fin granulat, care mai poartă denumirea de citosol, matrice citoplasmatică sau hialoplasmă. În citoplasmă există organitele celulare, precum şi diferite macromolecule şi ioni, aceasta reprezentând partea solubilă a citoplasmei. FuncŃiile citoplasmei sunt următoarele: transportul intern al biomoleculelor şi ionilor; desfăşurarea reacŃiilor metabolice la nivelul celulai; participarea la schimburile de energie şi informaŃie cu mediul; interacŃiile dintre diferitele formaŃiuni intracelulare. Organitele celulare care se află în structura celulei eucariote pot fi repartizate în trei clase: generale, specifice şi speciale. Din categoria organitelor generale amintim: mitocondriile, aparatul Golgi, reticulul endoplasmatic. Dintre organitele specifice enumerăm: plastide şi vacuole (în cazul celulei vegetale) şi peroxizomi (în cazul celulei animale). Organitele speciale sunt reprezentate de celule care au funcŃii specifice (miofibrile în celulele musculare şi neurofibrile în celule nervoase). Mitocondriile sunt organite celulare de formă elipsoidală, cu membrană limitantă dublă: membrana externă care are în compoziŃie numeroase enzime, şi membrana internă de la care pornesc spre interior formaŃiuni numite criste. În interiorul mitocondriei se distinge matricea mitocondrială bogată în enzime şi proteine. Aceste organite sunt implicate în numeroase funcŃii la nivel celular: în procesele de respiraŃie celulară, în urma căreia este furnizată energie; în sinteza macromoleculei de ATP; în procese metabolice specifice metabolismului intermediar (ciclul Krebs); în oxidarea acizilor graşi . Alături de cloroplaste, mitocondriile se divid independent de diviziunea celulară. Această capacitate de autoreproducere independentă de celula eucariotă este conferită de autonomia genetică, şi anume de prezenŃa unui material genetic propriu. Acesta este reprezentat de DNA mitocondrial care reprezintă 1% din DNA celular total, şi constituie baza de la care poate fi iniŃiată sinteza proteică mitocondrială. Reticulul endoplasmatic este dispus sub forma unei reŃele dispuse paranuclear sub forma unor „vezicule intercomunicante” . Această reŃea prezentată sub numele de reticul endoplasmatic prezintă două tipuri de reticule: RE granular sau rugos şi RE neted. Aspectul rugos este dat de dispunerea ribozomilor pe formaŃiunile membranare canaliculare. 17

Ribozomii se pot afla în celule în stare liberă (ribozomi izolaŃi) sau grupaŃi în poliribozomi. Principalul rol biochimic al ribozomilor este reprezentat de implicarea lor în biosinteza proteinelor structurale şi funcŃionale. Activarea biosintezei proteice stimulează procesele de creştere şi dezvoltare celulară. Proteinele din organism se grupează în proteine celulare endogene care sunt sintetizate de către ribozomii liberi, şi proteine celulare exogene – sintetizate de ribozomi în asociere cu reticulul endoplasmatic. În urma procesului de biosinteză, proteinele traversează membranele şi canaliculele reticulului endoplasmatic şi ajung la periferia celulei. Aparatul Golgi este reprezentat de mici vezicule aplatizate suprapuse, care sunt bogate în glicoproteine provenite de la reticulul endoplasmatic. La acest nivel are loc eliberarea produşilor celulari de natură protidică care sunt implicaŃi în formarea membranei plasmatice şi a membranelor lizozomale. Peroxizomii sunt vezicule unimembranare specifice celulei animale, bogate în enzime oxidative: izocitrat dehidrogenaza, catalaza care au un rol important în procesele de detoxifiere alimentară sau medicamentoasă. Lizozomii sunt organite celulare izolate cu precădere în celulele ficatului, muşchilor şi în leucocite. La nivel lizozomal are loc digestia intracelulară în cadrul proceselor de endocitoză şi exocitoză. Centrosomul se află dispus în apropierea nucleului, fiind format din doi centrioli înconjuraŃi de o masă amorfă. În cursul diviziunii celulare, centrosomii se modifică, prin duplicare, urmată de deplasarea acestora spre polii fusului mitotic. La celulele polinucleate există mai mulŃi centrosomi, situaŃi în apropierea fiecărui nucleu. Plastidele sunt organite celulare specifice celulei vegetale, având genom propriu, care conŃine DNA plastidal. Din punct de vedere structural, plastidele au o membrană dublă: internă şi externă, între care se află dispusă materia fundamentală care se numeşte stroma, în care se află dispuşi tilacoizii, grupaŃi în formaŃiuni de forma unui disc, numite grana. Plastidele constituie o familie de organite în care sunt incluse: proplastide, cloroplaste, cromoplaste, leucoplaste, amiloplaste şi etioplaste. Proplastidele sunt formaŃiuni primare, care pot evolua spre oricare din celelalte tipuri de plastide menŃionate mai sus. Cloroplastele sunt principalele organite de natură plastidică, care conŃin clorofila şi sunt implicate în procesul de fotosinteză. Cromoplastele sunt compuşi pigmentaŃi diferit, de la galben la roşu, care nu participă la fotosinteză. Leucoplastele sunt organite care se află în epidermă şi organe interne, nu sunt colorate în verde şi nu participă la fotosinteză. Amiloplastele sunt specializate în biosinteza şi stocarea granulelor de amidon. Etioplastele sunt formaŃiuni tranzitorii între proplastidele iniŃiale şi cloroplaste, rezultate în urma întreruperii acŃiunii luminii. Vacuolele sunt formaŃiuni caracteristice celulei vegetale, la nivelul cărora se află dizolvate glucide, săruri ale unor acizi organici, pigmenŃi, dioxid de carbon şi oxigen.

18

3.3. CITOSCHELETUL Acesta este reprezentat de o reŃea fibroasă rezultată în urma condensării proteinelor, şi este format din: microtubuli, microfilamente şi filamente intermediare. Microtubulii au în moleculă proteine globulare numite tubuline, şi din punct de vedere biologic asigură mişcarea cromozomilor în timpul diviziunii, a cililor, a flagelilor şi a spermatozoizilor. Microfilamentele sunt formaŃiuni care intervin în creştere, morfogeneză şi mişcare celulară. Filamentele intermediare sunt formaŃiuni de natură proteică implicate în procesele de creştere şi morfogeneză. 3.4. MEMBRANA CELULARĂ Membrana celulară delimitează mediul intern al celulei de mediul extern. Aceasta are o grosime de 8-9 nm, fiind formată din lipide, protide şi cantităŃi reduse de glucide. Lipidele din constituŃia membranei sunt reprezentate de fosfolipide, sfingolipide şi steride Protidele din membrană sunt asociate părŃii hidrofobe a lipidelor. Acestea au rol structural şi de efectori biochimici. Glucidele reprezintă 10% din totalul compuşilor, fiind localizate la exteriorul membranei celulare, formând combinaŃii cu proteinele şi cu lipidele. Glucidele de la nivelul membranei sunt reprezentate de glicoproteine şi glicolipide şi sunt implicate în interacŃii antigenice şi în biosinteza potenŃialului de membrană. Membrana celulară are rol în delimitarea şi compartimentarea celulei, în reglarea transportului transmembranar, în asigurarea homeostaziei biochimice a constituenŃilor celulei. De asemenea, membrana celulară este implicată în menŃinerea presiunii osmotice şi a volumului lichidian al celular. Transportul transmembranar este funcŃia principală a biomembranelor. Acesta poate fi realizat prin două sisteme: de microtransport şi macrotransport. 3.5. MATRICEA EXTRACELULARĂ Matricea extracelulară este constituită în principal din glicozaminoglicani şi proteine fibrilare şi nonfibrilare. Glicozaminoglicanii sunt formaŃi din catene poliglucidice neramificate constituite din 70-200 de unităŃi diglucidice. Glicozaminoglicanii din matricea extracelulară au o capacitate crescută de a reŃine cationii metalici şi apa, având un comportament hidrofil marcat. De asemenea, au capacitatea de a lega proteinele cu formare de proteoglicani. Proteinele fibrilare sunt reprezentate de colagen, fibrilina, elastina şi fibronectina. Colagenul este proteina fibrilară răspândită în piele, cartilagii, ligamente, oase. 19

Fibrilina este o glicoproteină izolată din microfibrilele extracelulare provenite splină, pulmon, cristalin şi pereŃii vaselor sanguine. Elastina este o proteină sintetizată în fibroblaste, principalulele componente ale fibrelor elastice. Fibronectina este o glicoproteină care este implicată în recunoaşterea proteinelor din matricea extracelulară. Fibronectina poate adera la diferiŃi componenŃi celulari (colagen, heparină, şi alte molecule cu proprietăŃi adezive faŃă de celula eucariotă). 3.6. CICLUL CELULAR LA EUCARIOTE Procesele specifice ciclului celular se desfăşoară în cadrul unei succesiuni de faze care constituie ciclul celular (fig. 4). Ciclul celular la eucariote prezintă câteva faze distincte : -Presinteza (G1), în timpul căreia celula îşi reia capacitatea biosintetică care a fost întreruptă pe durata mitozei; - Sinteza (S), în timpul căreia are loc duplicarea DNA conŃinut de celulă precum şi replicarea cromozomilor; - Faza de postsinteză (G2) în timpul căreia încetează sinteza de DNA, în timp ce sinteza RNA şi a proteinelor continuă - Faza de mitoză (M) – în care biosinteza RNA este diminuată, iar materialul genetic este repartizat între cele două celule fiice - Faza de repaus (G0) – în care celulele sunt capabile de proliferare. Această fază se situează în afara ciclului celular

Fig. 4. Reprezentarea schematică a ciclului celular La celulele de mamifere, ciclul celular durează aproximativ 16 ore. Acest ciclu prezintă trei perioade distincte cu durata totală de 15 ore, denumite: presinteză, (G1); sinteză (S); postsinteză (G2) şi o perioadă – cu durata de circa o oră – mitoză (M), care este urmată de diviziunea celulară. Problema ciclului celular a fost studiată pe culturi de celule la care s-a aplicat sincronizarea ciclului celular, prin aducerea celulelor provenite din aceeaşi cultură în aceeaşi fază a ciclului. Ulterior se declanşează creşterea celulară, pentru ca toate celulele să parcurgă în acelaşi timp toate perioadele ciclului celular.

20

Concepte şi noŃiuni de reŃinut NoŃiunea de virus defineşte o entitate biologică acelulară constituită din regiuni distincte: formaŃiunea capitală, formaŃiunea centrală şi formaŃiunea terminală. Ideea unanim acceptată este aceea că virusurile sunt agenŃi infecŃioşi de tip special, iar infecŃia virală este consecinŃa introducerii materialului genetic în celula gazdă. - Prin termenul de procariote (gr. Pro-înainte; karion-nucleu) sunt definite cele mai simple forme de organizare celulară, care nu au nucleu înconjurat de membrana perinucleară şi nici organite celulare delimitate de membrane proprii. Organismele procariote cele mai cunoscute sunt arhebacteriile şi eubacteriile. - Termenul de eucariote (eu-bine, karion-nucleu) defineşte organismele uni- şi multicelulare cu nucleu bine delimitat de o anvelopă perinucleară care delimitează membrana nucleară de citoplasmă. Celulele eucariote prezintă diviziune celulară mitotică şi meiotică. În citoplasmă, formaŃiunile intracelulare de la procariote sunt înlocuite de organite celulare cu membrane proprii. - Ciclul celular prezintă anumite particularităŃi care diferenŃiază virusurile virulente de cele temperate. Astfel, la virusurile virulente ciclul celular este litic, iar la cele temperate, lizogenic. În cazul ambelor cicluri celulare există o „fază de repaus” care caracterizeză aşa-numita „latenŃă virală”. Bazele moleculare ale latenŃei virale nu sunt pe deplin elucidate, dar se consideră că există factori care controleză stabilirea şi menŃinerea stării de latenŃă, factori care sunt dependenŃi de tipul de celulă infectată cu un anumit virus. - În cazul procariotelor nu putem vorbi despre un ciclu celular specific, ci despre un ciclu vital, care poate fi de mai multe tipuri, în funcŃie de complexitatea celulelor procariote: - ciclul celular vegetativ monomorf, care se întâlneşte în cazul bacteriilor monomorfe; - ciclul celular vegetativ dimorf, cauzat de existenŃa a două celule diferite morfologic încă de la diviziune; - ciclul celular vegetativ polimorf, specific bacteriilor care produc celule distincte din punct de vedere al morfologiei; - ciclul celular vegetativo-sporal, care este mai rar întâlnit, şi apare atunci când alături de ciclul vegetativ există şi un ciclu sporal pe parcursul căruia are loc sporogeneza. - Ciclul celular la eucariote prezintă câteva faze distincte : - Presinteza (G1), în timpul căreia celula îşi reia capacitatea biosintetică care a fost întreruptă pe durata mitozei; - Sinteza (S), în timpul căreia are loc duplicarea DNA conŃinut de celulă precum şi replicarea cromozomilor; - Faza de postsinteză (G2) în timpul căreia încetează sinteza de DNA, în timp ce sinteza RNA şi a proteinelor continuă - Faza de mitoză (M) – în care biosinteza RNA este diminuată, iar materialul genetic este repartizat între cele două celule fiice - Faza de repaus (G0) – în care celulele sunt capabile de proliferare. Această fază se situează în afara ciclului celular -

21

Întrebări sau probleme rezolvate 1. Care sunt formaŃiunile structurale caracteristice virusurilor? Acestea sunt: formaŃiunea capitală, formaŃiunea centrală şi formaŃiunea terminală. 2. Care este arhitectura structurii prezentată comparativ la celulele procariote şi eucariote?

22

UNITATEA DE ÎNVĂłARE 3

GLUCIDE: PREZENTARE GENERALĂ, OZE REPREZENTATIVE. IMPORTANłĂ ÎN INDUSTRIA ALIMENTARĂ. 1. PREZENTARE GENERALĂ Glucidele sunt compuşi ternari care au în compoziŃie carbon, oxigen şi hidrogen. Alături de lipide şi protide, glucidele sunt considerate constituenŃi de bază ai materiei vii. Glucidele au o largă răspândire în regnul vegetal şi animal, ca atare sau în combinaŃii, fiind compuşi indispensabili vieŃii. Din punct de vedere chimic, glucidele sunt polihidroxi – aldehide sau polihidroxi – cetone, şi în natură îndeplinesc următoarele funcŃii: - au funcŃie de susŃinere la plante (celuloza) şi la animale (chitina); - sunt substanŃe de rezervă (amidonul şi glicogenul); - sunt sursă de energie pentru celulele organismului; - intervin în reacŃiile de apărare a organismului. În celulele vegetale conŃinutul în substanŃe de natură glucidică este de peste 65%, iar în celulele animale procentajul nu depăşeşte 5%. 2. NOMENCLATURA GLUCIDELOR Prima denumire a glucidelor a fost de hidraŃi de carbon, aceasta datorându-se faptului că între atomii de hidrogen şi oxigen din moleculă raportul este identic cu cel din molecula apei, adică de 2 la 1. Astfel formula generală a glucidelor este (CH2O)n. Termenul general acceptat în nomenclatura internaŃională este cel de glucide, care provine de la grecescul glikis care înseamnă dulce. De asemenea, o altă denumire atribuită glucidelor este aceea de zaharuri, termen care este originar tot din limba greacă (sakkarum – substanŃă dulce). 3. CLASIFICAREA GLUCIDELOR Glucidele pot fi clasificate în două clase: oze şi ozide. Clasificarea glucidelor este prezentată în fig. 1. Ozele sunt substanŃe monomoleculare care nu pot fi hidrolizate în forme mai simple. Acestea la rândul lor pot fi clasificate, după numărul de atomi de carbon, în trioze, tetroze, pentoze, hexoze, heptoze, octoze, nonoze. După natura grupării carbonilice se clasifică în aldoze sau cetoze. Ozidele sunt compuşi glucidici care se formează prin condensarea moleculelor de oze, unele dintre acestea având în moleculă compuşi neglucidici. Ozidele se pot clasifica la rândul lor în holozide şi heterozide.

23

-Aldoze:dioze, trioze, tetroze, pentoze, hexoze, etc. -Oze -Cetoze: trioze, tetroze, pentoze, hexoze, etc.

Glucide

- Oligoholozide -Holozide

-Ozide

-Poliholozide fãrã aminoglucide (Glicani) - Poliholozide

-Poliholozide cu aminoglucide (Glicozaminoglicani) -O-heterozide -Heterozide -S-heterozide - N-heterozide

Fig. 1. Clasificarea glucidelor a) Holozidele au în compoziŃie doar resturi de oze. În funcŃie de mărimea moleculei se disting două clase : - oligoholozide care sunt ozide cu moleculă mică; - poliholozide care sunt compuşi cu structură macromoleculară (glicani sau glicozaminoglicani). b) Heterozidele sau glicozidele sunt compuşi cu structură complexă în compoziŃia cărora se află o componentă glucidică de tip oză sau ozidă şi o componentă neglucidică numită aglicon. În funcŃie de natura atomului care se leagă la componenta glucidică, întâlnim: glicozide cu oxigen(O – heterozide), glicozide cu sulf (S-heterozide) şi glicozide cu azot (N-heterozide). Glucidele poartă nume speciale. În cazul ozelor epimere pentru denumirea aldozei se utilizează sufixul “-oză” ia r pwntru denumirea cetozei de foloseşte sufixul “-uloză”. De exemplu, aldoza D-riboză are ca epimer cetoza D-ribuloză. În regnul vegetal, glucidele se formează prin procesul de fotosinteză, iar în regnul animal provin prin aport exogen. În alimentaŃie, glucidele reprezintă un principiu nutritiv important pentru om şi animale. 4.OZE Ozele sunt carbohidraŃii cu cea mai simplă structură, care au formula structurală (CH2O)n, unde valoarea lui n este egală sau mai mare cu 3. Din punct de vedere structural, ozele sunt substanŃe cu funcŃiuni mixte, având în moleculă grupări hidroxilice şi carbonilice (aldehidice sau cetonice). În funcŃie de natura grupării carbonilice, ozele pot fi aldoze - dacă au în moleculă grupare aldehidică, sau cetoze – dacă au în moleculă o grupare cetonică. Ozele sunt o importantă sursă de energie pentru procesele metabolice, cu precădere în procesele de biosinteză. 24

La nivel celular monozaharidele sunt folosiŃi ca şi compuşi de bază pentru sinteza de oligo – şi poliglucide, dar şi în sinteza de heterozide, acizi nucleici, glicoproteide). Ozele sunt substanŃe cristaline, solubile în apă şi insolubile în solvenŃi nepolari, marea majoritate având gust dulce. 4.1. IZOMERIA LA MONOGLUCIDE Monoglucidele au formula generală (CH2O)n, unde n=2-10. În această clasă, compuşii cu formule identice pot prezenta proprietăŃi fizico-chimice diferite. La monoglucide întâlnim numeroase deosebiri de catenă şi de configuraŃie. Acestea se datorează diverselor tipuri de izomerie, care sunt prezentate mai jos: a) Stereoizomeria D-L După numărul de atomi de carbon asimetrici, ozele pot forma stereoizomeri. În molecula ozelor se află unul sau mai multi atomi de carbon asimetrici (n) astfel că numărul izomerilor izomerilor optici este 2n izomeri optici sau diastereoizomeri. CHO CHO H

C

*

OH

OH C H2 (+) D - aldehida glicerică

HO

C* C H2

H OH

(-) L - aldehida glicerică

Conform teoriei iniŃiată de Fisher, forma dextrogiră este dată de prezenŃa în partea dreaptă a atomului de carbon asimetric a grupării hidroxil (D), iar prezenŃa acesteia în partea stângă generează forma levogiră (L). În cazul în care în structura ozei există mai mulŃi atomi de carbon asimetrici, tipul izomerului se stabileşte în funcŃie de poziŃia grupării hidroxilice faŃă de atomul de carbon asimetric cel mai îndepărtat de gruparea carbonilică. b) Izomeria optică PrezenŃa atomilor de carbon asimetrici conferă activitate optică ozelor, acestea având structură dextrogiră (+) - pot roti planul luminii polarizate spre dreapta şi levogiră (-) - rotesc planul luminii polarizate spre stânga. Activitatea optică generează formarea unor compuşi care poartă denumirea de enantiomeri, care nu sunt superpozabili (asemeni imaginii în oglindă a unui obiect). În cazul în care enantiomerii se află în proporŃii egale, atunci amestecul lor se numeşte amestec racemic care este inactiv din punct de vedere optic (±). Proprietatea izomerilor de a roti planul luminii polarizate nu este influenŃată de de izomeria de tip dextro (D) sau levo (L). c) Izomeria generată de ciclizare În natură ozele sunt foarte rar prezente în forma liniară, forma care predomină fiind cea de heterociclu. Ciclizarea este posibilă datorită prezenŃei la atomii de carbon C1 sau C2 a unei grupări hidroxilice cu reactivitate crescută, care poartă denumirea de grupare OH glicozidic. Gruparea carbonil 25

interacŃionează cu o grupare hidroxil formând o grupare ciclică semiacetalică, printr-o reacŃie de adiŃie intramoleculară . OH H

CHO

(CHOH)n

(CHOH)n

H

H

OH

C

C

monoglucid – formula liniară

O

C

forma semiacetalică

La ciclizare se formează heterociclii cu oxigen. În cazul ozelor cu 5 şi 6 atomi de carbon în moleculă ciclizarea are loc între atomii de carbon 1 şi 5, respectiv 1 şi 6 din structura moleculei de aldoză şi între atomii 2 şi 5 şi respectiv 2 şi 6 în cazul cetozelor.

O O furan piran Ciclul format din 4 atomi de carbon şi unul de oxigen se numeşte ciclu furanozic, iar cel cu cinci atomi de carbon şi unul de oxigen se numeşte ciclu piranozic. Formulele ciclice ale ozelor se numesc formule de proiecŃie după Fisher (1919). În forma furanozică ozele sunt mai reactive, dar mai rar întâlnite în stare liberă. Formele piranozice sunt mai des întâlnite în stare liberă şi mai stabile. În cazul D-glucozei şi D-fructozei, cele două forme (furanozică şi piranozică) sunt prezentate în continuare: H

C

OH

H

C

OH

HO

C

H

H

C

H

C

CHO

O

OH

C

OH

H

C

OH

HO

C

H OH

H

C

OH

HO

C

H

H

C

OH

H

C

H

C

OH

H

C

CH2OH

CH2OH

D-glucofuranoza (1-4)

H

D-glucoza

O

CH2OH

D-glucopiranoza (1-5)

Aceste formule nu asigură o reprezentare reală a legăturilor din cadrul ciclului. Ulterior Haworth în 1925 a propus o altă reprezentare a ozelor: structura furanozică se prezintă sub forma unul pentagon, iar cea piranozică sub forma unui hexagon. Aceste structuri se numesc formule de perspectivă. În continuare sunt prezentate formulele de perspectivă pentru glucoză: 26

6

HO

6

HO

CH2

HO

CH

5

O

H

CH2

H

O

5

H

H 1

4

H

4

H

OH

OH

OH

H

1

OH

2

3

H

OH

2

3

H

α-D-glucofuranoza

OH

OH

α -D-glucopiranoza

d) Anomeria α – β În cazul în care reprezentarea compusului se realizează folosind formula de perspectivă, există o convenŃie prin care gruparea OH glicozidic aflată în partea dreaptă a catenei se va reprezenta în partea de jos a planului, în acest caz izomerul fiind numit cis sau α. Dacă gruparea OH glicozidică este situată în stânga catenei, ea se va scrie deasupra planului, izomerul fiind trans sau β. În continuare se prezintă reprezentaŃi ciclic şi folosind formulele de perspectivă anomerii D – glucozei: H

H

C

C

OH

C

H

H

C

OH

H

C

C

H

H

C

OH

HO

C

H

H

C

OH

H

C

O

OH

HO

HO

CH2OH

O

CH2OH

α -D-Glucopiranoza (α –D-Glcp)

β –D- Glucopiranoza (β-D-Glcp)

6

HO

6

CH 2

H

5

HO O

H

CH 2

H

H 4

OH

OH 3

H

5

O

OH

H H 2

1

4

OH

OH

OH

OH 3

H

α –D – Glucopiranoza (α –D – Glcp)

H 2

1

H

OH

β –D – Glucopiranoza (β –D – Glcp)

Procesul prin care o monoglucidă trece de la forma α la forma β poartă denumirea de mutarotaŃie, care în timp duce la modificări ale valorii unghiului de rotaŃie, apărând un echilibru între cele două forme izomere. Acest proces este întâlnit la ozele care au cel puŃin cinci atomi de carbon în moleculă. e) Epimeria Acest tip de izomerie apare când la moleculele de oze diferă configuraŃia unui singur atom de carbon asimetric. 27

De exemplu, în cazul ozelor cu şase atomi de carbon, configuraŃia atomilor C2, C3 şi C4 diferă, acest lucru ducând la apariŃia de epimeri. 6

HO H

5

HO

O

H

H 4

OH

OH 3

H

6

6

CH2

HO

CH2

H

O

5

H

CH2

OH

H 2

OH

4

OH

OH

O

H

H

H 1

5

OH

OH

2

3

H

1

OH

H

4

H

OH 3

H

H 2

1

OH

OH

α-D-Glucopiranoza α-D-Manopiranoza α-D-Galactopiranoza Glucoza şi galactoza sunt epimere în raport cu atomul de carbon din poziŃia 4, iar glucoza şi manoza sunt epimere în raport cu atomul de carbon din poziŃia 2. 4.2. NOMENCLATURA MONOGLUCIDELOR În nomenclatura monoglucidelor şi a derivaŃilor acestora se utilizează abrevieri specifice care s-au impus pentru scrierea mono- şi mai ales a oligoşi poliglucidelor. Abrevierea se realizează prin folosirea primelor trei litere. De exemplu, pentru principalele monoglucide, abrevierile sunt: Glc -glucoză; Gal-galactoză; Man -manoză; Fru -fructoză. Pentru specificarea tipului de izomerie, anomeria sau stereoizomeria, se poate folosi prefixul: α–D–Glcp; β-D-Glucopiranoza; β-D-Fruf; β-D -Fructofuranoza Abrevierile menŃionate mai sus sunt utilizate şi în cazul diglucidelor, triglucidelor, etc.

4.3.PROPRIETĂłI FIZICE Ozele sunt substanŃe cristaline, incolore şi inodore. Sunt solubile în apă, greu solubile în alcool, insolubile în solvenŃi organici (eter, cloroform). Aceşti compuşi au gust dulce, cel mai dulce compus din serie este fructoza, urmată de glucoză, galactoză, manoză.

4.4.OZE REPREZENTATIVE În continuare sunt prezentate cele mai răspândite monozaharide, dintre acestea doar unele se găsesc ca atare în natură, celelalte sunt obŃinute prin sinteză. 4.4.1. Trioze Sunt compuşi cu trei atomi de carbon în moleculă. Sunt cunoscute două trioze: gliceraldehida sau aldotrioza şi dihidroxiacetona sau cetotrioza. Din punct de vedere al rolului lor, triozele sunt implicate în procesele de respiraŃie celulară. 28

4.4.2. Tetroze Datorită prezenŃei celor 4 atomi de carbon în moleculă, şi a celor doi atomi de carbon asimetrici, în această categorie se includ patru tipuri de stereoizomeri. Din categoria aldoterozelor, cele mai importante sunt eritroza şi treoza, iar din categoria cetotetrozelor, cea mai cunoscută este eritruloza. 4.4.3. Pentoze Aceşti compuşi cu formula chimică C5H10O5 au o largă răspândire cu precădere în regnul vegetal, putând fi găsiŃi sub formă de pentozani, şi mai rar în stare liberă. În organismul uman nu există enzime care să metabolizeze pentozanii în pentoze, fapt care explică neimplicarea acestora în alimentaŃia omului. Din categoria aldopentozelor putem aminti: arabinoza, riboza, lixoza şi xiloza. D -riboza a fost descoperită în 1905. Este un compus cu o deosebită importanŃă biologică, fiind parte componentă a acizilor nucleici, alături de deoxiriboză (riboza în macromolecula RNA, iar deoxiriboza în compoziŃia macromoleculei DNA). CHO C

OH

H

C

OH

H

C

OH

H

HO

CH 2 H

O

OH H H

H

CH2OH

OH

OH

D – riboza β – D – ribofuranoza De asemenea, riboza este un component al ATP, NADH, şi a altor compuşi cu rol în procesele metabolice. Cele mai importante hexoze sunt prezentate în continuare. 4.4.4. Hexoze Hexozele sunt oze cu şase atomi de carbon, cu formula chimică C6H12O6. Datorită celor patru atomi de carbon asimetrici, din clasa hexozelor fac parte 16 izomeri. Hexozele sunt cele mai răspândite şi cele mai studiate oze. Ele există ca atare sau sub formă de oligo -, poliglucide, glicozide, etc. Pentru alimentaŃie cele mai importante hexoze sunt glucoza, fructoza şi galactoza. Α) Aldohexozele au un rol biologic major, intrând în compoziŃia a numeroase oligo- şi poliholozide dar şi a unor heterozide. D - glucoza este cea mai răspândită hexoză. În natură se găseşte în fructele dulci, mustul de struguri, mierea de albine şi toate celulele vegetale. În cantităŃi mici se găseşte în lichidele biologice: sânge, urină. Glucoza prezintă activitate optică, rotind planul luminii polarizate spre dreapta (+52,5º), fiind numită din acest considerent dextroză.

29

H

C

OH

H

C

OH

HO

C

H

6

O

HO

CH2 O

5

H

H

H H

C

H

C

OH

4

OH

CH2OH

OH

1

H 2

3

H

OH

OH

α –D – Glucopiranoza (α –D – Glcp) D-manoza se află în natură sub formă de poliglucide (manani, manogalactani). În regnul vegetal mananii se află în seminŃe de lucernă, roşcove. În regnul animal manoza este prezentă în compoziŃia unor glicoproteide.

H

C

OH

6

HO HO

C

H

HO

C

H

H

C

OH

H

C

CH2

O

O

5

H

H

H 4

OH

OH

2

3

OH

H

CH 2OH

1

OH H

α –D – Manopiranoza (α –D – Manp) Prin reducere manoza trece în polialcoolul numit manită sau manitol. D -galactoza se află în compoziŃia diglucidei lactoza şi a triglucidei rafinoza, a tetraglucidei stahioză şi a numeroase poliglucide (galactani, galactoarabani). H

C

OH

6

HO H

C

H

HO

C

H

CH 2

O

OH 4

HO

C

H

C

OH

H

5

H

H OH

H

3

2

H

CH2OH

O

1

OH

OH

α –D – Galactopiranoza (α –D – Galp) Galactoza se află şi în structura unor lipide complexe (cerebrozide) şi în cantităŃi mici în lichidul cefalorahidian (LCR). Cetohexozele au un rol biologic mai limitat. Cele mai reprezentative cetohexoze sunt fructoza şi sorboza. 30

CH2OH

HO

C

HO

C

H

C

H

O

HO

6

CH2

OH

CH2 OH 2

5

H H

1

O

H

C CH2OH

4

OH

OH 3

OH

H

α –D – Fructofuranoza (α –D – Fruf) D–fructoza este cea mai răspândită cetoză. În natură sub formă de fructopiranoză în fructele dulci, miere, şi sub formă de fructofuranoză în diglucide – zaharoză, triglucide – rafinoză, tetraglucide – stahioză şi în poliglucide fructani sau fructozani. D – fructoza este considerată cea mai dulce glucidă. Concepte şi noŃiuni de reŃinut -ozele sunt carbohidraŃii cu cea mai simplă structură, care au formula structurală (CH2O)n, unde valoarea lui n este egală sau mai mare cu 3. Din punct de vedere structural, ozele sunt substanŃe cu funcŃiuni mixte, având în moleculă grupări hidroxilice şi carbonilice (aldehidice sau cetonice). În funcŃie de natura grupării carbonilice, ozele pot fi aldoze - dacă au în moleculă grupare aldehidică, sau cetoze – dacă au în moleculă o grupare cetonică. - după numărul de atomi de carbon asimetrici, ozele pot forma stereoizomeri. În molecula ozelor se află unul sau mai multi atomi de carbon asimetrici (n) astfel că numărul izomerilor izomerilor optici este 2n izomeri optici sau diastereoizomeri. - activitatea optică generează formarea unor compuşi care poartă denumirea de enantiomeri, care nu sunt superpozabili (asemeni imaginii în oglindă a unui obiect). În cazul în care enantiomerii se află în proporŃii egale, atunci amestecul lor se numeşte amestec racemic care este inactiv din punct de vedere optic (±). Proprietatea izomerilor de a roti planul luminii polarizate nu este influenŃată de de izomeria de tip dextro (D) sau levo (L). Întrebări de autoevaluare, aplicaŃii, probleme 1. Cum se pot clasifica glucidele? 2. CaracterizaŃi succint principalele tipuri de izomerie specifice ozelor. 3. ScrieŃi formula structurală liniară, ciclică şi de perspectivă pentru glucoză. 4. ScrieŃi formula structurală liniară, ciclică şi de perspectivă pentru manoză 5. ScrieŃi formula structurală liniară, ciclică şi de perspectivă pentru galactoză.

31

UNITATEA DE ÎNVĂłARE 4

DERIVAłI AI MONOGLUCIDELOR: OZIDE. HOLOZIDE ŞI HETEROZIDE – ROL BIOCHIMIC 1. DERIVAłI AI MONOGLUCIDELOR Dintre derivaŃii glucidelor putem aminti: deoxiglucidele, aminoglucidele şi acizii uronici. 1.1. DEOXIGLUCIDE Aceşti compuşi se formează prin înlocuirea unei grupări -OH alcoolice cu un atom de hidrogen. Compuşii reprezentativi ai acestei clase sunt deoxiriboza şi metilpentozele. Deoxiriboza se obŃine prin eliminarea unui aton de oxigen de la gruparea hidroxilică legată de atomul C2 la riboză. Acest compus se află în compoziŃia acidului deoxiribonucleic (DNA) legat de nucleobaze şi de radicalul fosfat. HO

CH2 H

O

H H OH

H OH

H

α –D – Deoxiribofuranoza Metilpentozele – au şase atomi de carbon în moleculă, dintre care patru sunt asimetrici. Cele mai importante metilpentoze sunt L-ramnoza şi L- fucoza. H

O

H

C

OH

H

C

OH

HO

C

OH

HO

C

H

O

C

OH

HO

C

H

H

C

OH

H

C

OH

CH

CH

CH3

CH3

L – ramnoza

L – fucoza

Formarea acestor metilpentoze poate avea loc prin reducerea hexozelor la nivelul grupării alcoolice primare – dar această ipoteză nu este pe deplin acceptată.

32

1.2. AMINOGLUCIDE Acesti compuşi provin de la monoglucide în urma substituirii unei grupări hidroxilice cu o grupare aminică. Cele mai importante aminoglucide sunt glucozamina, galactozamina şi acidul neuraminic. Glucozamina este un compus care se regăseşte sub formă legată în chitină, glicoplipide şi poliglucide specifice de grup sanguin. De asemenea glucozamina provenită de la L – glucoză se află în structura antibioticului streptomicina. 6

HO

6

CH 2 O

5

H

HO

H

OH

2

3

OH

H

1

4

OH

H

3

2

H

NH2

H

α – glucozamina

H

H

H

OH

O

5

OH

H 4

CH2

1

OH

NH2

α - galactozamina

Galactozamina se află în natură sub forma unor poliglucide prezente în alge. Acidul neuraminic are o structură mai complexă, având în moleculă un rest de acid piruvic şi un rest de monozamină. Acest compus intră în structura membranelor celulare sub forma unor poliglucide. 1.3. ACIZII URONICI Acizii uronici se află în constituŃia unor poliglucide de tip glicozaminoglicanic. În natură se găsesc acizi uronici derivaŃi de la glucoză, idoză, etc. În continuare se prezintă formulele structurale ale acizilor uronici proveniŃi de la glucoză.

H

6

6

COOH

COOH

5

O

H

H

H 4

OH

OH

H

3

2

H

O

OH

OH

H

1

3

2

5

H 1

4

OH

OH

H

OH

H

OH

Acid α – glucuronic (α-GlcUA) Acid β - glucuronic (β-GlcUA) Acidul glucuronic derivat de la glucopiranoză este constituent al glicozaminoglicanilor neomogeni cu structură heparinică: heparina şi heparansulfatul, dar şi cu structură non-heparinică: acid hialuronic, condroitin – sulfat, keratan – sulfat.

33

2. OZIDE Ozidele sunt compuşi formaŃi prin condensarea unor molecule de monoglucide cu eliminare de apă. După natura compuşilor din compoziŃia lor, ozidele se clasifică în holozide şi heterozide. 2.1. HOLOZIDE Holozidele sunt compuşi formaŃi din resturi de monoglucide (identice sau diferite). După numărul resturilor de monoglucide existente în molecula lor, acestea se subclasifică în oligoholozide şi poliholozide. 2.1.1. Oligoholozide Aceste substanŃe sunt glucide compuse care au în moleculă resturi de oze (2-8). Formarea oligoglucidelor are loc prin condensarea resturilor de monoglucide, cu eliminarea unei molecule de apă între două grupări hidroxilice, una dintre acestea fiind gruparea –OH glicozidică. Oligoholozidele sunt compuşi solizi, cu gust dulce, solubili în apă şi insolubili în solvenŃi organici. În urma procesului de hidroliză eliberează resturile monoglucidice constituente. Oligoholozidele se obŃin din monoglucide în urma unei reacŃii de condensare. În funcŃie de modul de legare al ozelor componente, se disting două clase: oligoglucide reducătoare şi oligoglucide nereducătoare. Dintre oligoglucide în natură cele mai răspândite sunt di-, tri – şi tetraglucidele. 1) Diglucide Dintre diglucide mai frecvent întâlnite sunt diglucidele hexozice (maltoza, lactoza, celobioza, zaharoza şi trehaloza) care se prezintă în continuare în funcŃie de prezenŃa sau absenŃa caracterului reducător. α) Diglucide reducătoare 4-[α-D-glucopiranozil]-DMaltoza are denumirea chimică glucopiranoza, având în moleculă două resturi de α-D-glucopiranoză legate în poziŃie 1-4. 6

CH2 H

5

6

OH O

CH2

H

H

H 4

OH

O

H

H

OH

H

3

2

H

5

OH

4

1

O

OH 3

H

OH

H 2

1

OH

OH

α – D – Glcp – (1- 4) - α – D – Glcp

În natură există în seminŃele de cereale. În procesele metabolice apare ca produs intermediar. Din punct de vedere chimic, maltoza este uşor solubilă în apă, putânduse oxida enzimatic până la glucoză. Deoarece fermentează uşor, se 34

descompune până la CO2 şi etanol. Maltoza reprezintă unitatea structurală de bază a amilozei din amidon. Lactoza are denumirea chimică 4-[β-D-galactopiranoză]-D-glucopiranoza fiind formată din resturi de β-D-galactopiranoză şi α-D-glucopiranoză legate 1-4 . CH 2

H

OH

H

H

OH

4

O

5

O

5

6

CH 2

OH

H

OH

O

3

1

2

OH

H 4

H

H

OH

H

2

3

H

1

H

OH

OH

β –3-17. D – Gal - α – D –structurală Glcp Fig. Lactoza – formula p – (1- 4) Lactoza este o substanŃă cristalină de culoare albă, solubilă în apă. Sub acŃiunea enzimei numită lactază hidrolizează până la monoglucidele constituente. În natură se găseşte în laptele mamiferelor, fiind substanŃa care conferă gustul dulce al acestuia. Lactoza se foloseşte în industria farmaceutică, ca şi excipient pentru comprimate. Celobioza este un diglucid care are în compoziŃie două resturi de βD-glucopiranoză legate 1-4. Are formula chimică 4-[β- D-glucopiranozil]-Dglucopiranoza. Acest compus se obŃine de la celuloză prin hidroliză parŃială, ulterior fiind descompusă până la β – glucoză.

6

6

CH 2

CH 2 OH H 4

OH

H

O

5

OH

H

H OH 3

H

O

5

OH

H 2

1

O

4

H

OH

OH

H

3

2

H

OH

1

H

β – D – Glcp – (1- 4) - β – D – Glcp Tot din clasa diglucidelor reducătoare, mai fac parte: genŃiobioza, melibioza şi rutinoza.

35

b) Diglucide nereducătoare Zaharoza este cea mai răspândită diglucidă din regnul vegetal. Se găseşte în cantităŃi mari în sfecla de zahăr şi în trestia de zahăr. Din punct de vedere chimic, zaharoza este solubilă în apă şi insolubilă în etanol. Formula chimică a zaharozei este 2-[α-D- glucopiranozil]-β-Dfructopiranoza. Prin încălzire la temperaturi ridicate, zaharoza se descompune, formând zahărul caramel. 6

CH2 OH O

5

H

H OH

4

6

O

H

CH 2 4

2

O

1

H

H

OH 1

2

3

OH

H2C

HO

H

5

3

H

OH

H

OH

OH

α – D – Glcp – (1- 2) - β – D – Fruf

Prin încălzire la temperaturi ridicate, zaharoza se descompune, formând zahărul caramel. Caramelizarea glucidelor este folosită pe scară largă în industria alimentară. Trehaloza are formula chimică 1[α-D-glucopiranozil]-D-glucopiranoza, fiind formată din două molecule de α-D-glucopiranoză legate în poziŃie 1-1. 6

CH2 5

H

O

H

H

2

H 4

OH

OH

H

3

2

H

OH

H

OH

1

1

OH HO

O O

OH

3

H

H 6

4

H2C 5

OH

H

α – D – Glcp – (1- 1) - α – D – Glcp Trehaloza a fost izolată din drojdia de bere, ciuperci, insecte, şi din bacilul tuberculozei. 2) Triglucide Triglucidele se găsesc în natură sub formă de glicozide. Ele se formează din trei resturi de monoglucide prin eliminarea de apă. Cele mai reprezentative triglucide sunt rafinoza şi genŃianoza.

36

6 H2C

HO

6 H2C

HO

OH

5

4

H OH

O

H 4 OH

O

1

H

H

2

O

3 H

H

HO

2

6 CH 2

O

H 1

H

3

H

O

5

H

2 OH

1 H2C

H

OH

5 H

3

OH

4

H

OH

OH

rafinoza 6

6

HO CH2 H

CH2 O

O

5

H

H 4

OH

O

O H

5

H H

OH

H

4

2

O

1

H

OH

5

H

OH

6

1

2

3

1

H

OH

H

OH

2

3

H

H2C

HO

3

H

OH

CH 2

4

OH

OH

genţianoza 3) Tetraglucide Aceşti compuşi există mai rar în natură în formă liberă, fiind produşi de hidroliză parŃială a poliglucidelor. Cele mai cunoscute sunt stahioza şi maltotetroza.

6 H2C

6 H2C

HO

OH 4

O

5

O

H

OH

O

5

H

O

OH

H

H

4 OH

1

OH

H 3

H

6 H2C

OH

H

3 H

6 CH 2

O O

2 OH

1 HO

H

2

H H

O

H 4 OH

1

3

2

5

1 H2C

2 OH

H

5 H

3

4 OH

H

OH

OH

stahioza 6

CH 2 H

5

O

CH 2

H

H

H 4

OH

OH 3

H

6

6

OH

5

CH 2

OH O

H

H

2

OH

4

1

O

OH 3

H

O

CH 2

H

H

H

H

H

5

6

OH

H 2

OH

4

1

O

H

3

2

maltotetroza

37

OH O

H

H

OH

H

5

OH

4

1

O

OH 3

H

H 2

OH

1

OH

Stahioza este formată din două resturi de α-D-galactopiranoză, unul de α-D-glucopiranoză, şi unul β-D-fructofuranoză. Maltotetroza conŃine în moleculă patru resturi de α-D-glucopiranoză. Compuşii din clasa oligoglucidelor au fost izolate în timpul hidrolizei poliglucidelor provenite din celulele vegetale şi animale. De asemenea, oligoglucidele se regăsesc în natură în fructe coapte. Concepte şi noŃiuni de reŃinut NoŃiuni: diglucide, triglucide, tetraglucide Dintre diglucide mai frecvent întâlnite sunt diglucidele hexozice (maltoza, lactoza, celobioza, zaharoza şi trehaloza) care se prezintă în continuare în funcŃie de prezenŃa sau absenŃa caracterului reducător. Triglucidele se găsesc în natură sub formă de glicozide. Ele se formează din trei resturi de monoglucide prin eliminarea de apă. Cele mai reprezentative triglucide sunt rafinoza şi genŃianoza. Tetraglucidele există mai rar în natură în formă liberă, fiind produşi de hidroliză parŃială a poliglucidelor. Cele mai cunoscute sunt stahioza şi maltotetroza. Concepte : diglucide reducătoare şi nereducătoare Oligoholozidele se obŃin din monoglucide în urma unei reacŃii de condensare. În funcŃie de modul de legare al ozelor componente, se disting două clase: oligoglucide reducătoare şi oligoglucide nereducătoare. Întrebări de autoevaluare, aplicaŃii 1. ExplicaŃi noŃiunea de caracter reducător şi nereducător al ozelor. DaŃi un exemplu pentru fiecare clasă. 2. DaŃi exemple de triglucide. 3. DaŃi exemple de tetraglucide. 4. DefiniŃi derivaŃii monoglucidelor.. 5. DaŃi un exemplu de aminoglucidă, acid uronic şi deoxiglucidă.

38

UNITATEA DE ÎNVĂłARE 5

POLIHOLOZIDE. PROPRIETĂłI GENERALE. GLICANI ŞI GLICOZAMINOGLICANI. HETEROZIDE. 2.1.2. POLIHOLOZIDE Poliholozidele sunt glucide superioare, macromolecule formate în urma unor reacŃii de condensare dintr-un număr mare de resturi de monoglucide şi derivaŃi monoglucidici. După structura chimică, poliholozidele se împart în două clase: a) poliholozide cu structură de glicani, care la rândul lor cuprind două clase: -Homopoliglucide (pentozani şi hexozani); -Heteropoliglucide care au în moleculă monoglucide şi derivaŃi ai acizilor uronici; b) poliholozide cu structură de glicozaminoglicani, care au în moleculă aminoglucide. Poliholozidele cu structură de glicani prezintă importanŃă morfologică şi fiziologică. Dintre acestea, unele au rol de susŃinere (celuloza în celulele vegetale, chitina în Ńesuturile animale), substanŃe de rezervă (amidonul – la plante, glicogenul la animale şi om). De asemenea, aceşti compuşi sunt folosiŃi în industria textilă, a hârtiei (celuloza) şi alimentară (amidonul). Poliholozidele cu structură de aminoglicani au importanŃă fiziologică, fiind constituenŃi de bază a unor componente din sistemele osteoarticular, circulator, respirator. Poliholozidele sunt substanŃe solide, de culoare albă, cristaline sau amorfe, cu masă moleculară mare, insolubile în apă rece dar solubile în apă caldă. -Hexozani (glucani, fructani, manani, galactani) -Homopoliglucide -Pentozani(arabani, xilani) -Glicani -formate din monoglucide Heteropoliglucide -formate din acizi uronici

Poliholozide

-GAG cu structurã omogenã -Glicozaminoglicani -GAG - Heparinici -GAG cu structurã neomogenã -Non-heparinici

39

Prin hidroliză poliglucidele se descompun până la monoglucidele constituente. În continuare sunt prezentate cele două clase de poliholozide. 2.1.2 1. Poliholozide cu structură de glicani Din această clasă de compuşi fac parte macromolecule care la hidroliză totală pun în evidenŃă compuşi identici sau diferiŃi. Această grupă de compuşi cuprinde două subgrupe: homopoliglucide şi heteropoliglucide. A) Homopoliglucide Sunt compuşi chimici cu răspândire în regnul vegetal şi animal. Din această grupă fac parte pentozanii şi hexozanii. 1) Hexozani Sunt homopoliglucide rezultate din policondensarea diferitelor hexoze. Din această grupă fac parte: glucani, fructani, manani şi galactani. a) Glucani Din această clasă fac parte poliglucidele de tip glicanic provenite din condensarea de α-D-Glcp sau β-D-Glcp. Din această categorie fac parte amidonul, glicogenul şi celuloza. Amidonul este un compus poliglucidic cu largă răspândire în regnul vegetal. Din punct de vedere structural, macromolecula de amidon este constituită din resturi de α-D-Glcp legate în poziŃie 1-4 şi 1-6. Amidonul se obŃine în urma procesului de fotosinteză. Biosinteza amidonului este urmată de o descompunere a acestuia până la glucoză, sub această formă fiind transportat la Ńesuturi, resintetizat şi depozitat tot sub formă de amidon. Dintre sursele de amidon putem aminti: seminŃele de grâu, orez, porumb, fasole, tuberculii de cartofi, frunze de lucernă. În Ńesuturile vegetale se află sub formă de granule cu formă şi mărime variabilă. În stare pură amidonul este o pulbere albă, amorfă, higroscopică. Este insolubil în apă rece şi solubil în apă caldă, formând o dispersie coloidală care la răcire formează un gel. Amidonul este constituit din amiloză şi amilodextrină. Reprezentarea celor două componente din molecula amidonului este redată în fig. 3-24. Amiloza reprezintă 20-30% din masa granulei de amidon, şi din punct de vedere structural conŃine resturi de α – D – Glcp unite prin legături 1-4. Amiloza are o structură liniară, unitatea structurală a acesteia fiind maltoza. Amilopectina este componenta principală a granulei de amidon. Aceasta este formată din resturi de α – D – Glcp unite prin legături glicozidice 1-4 şi 1-6. Amilopectina are o structură ramificată, legăturile 1-4 glicozidice situându-se pe fragmentul liniar, iar cele 1-6 glicozidice pe fragmentul ramificat (fig. 5-24). Cea mai importantă reacŃie a amidonului este hidroliza, în urma căreia se formează α-D-Glcp. Procesul de hidroliză are loc în trepte, iniŃial, rezultând compuşi macromoleculari numiŃi dextrine, apoi maltoza, şi în final glucoza. O importanŃă deosebită prezintă hidroliza enzimatică a amidonului. Enzimele care intervin în acest proces sunt α – şi β – amilazele. α– amilazele scindează legăturile glicozidice 1-4 din molecula de amiloză şi amilopectină. Ele sunt prezente în salivă şi sucul pancreatic. În 40

urma hidrolizei se obŃine diglucidul maltoză, care sub acŃiunea enzimei maltaza se descompune până la glucoză. β – amilazele – prezente în seminŃe scindează complet amiloza şi parŃial aminopectina . Acest proces de degradare hidrolitică prezintă importanŃă pentru alimentaŃie, mucoasa intestinală fiind traversată doar de glucoza obŃinută ca produs final . În natură, amidonul se formează în plantele verzi în urma procesului de fotosinteză, fiind vehiculat în diverse Ńesuturi, resintetizat şi depus tot ca amidon. În seminŃe se acumulează în diferite cantităŃi (ex: în grâu, 63-67%, în orez 70-80%, în porum 60-66%). În tuberculi la cartofi, procentul de amidon este de 13-25%, iar în frunzele de lucernă de 0,55-0,35%. Pe lângă utilizarea amidonului în alimentaŃie acesta are utilizări în industria fermentativă, farmaceutică, textilă, etc. Glicogenul este o poliglucidă omogenă care are în moleculă resturi de α-D-Glcp. Acest compus este un poliglucid de rezervă din organismul omului şi al animalelor, fiind depozitat în cantităŃi mai mari în muşchi şi ficat. Din punct de vedere structural glicogenul este asemănător cu amilopectina, având în moleculă legături glicozidice 1-4 şi 1-6, ramificaŃiile fiind mult mai frecvente. Celuloza este poliglucidul cu cea mai mare răspândire în natură, fiind principalul constituent al pereŃilor celulelor vegetale. ConŃinutul în celuloză variază în funcŃie de produsul vegetal: în bumbac (99,8%), în lemn (30-50%). Celuloza este o pulbere amorfă, de culoare albă, fără gust şi miros, insolubilă în apă şi solvenŃi organici. Din punct de vedere structural, celuloza este formată din resturi de βD-Glcp legate 1-4, catena având o catenă lineară. În funcŃie de gradul de provenienŃă al celulozei, gradul de polimerizare al acesteia este diferit. Hidroliza celulozei are loc în mai multe etape, sub acŃiunea celulazei, obŃinându-se iniŃial celotetroza, celotrioza, celobioza şi în final β-D-Glcp.

5

H

CH2

OH O

H

OH

OH

H

3

2

H

5

CH2

OH O

H

OH

4

1

5

CH2

OH O

H

OH

H

3

2

1

O

4

OH

H

3

2

H

H

OH

4

1

O

OH

OH

H

3

2

1

O

O H

5

OH

H

H

H

H 4

6

6

6

CH2

H

OH

H

H

OH

Celuloza (fragment din macromoleculă) PrezenŃa celulozei în alimentaŃia omului este importantă pentru fiziologia aparatului digestiv, aceasta fiind implicată în stimularea peristaltismului intestinal pentru o eliminare rapidă a toxinelor din organism. Celuloza este utilizată ca materie primă în industria textilă, a hârtiei, şi a fibrelor artificiale. 41

b) Fructani Fructanii sunt poliglucide rezultate în urma condensării β-D-Fruf, compusul reprezentativ fiind inulina. c) Manani Mananii sunt poliglucide de tip glucanic care conŃin în moleculă resturi de D-manopiranoză, legate 1-4. Aceşti compuşi au fost izolaŃi din seminŃe ale plantelor, învelişul sâmburilor de fructe, lemnul coniferelor. d) Galactani Aceşti compuşi sunt răspândiŃi preponderent în regnul vegetal. Din punct de vedere structural sunt poliglucide care conŃin resturi de β-D-Galp, legate 1-4. Galactanii sunt substanŃe de rezervă, fiind constituenŃi ai pereŃilor celulelor vegetale, fiind de asemenea, alături de pectine substanŃe de rezervă. 2) Pentozani Pentozanii se obŃin în urma policondensării pentozelor. Cele mai răspândite homopoliglucide sunt derivaŃii de aldopentoze: arabanii şi xilanii. B) Heteropoliglucide Heteropoliglucidele sunt compuşi macromoleculari neomogeni constituiŃi din macromolecule de neomogeni, constituiŃi din diferite molecule de monozaharide. Din această categorie fac parte: heteropoliglucide cu conŃinut de monoglucide (derivaŃi de pentoze şi hexoze) şi heteropoliglucide cu conŃinut de acizi uronici Compuşii reprezentativi din fiecare clasă sunt prezentaŃi succint în continuare. 1) Heteropoliglucide cu conŃinut de monoglucide Din această categorie fac parte hemicelulozele, materiile pectice, gumele, mucilagiile, etc. a) Hemicelulozele se găsesc alături de celuloză în Ńesuturile vegetale, iar separarea de aceasta se realizează prin dizolvare în soluŃii alcaline. Hemicelulozele au rol de susŃinere, fiind şi substanŃe de rezervă. Datorită structurii chimice complexe, la hidroliza totală se obŃin pentoze (L-arabinoza), hexoze (D-manoza, D-galactoza, D-glucoza) şi metilpentoze (L-ramnoza). În funcŃie de masa moleculară, hemicelulozele pot fi uşor hidrolizabile (având rol de rezervă în celule) şi greu hidrolizabile, (cu rol de susŃinere). În natură, aceşti compuşi intră în structura pereŃilor celulari la plante, iar în industrie sunt folosiŃi în industria hârtiei, şi în cea de obŃinere a drojdiilor furajere. b)Agar - agar este o heteropoliglucidă izolată din membrana celulară a unor specii de alge roşii. Molecula de agar – agar este formată din agaroză şi agaropectină. Agaroza are în compoziŃie resturi de D-galactopiranoză, iar agaropectina mai conŃine pe lângă acestea şi resturi de acid uronic. Gelul obŃinut din agaroză este folosit pentru electroforeză, sau pentru cromatografia pe coloană, în industria alimentară la prepararea îngheŃatei,a jeleurilor, în industria berii şi la obŃinerea hârtiei. 2) Heteroglucide cu conŃinut de acizi uronici Din această clasă de compuşi fac parte: pectinele, gumele, mucilagiile, acidul alginic, carragenina. 42

a) Pectinele sunt poliglucide neomogene care au în moleculă acizi uronici. Aceşti compuşi au fost izolaŃi din regnul vegetal : din fructe (mere, gutui, struguri, zmeură), în rădăcinile tinere. Din punct de vedere chimic, moleculele de pectine au în compoziŃie acid pectic, D-galactani, L-arabani şi mai rar D-xilani. Acidul pectic este format din resturi de acid D-galacturonic normal sau esterificat cu alcool metilic la atomul de carbon din poziŃia 6. 6

COOH

H

O 4

H

H H

3

2

O

2

3 4 OH

1

OH

H

H

H

OH

H

O 1

H H

O 6

OH

CO-CH3

Legarea moleculelor de acid se face în poziŃie 1-4. Structura acidului pectic este prezentată anterior. Acidul pectinic se formează prin esterificarea grupărilor hidroxil libere de la acidul pectic cu alcool metilic. Pectinele sunt folosite în industria alimentară la fabricarea gemurilor şi marmeladelor, cărora le conferă consistenŃă de gel. De asemenea, pectinele sunt folosite în industria cosmetică, ca şi agenŃi stabilizatori în fabricarea cremelor. b) Gumele sunt substanŃe provenite din fructe şi din coaja arborilor şi sunt apărute în urma acŃiunii microorganismelor sau a unor leziuni. În urma hidrolizei se obŃin pentoze, hexoze, metilpentoze, acizi hexuronici. În funcŃie de compoziŃia lor, gumele se divid în trei clase: α) heteropoliholozide acide uronice care au în moleculă acizi uronici (acid glucuronic, acid galacturonic). Din această clasă face parte şi guma arabică care este folosită ca şi material de lipit sau ca apret în industria textilă; β) heteropoliholozide acide sulfonate care se găsesc în alge marine; γ) heteropoliholozide neutre care se găsesc în seminŃele unor plante sau în tuberculi. c) Mucilagiile sunt înrudite cu gumele, fiind răspândite în majoritatea organelor vegetale: seminŃe, scoarŃa de copac, separarea mucilagiilor de gume fiind dificilă. Mucilagiile pot fi extrase prin precipitare cu alcool. În funcŃie de natura chimică şi de proprietăŃi, mucilagiile se clasifică în trei categorii: α) heteropoliholozide acide prezente la plante care produc gume; β) heteropoliholozide neutre care se găsesc la plante leguminoase; γ) amiloizii cu heteropoliholozide acvasolubile care sunt izolate din cereale. a) Acidul alginic a fost izolat din algele marine brune. Din punct de vedere structural este asemănător cu acidul pectic 43

Acidul alginic este folosit în prostetică şi stomatologie şi în farmacie, fiind ingredient în numeroase produse farmaceutice. De asemenea alginatul de calciu este folosit cu succes în preparate farmaceutice folosite pentru tratamentul arsurilor. 6

COOH

O 4

H

H

H

H

H

H 1

OH

OH

3

2

H

4

O

2

3

OH

O

OH 1

H H

O 6

H

COOH

În industria alimentară acidul alginic este folosit la prepararea supelor instant şi a jeleurilor. b) Carragenina este un compus izolat dintr-un mucilagiu provenit de la algele roşii. Din punct de vedere structural, carragenina este alcătuită din resturi de 3,6 – anhidro-β-D-galactopiranoză şi β-D-galactopiranoză-4-sulfat. 6

CH2 HO3S

O

5

6

OH

CH2

H HO3S O

O

H 4

4

1

H 3

H

O

H

H

O H

5

OH

2

H

OH

H 3

H

2

1

O

OH

Acest compus este folosit în industria alimentară la prepararea îngheŃatei, a sosurilor, a berii, a preparatelor din carne (paté), în industria cosmeticelor la fabricarea pastei de dinŃi, a odorizantelor, a şampoanelor, dar şi în industria farmaceutică, ca şi excipient pentru comprimate şi tablete. 2.1.2.2. Poliglucide cu structură de glicozaminoglicani Glicozaminoglicanii sunt compuşi care au în moleculă aminoglucide. În natură au fost decelaŃi din Ńesutul conjunctiv şi din Ńesutul epitelial al organismelor animale. Din punct de vedere structural, glicozaminoglicanii au molecula formată din „unităŃi diglucidice”, care sunt reprezentate de un derivat monoglucidic aminat (glucozamina sau galactozamina), şi de un derivat monoglucidic de natură acidă (acidul glucuronic, acidul iduronic). Rolul biologic al glicozaminoglicanilor este reprezentat de capacitatea acestora de a fixa apa, formând o substanŃă cu rol de substanŃă fundamentală care se găseşte în Ńesutul conjunctiv, în secreŃiile mucoase şi în lichidul sinovial.

44

În organism aceşti compuşi au rol plastic, fiind constituenŃi ai Ńesuturilor conjunctiv şi cartilaginos, dar şi rol fiziologic: intervin în metabolismul hidro-electrolitic, coagularea sângelui, reacŃii imune. Având la bază structura chimică glicozaminoglicanii pot fi clasificaŃi în glicozaminoglicani neutri (chitina), acizi (acid sialic); în funcŃie de rolul biologic pot fi: cu structură omogenă (chitina, acidul sialic) şi neomogeni (acid hialuronic, heparină, acizi condroitin – sulfonici). A) Glicozaminoglicani cu structură omogenă Aceşti compuşi se mai numesc şi mucopoliglucide omogene, şi sunt reprezentaŃi de chitină şi acid sialic. Chitina are structura chimică similară celulozei, avînd în moleculă resturi de N-acetil-glucozamină legate 1-4 HO

HO - H 2C

H2C

O

O H 4

H OH

H 1

O

H

H OH

H

3

2

H

2

3

O

4

H

NH

H

CO

1

H

NH

CH 3

CO

CH 3

Chitinele sunt pulberi albe, insolubile în apă, acizi sau baze slabe. Chitina este un polimer natural care se decompune sub acŃiunea unor enzime numite chitinaze secretate de bacterii şi fungi. În natură se găseşte în carapacea crustaceelor, în exoscheletul artropodelor, şi la unele ciuperci. Acidul sialic este constituit din resturi de acid neuraminic-N-acetilat, legate prin legături 2-4. Sub acŃiunea enzimei neuraminidază are loc scindarea resturilor de acid N – acetilneuraminic. OC H

H3C

6

HN H H3C

5

6

O CH CH

5

9

CH 2

H H

O

7 8

4

OH

O

CH

OH

8CH

OH

9 CH

OH

H H

OC HN

O 7

4

2

2

H

3

1

COOH

H

OH

2

OH

H 3

1

COOH

H

Acidul sialic intră în compoziŃia glicoproteinelor numite sialoproteine, fiind component al membranelor celulare şi facilitând pătrunderea particulelor virale în celulă. B) Glicozaminoglicani cu structură neomogenă Aceşti compuşi au în moleculă resturi de acid uronic (acid glucuronic sau iduronic) şi un rest de aminoglucidă (glucozamina sau galactozamina) N-acetilată sau sulfonată, legate în poziŃie 1-4. Aceste unităŃi diglucidice se leagă în poziŃie 1-3 sau 1-4. Glicozaminoglicanii cu structură neomogenă se împart în patru clase: 45

1) Glicozaminoglicani heparinici 2) Glicozaminoglicani non-heparinici 3) Imunopoliglucide 4) Glicozaminoglicani cu specificitate pentru grupele sanguine Principalele caracteristici ale acestor grupe de compuşi sunt prezentate în continuare. 1) Glicozaminoglicani heparinici Din această clasă face parte heparina şi heparan – sufatul. a) Heparina este un glicozaminoglican care are în moleculă acid glucuronic sulfonat la atomul de carbon C2 şi glucozamină sulfatată la C6 şi C2.UnităŃile diglucidice din compoziŃia heparinei nu realizează însă o alternanŃă perfectă, legăturile între fragmentele diglucidice putând fi 1-6 sau 1-3. CH2

COOH O H

H 4

H OH

O

H

H 4 OH O

2

H

H

H

1

GlcUA

1

H

O

2

SO3H

O

SO3H

O

H

α (1-4)

NH

CO

CH3

GlcNAC

Heparina este o substanŃă naturală care a fost izolată din celule numite bazofile şi mastocite localizate în ficat, pulmon şi muşchi. Acest compus are acŃiune anticoagulantă fiind folosită în medicină, în caz de infarct miocardic, precum şi în caz de tromboze şi embolii. 2) Glicozaminoglicani non-heparinici Din această clasă de compuşi fac parte acidul hialuronic, condroitinsulfaŃii, dermatan- sulfatul, keratan-sulfatul. Aceştia au în moleculă hexoze, hexozamine şi acizi derivaŃi de la hexoze (acid glucuronic, acid iduronic), modul de legare al acestora în cadrul fragmentului diglucidic fiind diferit. a) Acidul hialuronic Din punct de vedere chimic acesta are o unitate diglucidică de bază reprezentată de acidul hialurobionic care este format din acid β-D-glucuronic (GlcUA) şi N-acetilglucozamina (GlcNAC), legate 1-3.

O

H H 4 OH

H

OH

CH2

COOH H O

H

1

2

H

4 OH

OH

H H 3

H

GlcUA

β (1-3)

2

1

H

NH

CO

CH3

GlcNAC

Acidul hialuronic mai este cunoscut şi sub denumirea de „substanŃă fundamentală”, fiind componentul major aflat în compoziŃia Ńesutului epitelial, 46

având rol important în procesele de reparare ale destrucŃiilor tisulare. De asemenea este un component al Ńesutului conjunctiv, al lichidului sinovial, al celulelor canceroase. Acidul hialuronic are multiple aplicaŃii, datorită biocompatibilităŃii sale ridicate şi a prezenŃei sale în matricea extracelulară, fiind folosit în bioinginerie, în obŃinerea de biomateriale. De asemenea, este folosit cu succes în chirurgia oftalmologică în transplantul de cornee, precum şi în tratarea afecŃiunilor osteoarticulare. b) Condroitin – sulfaŃii sunt glicozaminoglicani care au în moleculă acid β-D-glucuronic (GlcUA) şi esteri sulfurici ai N -acetilgalactozaminei (GalNAC) legaŃi în poziŃie 1-3. Între unităŃile diglucidice legarea se face 1-4. c) Dermatan sulfatul Acest compus are în moleculă acid iduronic şi N-galactozamina sulfonată în poziŃia 4. Legarea celor două resturi în fragmentul diglucidic este în poziŃiile 1-3. Acest compus a fost izolat din piele, valve cardiace, vase de sînge şi pulmon. CantităŃi crescute de dermatan sulfat sunt asociate cu anumite afecŃiuni determinate de tulburări ale metabolizării glicozaminoglicanilor. 6

6

CH2

H

4

HO 3S

O

H

COOH 1 OH H

OH

O

O

H

4

H

1

2 H structurală H –3formula 2 H Dermatan sulfat

H

OH

H

IdUA

NH

CO

CH3

β (1-3) GalNAC

Izolarea condroitin-sulfaŃilor şi dermatan sulfatului precum şi elucidarea structurii acestora a fost posibilă în urma hidrolizei enzimatice, folosindu-se enzime bacteriene. d) Keratan sulfaŃii Din punct de vedere structural aceşti compuşi sunt formaŃi din β-D-galactoză şi N-acetil glucozamina sulfatată în poziŃia 6. Legarea între unităŃile constituente ale fragmentului diglucidic se realizează în poziŃie 1-4, iar legarea fragmentelor diglucidice se face în poziŃia 1-3. 6

6

HO

HO 3S

CH2

OH 4

H

3

CH2

H

O H

O

H

1

2

H

O

4

H OH 3

H 2

1

H

Keratan-sulfat – formula structurală H

OH

Gal

47

H

β (1-4)

NH

CO

GlcNAC

CH3

3) Imunopoliglucide Aceşti compuşi prezintă imunospecificitate, fiind reprezentate de glicozaminoglicani care au în moleculă hexoze, acizi uronici, aminohexoze, şi mai rar pentoze şi metilpentoze. În organism acestea se află legate de lipide şi protide, constituindu-se sub formă de complexe cu caracter specific antigenic. Specificitatea imunopoliglucidelor este condiŃionată de tipul de bacterii (gram-pozitive sau gram-negative). Astfel, în cazul bacteriilor gram-negative, poliglucidul specific este acidul celobiuronic format din resturi de acid-D-glucuronic şi D-glucoză. În cazul bacteriilor gram-negative poliglucidele prezintă structuri diferite de la o bacterie la alta. Sub acŃiunea lizozimului decelat din albuş de ou, salivă, mucus nazal, are loc scindarea poliglucidelor bacteriene. HOOC

H

O

H

H O

H 4

OH

OH

O

H H

4

1

OH

H

1

H H

HO

OH

O

O

CH2

Acid celobiuronic - formula structurală 4) Glicozaminoglicani specifici grupelor sanguine Din punct de vedere chimic au în moleculă hexoze, aminoglucide, şi metilpentoze. Aceşti compuşi sunt legaŃi de o polipeptidă formată din 11 aminoacizi care este identică pentru toate grupele sanguine. La om există patru grupe sanguine: O I, A –II, B-III şi AB-IV. Conform legilor mendeliene, caracterele de grup sanguin se transmit ereditar. Factorul Rh este un alt aglutinogen existent în organismul uman şi al maimuŃelor Macaccus Rhesus. O proporŃie de 85% din populaŃia umană are factorul Rh, fiind considerate Rh (+), restul fiind Rh (-). Poliglucidele specifice grupelor sanguine prezintă importanŃă în fiziologie şi fiziopatologie şi în imunologie. 2.2. HETEROZIDE Heterozidele sunt substanŃe chimice care au în compoziŃie o componentă proteică reprezentată de oze sau oligoholozide şi o componentă neglucidică sau aglicon. În regnul vegetal heterozidele au fost izolate de la plante, din rădăcini, tulpini, frunze, flori, fructe şi seminŃe, iar de la animale au fost izolate din lichide biologice şi de la nivel tisular. 48

Heterozidele pot fi considerate substanŃe biologic-active, putând ajunge în organismul uman prin aport alimentar, prin produse farmaceutice, dar şi accidental, sub formă de substanŃe toxice. După compoziŃia chimică heterozidele sunt clasificate după cum urmează: - O - heterozide care se formează în urma condensării cu un hidroxil alcoolic, fenolic, sterolic sau heterociclic; - S-heterozide rezultate în urma condensării cu tioli; - N-heterozide rezultate în urma condensării cu grupări aminice provenite de la compuşi organici. Componenta glucidică este reprezentată de D-glucopiranoza, D-galactopiranoza, L-ramnopiranoza, D-ribofuranoza. Heterozidele sau glicozidele îndeplinesc funcŃii multiple în organismele vii. În plante, acestea sunt stocate în formă inactivă, ulterior, sub acŃiunea enzimelor are loc scindarea legăturilor chimice cu eliberarea principiilor active. 2.2.1. O-heterozide Această clasă de heterozide se obŃine prin condensarea grupării –OH glicozidic provenit de la o glucidă, cu gruparea –OH de la aglicon. În funcŃie de natura agliconului O-heterozidele se clasifică în următoarele clase: a) alifatice; b) aromatice (fenolice, cianogenetice, antracenice); c) sterolice; d) heterociclice. 2.2.2. S-heterozide În urma procesului de hidroliză enzimatică a acestor compuşi rezultă senevol, D-glucoză şi anionul sulfat. Sub acŃiunea enzimei mirozinaza are loc modificarea structurii reale a glicozidelor cu sulf, şi în urma unei transpoziŃii rezultă compuşii menŃionaŃi anterior.

S-glicozid mirozinaza

R-C N-OSO3-

+H2O

R-N=C=S + D-Glcp + HSO4 (II) (III) (IV)

(I) În natură aceşti compuşi au fost izolaŃi din seminŃe şi rădăcini ale unor plante din familia Crucifere, Liliaceae şi Leguminosae. Senevolii care rezultă în urma hidrolizei sunt compuşi aromatici, saturaŃi sau nesaturaŃi. Compusul reprezentativ al acestei clase de heterozide este sinigrina, izolată din seminŃele de muştar negru (Sinapis nigra).

H2C= CH-CH2 -N =C=S Din punct de vedere structural, are în moleculă un rest de propenilsenevol, substanŃă cu miros de muştar, sulfat acid de potasiu şi β-D-Glcp. 2.2.3. N-Heterozide Această clasă de heterozide este reprezentată de compuşi formaŃi în urma condensării componentei glucidice cu derivaŃi aminaŃi. Compuşii 49

reprezentativi ai N-heterozidelor se formează prin condensarea D-ribozei cu nucleobaze purinice şi pirimidinice şi prezintă importanŃă pentru biotehnologii şi biologia moleculară. În general, heterozidele provenite din regnul vegetal prezintă importanŃă din punct de vedere nutriŃional şi farmacologic datorită proprietăŃilor biologic-active. Astfel, heterozidele izolate de la plantele din genul Digitalis au acŃiune cardiotonică, fiind utilizate ca produse farmaceutice. Glicozidele provenite de la unele specii de plante (liliac, iasomie), sunt extrase alături de uleiurile esenŃiale prezente în compoziŃia acestora. De asemenea, heterozidele antocianice fragarina, malvina şi oenina sunt folosite ca pigmenŃi de culoare, iar glicozida flavonică rutina este un component al vitaminelor P. Unele heterozide însă se remarcă prin efectele toxice. Dintre acestea putem menŃiona amigdalina şi vicianina. Concepte şi noŃiuni de reŃinut - poliholozidele sunt glucide superioare, macromolecule formate în urma unor reacŃii de condensare dintr-un număr mare de resturi de monoglucide şi derivaŃi monoglucidici. - glicozaminoglicanii sunt compuşi care au în moleculă aminoglucide. În natură au fost decelaŃi din Ńesutul conjunctiv şi din Ńesutul epitelial al organismelor animale.Din punct de vedere structural, glicozaminoglicanii au molecula formată din „unităŃi diglucidice”, care sunt reprezentate de un derivat monoglucidic aminat (glucozamina sau galactozamina), şi de un derivat monoglucidic de natură acidă (acidul glucuronic, acidul iduronic).Rolul biologic al glicozaminoglicanilor este reprezentat de capacitatea acestora de a fixa apa, formând o substanŃă cu rol de substanŃă fundamentală care se găseşte în Ńesutul conjunctiv, în secreŃiile mucoase şi în lichidul sinovial. - heterozidele sunt substanŃe chimice care au în compoziŃie o componentă proteică reprezentată de oze sau oligoholozide şi o componentă neglucidică sau aglicon. Componenta glucidică este reprezentată de D-glucopiranoza, D-galactopiranoza, Lramnopiranoza, D-ribofuranoza.

1. 2. 3. 4.

Întrebări de autoevaluare, aplicaŃii, probleme Care este structura amidonului? DaŃi exemple de glicozaminoglicani cu structură omogenă. DaŃi exemple de glicozaminoglicani cu structură omogenă? Care sunt principalele clase de heterozide?

50

UNITATEA DE ÎNVĂłARE 6

BIOCONSTITUENłI AI MATERIEI VII:LIPIDE PREZENTARE GENERALĂ. CLASIFICAREA LIPIDELOR. PRECURSORI STRUCTURALI. 1. PREZENTARE GENERALĂ Lipidele sunt bioconstituenŃi cu largă răspândire în organismele vii, care au ca şi proprietate comună hidrofobicitatea şi insolubilitatea în apă, şi respectiv solubilitatea în solvenŃi organici. Încă din antichitate lipidele au mai fost numite şi grăsimi, materii grase, lipide, etc. Rolul lipidelor: - bioconstituenŃi ai membranelor celulare, organitelor şi citoplasmei (intervin în mecanismele de transport transmembranar) - sunt substanŃe de rezervă cu valoare calorică ridicată, având rol important în alimentaŃie; - în industrie se foloseşte la prepararea medicamentelor, a produselor cosmetice, a uleiurilor şi a vopselelor. 2.NOMENCLATURA LIPIDELOR Termenul de lipide provine din gr. – lipos. 2. CLASIFICAREA LIPIDELOR

Simple

Gliceride Ceride Steride Etolide

LIPIDE

Glicerofosfolipide Complexe Sfingolipide 4. PRECURSORI STRUCTURALI AI LIPIDELOR Din categoria precursorilor structurali lipidici fac parte: acizii graşi şi compuşi hidroxilici, şi acidul fosforic. a) Acizii graşi – sunt compuşi cu număr par de atomi de carbon, care se pot clasifica în funcŃie de mai multe criterii: - forma catenei: lineară, ramificată, ciclică - tipul de legături: simple, duble, duble conjugate - după natura grupărilor funcŃionale existente în catenă: hidroxiacizi, cetoacizi, epoxiacizi. 51

1. Acizii graşi cu catena liniară – sunt acizi organici care au în moleculă 4-32 atomi de carbon, cu următoarea formulă generală:

H3C (CH2) COOH n În continuare se prezintă formula structurală a unor acizi graşi cu catenă liniară. Tabel 1. Acizi graşi cu catenă liniară Nr. de atomi de C

Denumire uzuală

Denumire chimică

Formula structurală

4

Acid butiric

Acid n-butanoic

H3C (CH2) COOH 2

6

Acid capronic

Acid n-hexanoic

H3C (CH2) COOH 4

8

Acid caprilic

Acid n-octanoic

H3C (CH2) COOH 6

10

Acid caprinic

Acid n-decanoic

12

Acid lauric

Acid n-dodecanoic

H3C (CH2)8 COOH H3C (CH2) COOH

14

Acid miristic

Acid n-tetradecanoic

H3C (CH2)12 COOH

16

Acid palmitic

Acid n-hexadecanoic

18

Acid stearic

Acid n-octadecanoic

H3C (CH2)14 COOH H3C (CH2)16 COOH

20

Acid arahic

Acid n-eicosanoic

H3C (CH2)18 COOH

10

Starea de agregare a acizilor graşi cu catenă liniară este în mare parte solidă, excepŃie făcând acizii butiric, capronic şi caprilic care sunt lichide. În produsele de origine vegetală predomină acidul palmitic, iar în cele de origine animală predomină acidul stearic şi acidul miristic. 2. Acizii graşi cu catenă ramificată Aceştia pot fi izolaŃi din microorganisme, dar pot rezulta şi în urma proceselor de biodegradare a aminoacizilor. CâŃiva compuşi reprezentativi sunt prezentaŃi în tabelul 2. Tabel 2. Acizi graşi cu catenă ramificată Nr. de atomi de C

Denumire uzuală

4

Acid izobutiric

5

Acid izovalerianic

14

Acid izomiristic

19

Acid tuberculostearic

Denumire chimică Acid 2 metil propanoic Acid 3-metil butanoic Acid 12-metiltridecanoic Acid 10-metiloctadecanoic

Formula structurală

H3C CH(CH3) COOH H3C CH(CH3) CH2 COOH

H3C CH(CH3)

(CH2)10 COOH

H3C (CH2) CH (CH3) (CH2)8 COOH 7 52

3. Acizii graşi nesaturaŃi aciclici Acizii graşi esenŃiali menŃin o concentraŃie normaă a colesterolului, previn fragilitstea vaselor capilare, stimulează ovulaŃia. Aceştia sunt acizi monocarboxilici care au în moleculă una sau mai multe legături duble. Această clasă de acizi graşi este importantă, deoarece compuşii din aceată categorie nu pot fi sintetizaŃi în cantităŃile necesare de către organism, şi este necesar aportul exogen, din acest motiv ei numindu-se şi acizi graşi esenŃiali. În tabelul 3 sunt prezentaŃi cei mai cunoscuŃi acizi graşi nesaturaŃi: Tabel 3. Acizi graşi nesaturaŃi aciclici Nr. de atomi de C

Denumire uzuală

Denumire chimică

18

Acid oleic

18.1 ∆

9

H3C (CH2) CH 7

18

Acid linoleic

18.2 ∆

9,12

H3C (CH 2)4 CH

18

Acid linolenic

18.3 ∆

9,12,15

20

Acid arahidonic

20.4∆

Formula structurală

H3C

(CH2) COOH 7

CH

CH

CH2 CH

CH

(CH 2)

7

COOH

(CH2 CH CH )3 (CH2) COOH 7

H3C (CH2)4 (CH2 CH CH )4 (CH2)2 COOH

5,8,11,14

4. Acizii graşi ciclici saturaŃi sunt izolaŃi din microorganisme şi Ńesuturi animale, iar acizii graşi ciclici nesaturaŃi sunt izolaŃi din Ńesuturi vegetale. Acizii graşi ciclici sunt reprezentaŃi de compuşii care au în moleculă 20 de atomi de carbon, cu una sau mai multe legături duble, care poartă denumirea de prostaglandine. Prostaglandinele au multiple funcŃii fiziologice care au fost izolate din lichidul seminal, şi sunt implicate în contractarea sau relaxarea musculaurii netede a intestinului şi a uterului. Nr. de atomi de C

Denumire uzuală

Denumire chimică

19

Acid lactobacilic

11,12-metilen

Formula structurală H3C

(CH2) CH CH 5

(CH2) COOH 9

CH2

21

Acid tuberculostearic

9,10metileicosanoic

Acid malvalic

8,9-metilen- ∆ octadecenoic

9

18

H3C

(CH2)9 CH CH

(CH2) COOH 7

CH2

H3C (CH2)7 C

C

(CH2) COOH 6

CH2 9

19

Acid sterculic

9,10-metilen- ∆ octadecenoic

H3C (CH2)7 C

C (CH2)7 COOH CH2

5. Acizii graşi cu funcŃiuni secundare sunt reprezentaŃi de hidroxi- şi cetoacizi graşi, din care categorie reprezentanŃii sunt redaŃi mai jos. 53

Nr. de atomi de C

Denumire uzuală

Denumire chimică

Formula structurală

12

Acid sabinic

12-hidroxilauric

HO CH2 (CH 2) COOH

21

Acid α-hidroxipalmitic

2hidroxitetradecanoic

H3C (CH2) CH COOH 11

24

Acid α-hidroxinervonic

2-hidroxi- ∆ tetracosenoic

10

15

OH H3C (CH2)5 CH

CH

CH (CH2)7 COOH

OH

În grupa acizilor graşi cu funcŃiuni secundare se poate include şi carnitina. + N(CH3)3

CH2

HO CH

CH2 COO -

b) Compuşii hidroxilici sunt precursori structurali ai lipidelor, alături de acizii graşi. Aceştia pot fi clasificaŃi după cum urmează: - după structura compusului de bază: gliceroli, steroli sau derivaŃi de sfingozină; - după numărul de grupări hidroxilice : polialcooli, steroli, aminoalcooli. 1. Polialcoolii sunt reprezentaŃi de glicerol şi inozitol OH

OH

OH H

1

H

OH

H2C OH 2

HC

H

OH

OH

OH

H

H

H

3

H2C OH glicerol

inozitol

2. Monoalcooli alifatici superiori Aceştia au în moleculă un număr par de atom de carbon mai mare ca 10, cu formula structurală: H3C (CH2) OH n Nr. de atomi de C

Denumire uzuală

Denumire chimică

Formula structurală

16

Alcool ntetradecanoic Alcoool cetilic

Alcool n-hexadecanoic

H3C (CH2) OH 14

18

Alcool arahic

Acid n-oeicodanoic

H3C (CH2) OH 19

14

-

54

H3C (CH2) OH 13

3. Sterolii sunt alcooli superiori care au structura de bază reprezentată de steran, care este un tetraciclu, format din trei hexacicluri şi un pentaciclu, având 17 atomi de carbon, şi denumirea de ciclopentanoperhidrofenantren.

C A

D

B

steran Sterolii reprezentativi sunt colesterolul, şi colestanolul, care sunt derivaŃi de la colestan (sterol cu 27 de atomi de carbon în moleculă).

C 3

A

D

B

5

HO colesterol Colesterolul este prezent în celulele şi lichidele din organism: în creier, gălbenuş de ou, sânge,grăsime subcutană, fiind un compus extrem de important pentru reglarea permeabilităŃii membranelor celulare pentru lichide. Perturbarea homeostaziei colesterolului induce apariŃia fenomenelor de ateroscleroză, ca urmare a hipercolesterolemiei. De asememenea, colesterolul este precursorul altor compuşi steroizi, acizi biliari, sau vitaminei D. C H HO

3

A

D

B

5

H

colestanol Colestanolul se formează prin hidrogenarea colesterolului. 4. Aminoalcoolii sunt reprezentaŃi de sfingozina şi derivaŃi şi de colamina şi derivaŃi.
Sfingozina este un compus chimic cu denumirea ∆4 – sfingogenina, sau 1,3-dihidroxi-2-amino-∆4-octadecen, fiind un aminoalcool izolat din lipidele complexe numite sfingolipide.

55

H3C

(CH2) CH 12

CH

CH

CH

OH

NH 2

CH2 OH

sfingozina
Colamina sau etanolamina (1-amino-2-hidroxietan) este un compus care a fost izolat din glicerofosfolipidele din Ńesuturi (cefaline). Dintre derivaŃii colaminei putem aminti: colina – derivat trimetilat şi serina – hidroxiaminoacid. +

H2C CH2 OH

NH 2

colamina

H2C CH COOH OH

HO

CH2 CH2

NH 2

+ N

CH3 CH3 CH3

HO

colina

serina

c) Acidul fosforic - a fost izolat din structura lipidelor complexe, unde se află sub formă de rest monoesterificat sau diesterificat.

O HO

P OH OH

Acid fosforic

Concepte şi noŃiuni de reŃinut - lipidele sunt bioconstituenŃi cu largă răspândire în organismele vii, care au ca şi proprietate comună hidrofobicitatea şi insolubilitatea în apă, şi respectiv solubilitatea în solvenŃi organici. Încă din antichitate lipidele au mai fost numite şi grăsimi, materii grase, lipide, etc. - din categoria precursorilor structurali lipidici fac parte: acizii graşi şi compuşi hidroxilici, şi acidul fosforic. Întrebări de autoevaluare, aplicaŃii, probleme 1. Care sunt precursorii structurali ai lipidelor? 2. Dati 3 exemple de acizi graşi saturaŃi. 3. ScrieŃi formula structurală a doi compuşi din clasa poliolilor. 4. DaŃi un exemplu de sterol. 5. DaŃi un exemplu de aminoalcool.

56

UNITATEA DE ÎNVĂłARE 7

LIPIDE SIMPLE: – STRUCTURA SI COMPOZITIE, ROL BIOCHIMIC. LIPIDELE SIMPLE Lipidele simple după natura alcoolului sunt împărŃite în: - gliceride – care sunt esteri ai glicerolului cu acizii graşi; - steride – care sunt esteri ai sterolilor cu acizii graşi; - ceride – care sunt esteri ai monoalcoolilor superiori cu acizii graşi; - etolide – care sunt esteri ai hidroxiacizilor cu acizii graşi. 1. GLICERIDE Sunt compuşi formaŃi prin esterificarea glicerolului cu acizi organici superiori. ReacŃia de esterificare se poate realiza la una, la două sau la toate cele trei grupări hidroxilice dinstructura glicerolului, rezultând mono-, di- sau triacilgliceroli. Glicerolul este compusul cu denumirea chimică 1,2,3, propantriol. 1

H2C OH 2

HC

OH

3

H2C OH glicerol Este un lichid incolor, siropos şi higroscopic, cu gust dulce. După numărul grupărilor – OH esterificate se disting: mono-, di-, şi triacilgliceroli. Esterificarea se poate realiza cu acelaşi acid gras, rezultând acilgliceroli simpli, sau cu acizi graşi diferiŃi formându-se acilgliceroli micşti.

H2C O CO HC

R1

H2C OH HC

OH

H2C OH α- acilglicerol

O

CO

R1

H2C OH β-acilglicerol

Conform IUPAC, denumirea acilglicerolilor se obŃine cu precizarea poziŃiei atomului de carbon la care se face esterificarea, la care se adaugă sufixul –oil.

57

H2C

O

CO

(CH2)14 CH3

HC

O

CO

(CH2 ) 16

H2C

O

CO

CH3

(CH2)14 CH3

α−palmitoil- β−stearoil- α`−palmitoil - triacilglicerol Acilglicerolii sunt compuşi care se regăsesc în regnul vegetal şi animal, fiind compuşi cu rol de rezervă şi de constituŃie. 2. STERIDE Steridele sunt esteri ai sterolilor cu acizii graşi. În cantitate mică, se găsesc în toate organismele vegetale şi animale. În cantitate mai mare, de până la 25% din totalul lipidelor, se găsesc în cloroplaste, mitocondrii, membrane protoplasmatice. În celule şi Ńesuturi, ele îndeplinesc rol biochimic şi fiziologic important, contribuind la fluidizarea (permeabilitatea) membranelor celulare, la transportul sterolilor. Din punct de vedere structural sunt derivaŃi a colestanului, steroid C27, care au în moleculă un rest sterolic şi un rest de acid gras saturat sau nesaturat. În urma procesului de hidroliză sunt eliberaŃi compuşii constituenŃi. Prima steridă descoperită a fost stearatul de colesteril izolat din grăsimea de oaie.

C 3

A

D

B

H3C (CH2) C O 16 O sterarat de colesteril În structura steridelor distingem: zoosteroli (colesterol, coprosterol), fitosteroli (stigmasterol, sitosterol) şi micosteroli – ergosterol. 3. CERIDE Ceridele sunt esteri naturali ai acizilor graşi cu monoalcooli superiori, deci ele nu conŃin în moleculă glicerol. Ceridele se găsesc predominant în regnul vegetal dar şi în cel animal. În regnul vegetal ele se găsesc pe suprafaŃa fructelor, frunzelor, constituind un înveliş protector împotriva evaporării apei, a căldurii şi luminii excesive şi ca un strat protector mecanic. Cerurile reprezintă un amestec de mai multe substanŃe, formate în principal din ceride, aldehide, cetone, acizi superiori, esteri, alcooli, terpene, flavonoide, etc. În ceruri se mai găsesc steride, etolide şi alte substanŃe. 58

Exemple de ceruri vegetale: ceara de pe boabele de struguri, care conŃine palmitat de ceril şi palmitat de miricil, ceara de pe frunzele de varză şi tutun, ceara de carnauba ( de pe frunzele palmierilor).

H3C

(CH2)

16

H3C (CH2)

29

CO

rest de acid cerotic

O

rest de alcool miricic

cerotat de miricil Exemple de deruri animale: ceara de aline, lanolina izolată de pe firul lânii de oaie. 4. ETOLIDE Etolidele sunt lipide simple, formate din hidroxiacizi superiori, esterificaŃi intermolecular. Astfel, gruparea carboxilică a unui hidroxiacid, reacŃionează cu gruparea hidroxilică a celuilalt acid: H H R C R' COOH R C R' CO - 2 H2O OH O O OH CO R' C R HOOC R' C R H H hidroxiacizi

etolida

Se găsesc predominat în cerurile unor conifere (ienuperi, pini). Acidul ienuperic este hidroxiacidul cel mai frecvent întâlnit în constituŃia etolidelor. Concepte şi noŃiuni de reŃinut - gliceridele sunt compuşi formaŃi prin esterificarea glicerolului cu acizi organici superiori. - steridele sunt esteri ai sterolilor cu acizii graşi. În cantitate mică, se găsesc în toate organismele vegetale şi animale. - ceridele sunt esteri naturali ai acizilor graşi cu monoalcooli superiori, deci ele nu conŃin în moleculă glicerol. - etolidele sunt lipide simple, formate din hidroxiacizi superiori, esterificaŃi intermolecular.

Întrebări de autoevaluare, aplicaŃii, probleme 1. 2. 3. 4. 5.

Care sunt principalele clase de lipide simple? Acilgliceroli – caracterizare generală, exemple. Steride – caracterizare generală, exemple. Ceride - caracterizare generală, exemple. Etolide - caracterizare generală, exemple.

59

UNITATEA DE ÎNVĂłARE 8

LIPIDE COMPLEXE : GLICEROFOSFOLIPIDE ROL BIOCHIMIC. SFINGOLIPIDE– ROL BIOCHIMIC. Cuvinte cheie: lipide, glicerofosfolipide, sfingolipide, lipoproteine

Rezumat În acest capitol sunt no’iunile legate de lipidele complexe, clasificarea, structura chimică, activitatea biologică şio scurtă prezentare a caracteristicilor generale ale fiecărei clase de lipide complexe în parte. De asemenea sunt prezentate noŃiuni legate de lipoproteine şi aplicaŃiile acestora în biochimie şi industria alimentară. Durata medie de parcurgere a unităŃii de studiu este de 2 ore. LIPIDE COMPLEXE Lipidele complexe sunt compuşi care conŃin în moleculă atomi de C, O, H, dar şi atomi de N şi S, fiind constituenŃi ai celulelor, Ńesuturilor şi lichidelor biologice, fiind prezente în mitocondrii şi membrana celulară. Clasificarea lipidelor complexe este redată mai jos.

În clasa glicerofosfolipidelor componenta alcoolică este reprezentată de glicerol, iar la sfingolipide de sfingozină. A. GLICEROFOSFOLIPIDELE Sunt lipide complexe care în urma hidrolizei dau naştere la precursorii lipidelor: glicerol, acizi graşi, acid fosforic, un aminoalcool, sau inozitol. a) Acizii fosfatidici se formează prin esterificarea glicerolului cu două molecule de acizi graşi superiori şi o moleculă de acid fosforic. Compuşii care rezultă sunt acizi fosfatidici α- sau β. 60

OH O

H2 C

O

OC

O

OH OC R1

R1 OH

HC

O

P

O

O

OC

H2C

O

OC

H2 C

O

HC H2 C

P

OH

R2

Acid α − fosfatidic

R2

Acid β − fosfatid ic

Acizii graşi mai reprezentativi pentru molecula acizilor fosfatidici sunt acidul oleic, linoleic şi linolenic. În natură acizii fosfatidici pot fi izolaŃi din germenii de grâu, din frunzele de spanac şi varză şi din latexul arborelui de cauciuc. La animale acizii fosfatidici au fost izolaŃi din miocard. b) Colaminfosfolipidele se mai numesc şi cefaline şi sunt esteri ai acizilor fosfatidici, la care restul de acid fosforic este esterificat cu gruparea – OH de la colamină.

H2 C

CH

COOH - CO 2

ΗΟ

ΝΗ 2

H2 C

CH2

ΗΟ

ΝΗ 2

Colamina

Serina

O H2N

CH 2

CH2

O

P

O

H2C

O

OC

R1

HC

O

OC

R2

CH2

OH α− cefalina

H2 C

O H2 N

CH 2

CH 2

O

P OH

O

O

R1

OC

HC CH 2

O

OC

R2

β− cefalina

Cefalinele pot prezenta structură de tip α- sau β, în funcŃie de tipul atomului d carbon la care apare legătura esterică. În structura cefalinelor se remarcă resturi de glicerol, acizi graşi (acid stearic, arahidonic, linoleic şi linolenic), acid fosforic şi colamină. 61

H3C

(CH2) CO 16

O

CH2

H 3C

(CH2) CO 16

O

CH H2C

O O

P

O

CH2

CH2 NH 2

OH α−stearilcolaminfosfolipida

H 3C

(CH2) CO 16

O

CH H3C

(CH2) CO 16

O

O

CH2 O

H 2C

P

O

CH2

CH2 NH 2

OH

β−stearilcolaminfosfolipida IniŃial, colaminfosfolipidele au fost izolate din creier (de unde şi denumirea de cefaline) iar apoi au fost isolate şi în regnul vegetal şi animal. c) Colinfosfolipidele (lecitinele) Sunt compuşi care au în moleculă glycerol, rest de acid fosforic, rest de acid gras şi colină. + CH 3 + HO CH2 CH2 N CH3 HO CH3

colina Lecitinele au fost iolate din regnul animal: gălbenuş de ou, organe, dar şi din regnul vegetal, fiind prezente în cantităŃi mari în soia. Colina, ca şi precursor structural al lipidelor prezintă importanŃă pentru siteza acetilcolinei, mediator chimic implicat în transmiterea impulsurilor nervoase. H3 C

CO

O CH2 CH2 acetilcolina 62

+ N

CH3 CH3 CH3

HO

H3 C

(CH2) CO 16

O

CH2

H3 C

(CH2) CO 16

O

CH

O

H 2C

O

+

P

CH2 CH2

O

CH3 CH3 CH3

+ N

OH

HO

α−stearilcolinfosfolipida

H3 C

(CH2) CO 16

O

O

CH2 O

CH H3 C

(CH2) CO 16

P

O

CH2 CH2

OH

H2 C

O

+ + N

CH3 CH3 CH3

HO

β−stearilcolinfosfolipida

În urma hidrolizei, se eliberează compuşii constituenŃi ai colinfosfolipidelor, şi anume: colina,glicerolul, acizii graşi şi acidul fosforic. d) Serinfosfolipidele sunt compuşi care au în moleculă acid fosfatidic esterificat cu serina. Serinfosfolipidele s-au izolat din creier alături de cefaline, ele reprezentând un procent de 60% din totalul glicerofosfolipidelor. H3C

(CH2)14 CO

O

CH2

H3C

(CH2) CO 14

O

CH

O

H2C

O

P OH

O

CH2

CH

COOH

NH 2

α−fosfatidilserina

H3C

(CH2)14 CO

O

CH2 O CH

H3C

(CH2) CO 14

O

H2C

P OH

β−fosfatidilserina

63

O CH2 CH NH 2

COOH

e) Inozitolfosfolipidele sunt o clasă de lipide comlexe care pe lângă glycerol şi resturi de acizi graşi, au în moleculă resturi de acid fosfatidic şi inozitol, care au fost isolate din Ńesutul nervos.

CH2 R2

H 2C

CO

R1

O

CH

O

OC

O

O

P

OH

OH

H

H

OH

OH

O

OH

OH

H monofosfatidilinozitida

H

H

f) Acetalfosfolipidele au în moleculă resturi de glicerol, acid fosforic, rest de acid gras, colamină şi o aldehidă a altui acid gras.

CH2 R2

OC

O

H2C

CH

R1

O

CH

O

CH

O

O

P

CH2

CH2

NH 2

OH

Acetalfosfolipidele sunt lipide complexe răspândite în Ńesuturile animale: muşchi, creier şi ficat, şi reprezintă un procent de 10% din totalul glicerofosfolipidelor. B. SFINGOLIPIDELE Sunt o clasă de lipide complexe, care conŃin în moleculă un aminoalcool, un acid gras, un rest de acid fosforic, o bază azotată sau o glucidă. Aminoalcoolul xare se regăseşte în structura sfingolipidelor este sfingozina.

H3C

(CH2) CH 12

CH

CH

CH

OH

NH 2

CH2 OH

sfingozina Sfingolipidele cuprind trei clase: ceramide, sfingolipide şi sfingozidolipide. 64

a) Ceramidele sunt din punct de vedere structural amide care conŃin în moleculă sfingozina şi acizi graşi superiori acidul palmitic, stearic, lignoceric, etc.

H3C

(CH2) CH 12

CH

rest sfingozinic rest de acid gras

CH

CH CH2 OH

OH

NH

H3C (CH2)n CO

ceramida Ceramidele pot fi izolate din regnul animal (organe) şi din regnul vegetal de la unele specii de ciuperci. Ceramidele sunt prezente în constituŃia tuturor sfingolipidelor. b) Sfingofosfolipidele – sunt compuşi care au în moleculă o ceramidă care la C1 este esterificată cu rest de fosforilcolamină sau fosforilcolină, rezultând sfingomielina, care se regăseşte în encefalul uman şi în organe de animale. H3C

(CH2) CH 12

CH

rest sfingozinic rest de acid gras

CH

CH CH2

OH

NH

H3C (CH2)n CO

O

ceramida O H 3C H 3C H3C

+ N

CH2

CH2

O

P OH

Din categoria acizilor graşi des întâlniŃi în structura sfingomielinelor fac parte: acidul stearic, acidul palmitic, acidul lignoceric, etc. c) Sfingozidolipidele sunt derivaŃi de ceramidă care au la C1 al ceramidei oze esterificate cu gruparea –OH. Din punct de vedere structural, pot fi:
cerebrozide – la care compusul glucidic este reprezentat de un monoglucid (galactoza, sau glucoza).
gangliozide la care componenta glucidică este reprezentată de derinaŃi glucidici (acid neuraminic)
sulfocerebrozide la care componenta glucidică este reprezentată de galactoză esterificată cu o moleculă de acid sulfuric.

65

H 3C

(CH2) CH 12

CH

rest sfingozinic rest de acid gras

CH

CH CH2

OH

NH

H3C (CH2) CO n

O

ceramida HO

CH2

OH

H

H

OH

H

H

OH

H

OH

H

glucocerebrozida

H3C

(CH2)

rest ceramidic

12

CH

CH

H3C

CH

CH

OH

NH

CH2

(CH2) CO n

rest galactozã 3- sulfatatã

HO

OH

O

CH2

OH

H

H

SO 3-

H

O

H

H

OH

H

galactosulfatida

Sfingozidolipidele sunt hidrolizate sub acŃiunea unor enzime specifice, până la compuşii lor de bază. Alături de componentele proteice, lipidele intră în constituŃia lipoproteinelor care sunt compuşi micşri cu largă răspândire în organismul uman.

Concepte şi noŃiuni de reŃinut - lipidele complexe sunt compuşi care conŃin în moleculă atomi de C, O, H, dar şi atomi de N şi S, fiind constituenŃi ai celulelor, Ńesuturilor şi lichidelor biologice, fiind prezente în mitocondrii şi membrana celulară. - glicerofosfolipidele sunt lipide complexe care în urma hidrolizei dau naştere la precursorii lipidelor: glicerol, acizi graşi, acid fosforic, un aminoalcool, sau inozitol. - sfingolipidele sunt o clasă de lipide complexe, care conŃin în 66

moleculă un aminoalcool, un acid gras, un rest de acid fosforic, o bază azotată sau o glucidă. Întrebări de autoevaluare, aplicaŃii, probleme (2-5 întrebări, pot fi şi tip grilă) 1. 2. 3. 4. 5.

Care sunt principalele clase de lipide complexe? ScrieŃi formula structurală a ceramidei acidului palmitic. ScrieŃi formula structurală a unei sfingofosfolipide. ScrieŃi formula structurală a unei lecitine. ScrieŃi formula structurală a unei cefaline.

67

UNITATEA DE ÎNVĂłARE 9

BIOCONSTITUENłI AI MATERIEI VII:PROTIDE PREZENTARE GENERALĂ. AMINOACIZII - PROPRIETĂłI GENERALE. AMINOACIZI PROTEINOGENI ŞI NEPROTEINOGENI: REPREZENTANłI; DISTRIBUłIE NATURALĂ, ROL BIOCHIMIC. 1. PREZENTARE GENERALĂ Unitatea de bază a proteinelor simple este reprezentată de aminoacizi, la care se adaugă şi alŃi compuşi organici în cazul heteroproteinelor. Rolul proteinelor este variat şi complex, ele fiind implicate într-o multitudine de procese şi fenomene, astfel: - intră în compoziŃia nucleului, citoplasmei şi al membranelor celulare. - intervin în procesele de creştere, diferenŃiere şi multiplicare celulară; - sunt macromolecule care stochează şi transmit informaŃia genetică; - reprezentanŃii heteroproteidelor au multiple roluri în organism care vor fi detaliate în continuare. 2. CLASIFICAREA PROTIDELOR Aciclici Aminoacizi Ciclici Oligopeptide Protide

Peptide Polipeptide

Proteide

Holoproteide Heteroproteide

3. AMINOACIZII Sunt compuşi organici care au în moleculă o grupare –NH2 şi o grupare –COOH. Unii aminoacizi mai conŃin în moleculă şi grupări tiolice –SH, şi grupări hidroxil –OH.

68

H2N CH

COOH

R formula generalã a unui aminoacid În natură aminoacizii aminoacizi).

existenŃi

sunt

aminoacizi

proteinogeni

(α-

3.1. CLASIFICAREA AMINOACIZILOR

Aminoacizi

Monoaminomonocarboxilici Aciclici Monoaminodicarboxilici Diaminomonocarboxilici Diaminodicarboxilixi Hidroxiaminoacizi Tioaminoacizi

Ciclici

Homociclici

Heterociclici

3.2. NOMENCLATURA AMINOACIZILOR Abrevierile folosite pentru denumirea aminoacizilor constă în asocieri de trei litere (ex: Gly – pentru glicină, Ala – pentru alanină, Asp – acid aspartic, Asn – asparagina, Trp – triptofan). 3.3. IZOMERIA LA AMINOACIZI Tipurile de izomerie întâlnite la aminoacizi sunt: a) stereoizomeria D-L Cu excepŃia glicocolului, la care nu există atom de carbon asimetric, şi a β-alaninei, aminoacizii realizează forme izomere datorate prezenŃei atomului de carbon asimetric în moleculă. Asemeni glucidelor, configuraŃiile D şi L se bazează pe formulele de proiecŃie ale gliceraldehidei. Astfel, toŃi aminoacizii care au gruparea aminocă dispusă similar D-alaninei aparŃin serie D, iar cei cu gruparea aminică dispusă ca şi la L-alanina aparŃin seriei L.

69

H2N CH

H2C

COOH

COOH

H2N CH2 β−Alanina

CH3 α−Alanina

Sub aspect medical, este important de menŃionat faptul că la om metabolizarea este posibilă la aminoacizii din seria L, datorită compatibilităŃii cu sistemele enzimatice. b) izomeria optică Este o consecinŃă a prezenŃei atomului de carbon asimetric în molecula aminoacizilor. Spre deosebire de aminoacizii fără atom de carbon asimetric, la aminoacizii cu doi atomi de carbon are simetrici există şi un nou centru de simetrie. Realizând o paralelă între activitatea optică şi stereoizomerie, acestea sunt independenre, ambele serii de aminoacizi putând să fie dextrogire (+) sau levogire (-). Ca şi la glucide, şi la aminoacizi este întâlnită enantiomeria, iar amestecul racemic este optic inactiv. Există şi aminoaizi care au în moleculă doi atomi de carbon asimetrici, fapt care determină existenŃa a patru stereoizomeri şi patru forme optic active, care se mai numesc şi forme allo (ex: allotreonina).

CH3 CH3 H *C H

* C

CH2 *

OH

H C

NH 2

H

COOH

* C

OH NH 2

COOH

Treonina

Izoleucina

c) stereoizomeria R-S Acest tip de izomerie a apărut ca o necesitate datorată dificultăŃilor de clasificare a diferitelor tipuri de substituenŃi ai atomului de carbon asimetric. Astfel abrevierile se referă la terminologia latină de R – rectus – dreapta şi L – sinister – stânga.

70

COOH H C

COOH

NH 2

H2N C

CH3

H

CH3 L-Alanina

D-Alanina COOH H C H 2N CH3

COOH H C H 3C NH 2

R-alanina

S-alanina

d) izomeria statică Aceasta se referă la trei aspecte: izomeria de catenă, izomeria de poziŃie şi izomeria de compensaŃie funcŃională. - izomeria de catenă este specifică aminoacizilor alifatici şi se referă la catena laterală, fiind specifică moleculelor cu 5 şi 6 atomi de carbon. CH3 H2N CH COOH CH2 CH2 * H C OH CH * H C NH 2 H3C CH3 Leucina (Leu) COOH Izoleucina (Ile) - izomeria de poziŃie se referă la grupările funcŃionale din molecula aminoacizilor (ex: gruparea amino- este în cele mai multe structuri în poziŃia α. H2C COOH H2N CH COOH

-

CH3

H2N CH2

α−Alanina

β−Alanina

izomeria de compensaŃie funcŃională este caracteristică compuşilor care au în moleculă trei atomi de carbon şi participă la procese metabolice care implică interconversie. Ex. Izomerii cu formula brută C3H6O3 pot fi aldehidă, ester sau cetonă.

71

CHO H C

OH

H2C

OH

H2C OH H

C

H2C

Aldehida glicerica

O OH

Dihidroxiacetona

e) tautomeria Se datorează mobilizăŃii unui atom de hidrogen din moleculă care poate duce la existenŃa a două forme tautomere care se află în echilicru, formând un amestea alelotropic. Ex. Forma amino – forma imino HN CH COOH H2N CH COOH

R α−iminoacid

R α−aminoacid PROPRIETĂłI FIZICE

Sub aspect fizic, aminoacizii sunt substanŃe solide, cristaline, incolore sau de culoare albă, solubile în apă şi greu solubili sau insolubili în solvenŃi organici, cu gust dulceag sau uşor amărui, care la temperaturi de peste 200°C se descompun. 3.4. PROPRIETĂłI FIZICO-CHIMICE a) Amfoterismul – se referă la capacitatea aminoacizilor de a disocia în soluŃie apoasă cu formarea unor structuri ionice cu caracter acid sau bazic.

H2N CH

+ H3N CH

COOH

R formula generalã a unui aminoacid

COO -

R amfiion

Astfel, în mediu acid aminoacizii se comportă ca baze transformânduse în cationi, iar în mediu bazic amfiionul interacŃionează cu gruparea OH şi va dona un proton, rezultând un anion. b) Constanta de aciditate Conform teoriei lui Brönsted şi Lowry amfionul unui aminoacid poate funcŃiona ca acid sau ca bază.

72

+ H3N

CH

COO

R sau

+ H 3N

-

COO

CHR

c) Punctul izoelectric – se referă la capacitatea aminoacizilor de a se deplasa în câmp electric în funŃie de valoarea pH-ului mediului. Etapa1: + K1 H3N CHR COOH + + H3N CHR COO + H Etapa 2

+ H3N CHR COO H2N CHR

K2

- + COO + H

La o anumită valoare a pH-ului se realizează un echilibru de ionizare, deoarece sarcinile anionilor şi cationilor se echilibrează, şi în acel moment amfiionii nu mai migrează în câmp electric, acela fiind stabilit a fi punctul izoelectric.

1 (p K1 + p K2) 2 Valoarea punctului electric variază pentru fiecare aminoacid în parte, fiind determinată de structura chimică. d) Activitatea opticică este determinată de izomeria optică şi se referă la rotirea planului luminii polarizate în funcŃie de valorile rotaŃiei specifice [αD] la 20°C. pH i = -

3.5. PROPRIETĂłI CHIMICE a) ProprietăŃi determinate de gruparea carboxil Datorită caracterului de donor de protoni imprimat de gruparea carboxil aminoacizii pot disocia în soluŃie apoasă: - reacŃia cu bazele care duce la formarea de săruri H2N CH COOH + NaOH

R aminoacid H2N CH COONa + H2O R sarea sodicã a aminoacidului -

reacŃia cu alcoolii în mediu acid fomând clorhidraŃi

73

,

H2N CH COOH + HO R R aminoacid +HCl -H2O

+KOH -KCl -H2O

[

H3N

alcool ,

CH

CO

O

R Cl

]

R clorhidrat de aminoacid ,

H2N CH CO O R R ester

-

reacŃia de reducere cu formare de aminoalcooli

H2N CH COOH + 2H2 R aminoacid H2N CH

OH +2H2O

R aminoalcool -

reacŃia de decarboxilare cu formare de amine

H2N CH COOH + PCl5 R aminoacid H2N CH 2 R amina b) ProprietăŃi determinate de gruparea aminică PrezenŃa grupării aminice conferă aminoacizilor caracter de acceptor de protoni reacŃia cu acidul azotic cu formare de hidroxiacizi reacŃia cu aldehide cu formarea de baze Schiff R CH COOH H H COOH + C R CH O N C + H2 O H H NH 2

-

-

Protid Baza Schiff reacŃia de alchilare reacŃia cu cloruri acide cu formarea de N-acil derivaŃi. 74

-

reacŃia cu ninhidrina cu formare de aldehide, amoniac şi dioxid de carbon reacŃia de dezaminare cu formare de acizi organici reacŃia Sanger – cu 1-fluor-2,4-dinitrobenzen reacŃia Erdman – cu fenilizotiocianat reacŃia cu ureea c) reacŃii determinate de ambele grupări funcŃionale (-COOH şi -NH2)

-

reacŃia de condensare intermoleculară cu formare de peptide H2N CH

COOH + H2N CH

R 1 aminoacid

H2N CH

COOH

H2N CH

-H2O

R 2 aminoacid

CO

NH

R 1

H2N CH R1

CO

R 2

R 3 aminoacid

CH

CH R 2

dipeptida

COOH + H2N CH

NH

NH

R 1

CH

dipeptida

CO

CO

NH

COOH -2H2O

CH

COOH

R

R 2

3

tripeptida

-

reacŃia cu săruri ale metalelor grele cu formare de combinaŃii complexe (chelaŃi). reacŃia de anhidrificare şi ciclizare d) ReacŃii determinate de alte grupări funcŃionale

-

reacŃia de fosforilare deteminată de prezenŃa grupării hidroxil reacŃia deteminată de prezenŃa grupării tiolice 3.6. AMINOACIZI PROTEINOGENI

Din această clasă fac parte compuşi cu structură aciclică şi ciclică, (homociclică şi heterociclică), precum şi iminoacizi. 3.6.1. Aminoacizi aciclici Din această categorie fac parte aminoacizii monoaminomonocarboxilici, monoaminodicarboxilici,diaminomonocarboxilici, hidroxiaminoacizii şi tioaminoacizii. Formulele structurale ale compuşilor reprezentativi sunt prezentate în cele ce urmează. 75

COOH

a) Aminoacizi monoaminomonocarboxilici care au în moleculă o grupare amino şi o grupare carboxil. Din această clasă fac parte: glicocolul, alanina, valina şi leucina. H2N

CH

H2N

COOH

CH

H2N

COOH

CH

H3C

Alanina (Ala)

Glicina (Gly)

COOH

CH2

CH

CH3

H

H2N CH

COOH

CH3

CH H3C CH3

Valina (Val)

Leucina (Leu)

b) aminoacizi monoaminodicarboxilici sunt compuşi acicici care au în moleculă o grupare aminică şi două grupări carboxil. Sunt reprezentaŃi de acidul asparic şi glutamic precum şi de formele aminate ale acestora, asparagina şi glutamina. H2N CH

COOH

H2N CH

CH2

COOH

H2N CH

CH2

H2N CH

CH2

CH2

CH2

CH2

COOH

Acid aspartic

COOH

*

CO NH 2

COOH

COOH

Asparagina

CO NH 2

Acid glutamic

Glutamina

c) Aminoacizii diaminomonocarboxilici sunt reprezentaŃi de lisina, hidroxilisina şi arginina. H2N CH

COOH

H2N CH

COOH

H2N CH

COOH

CH2

CH2

CH2

CH2

CH2

CH2

CH2

CH OH

CH2 NH C

CH2 NH 2

CH2 NH 2

Lisina

NH 2

Hidroxilisina

NH Arginina

d) Hidroxiaminoacizii au în moleculă pe lângă grupările aminică şi carboxil şi o grupare hidroxil. Din această categorie fac parte: serina, treonina şi homoserina. H2N CH

COOH

CH2 OH

H2N CH

COOH

CH OH CH3

serina

treonina

76

H2N CH

COOH

CH2 CH2

OH

homoserina

e) Tioaminoacizii sunt caracterizaŃi de prezenŃa grupării –SH în moleculă, dar şi de prezenŃa unor punŃi disulfidice –S-S- la unii aminoacizi (ex: cistina). Alături de aceasta, tioaminocizii mai sunt reprezentaŃi de cisteină şi metionină. H2N

CH CH2

COOH

H2N CH

SH

COOH

CH2 S

CH2

S

CH2

CH2 H2N

cisteina

H2N CH

CH

COOH

COOH

S CH3

cistina

metionina

3.6.2. Aminoacizi homociclici Aceştia sunt caracterizaŃi de prezenŃa unui nucleu aromatic, şi sunt reprezentaŃi de fenilalanină şi tirosină. H2N

CH

H2N

COOH

CH

COOH

CH2

CH2

OH tirosina

fenilalanina

3.6.3. Aminoacizi heterociclici Compuşii cu rol biologic din această clasă de aminoacizi sunt triptofanul şi histidina.

H2N CH

COOH

COOH

H2N CH

CH2

CH2 NH

OH N

N H L- triptofan

L-histidina

3.6.4. Iminoacizi heterociclici Comouşii din această categorie conŃin gruparea imino –NH- în structura heterociclului. Compuşii reprezentativi sunt prolina şi hidroxiprolina. 77

COOH Prolina COOH

OH Hidroxiprolina Aminoacizii esenŃiali sunt indispensabili proceselor de creştere şi dezvoltare a organismului, şi deoarece nu pot fi sintetizaŃi de către organism aportul lor este exogen, din alimentaŃie. ImplicaŃiile aminoacizilor esenŃiali în procesele de metabolizare a protidelor, precum şi în bsorbŃia şi digestia acestora sunt extrem de importante. Din categoria aminoacizilor esenŃiali fac parte: fenilalanina, histidina, izoleucina, leucina, lisina, metionina, treonina, triptofanul şi valina. Conceptul de aminoacizi neproteinogeni a apărut ca urmare a investigaŃiilor care au relevat că o parte dina minoacizi nu sunt bioconstituenŃi ai materiei vii ci sunt produşi ai proceselor metabolice intermediare (metaboliŃi). H2N CH COOH

CH2 CH2 CH2 NH Ornitina Din această categorie face parte şi ornitina, citrulina şi acidul γaminobutiric.

-

-

-

Concepte şi noŃiuni de reŃinut aminoacizii sunt compuşi organici care au în moleculă o grupare – NH2 şi o grupare –COOH. Unii aminoacizi mai conŃin în moleculă şi grupări tiolice –SH, şi grupări hidroxil –OH. amfoterismul – se referă la capacitatea aminoacizilor de a disocia în soluŃie apoasă cu formarea unor structuri ionice cu caracter acid sau bazic. aminoacizii esenŃiali sunt indispensabili proceselor de creştere şi dezvoltare a organismului, şi deoarece nu pot fi sintetizaŃi de către organism aportul lor este exogen, din alimentaŃie. - Conceptul de aminoacizi neproteinogeni a apărut ca urmare a investigaŃiilor care au relevat că o parte dina minoacizi nu 78

sunt bioconstituenŃi ai materiei vii ci sunt produşi ai proceselor metabolice intermediare (metaboliŃi). Întrebări de autoevaluare, aplicaŃii, probleme (2-5 întrebări, pot fi şi tip grilă) 1. Care sunt principalele clase de aminoacizi? 2. ScrieŃi formulele a trei aminoacizi monoaminomonocarboxilici. 3. Care sunt aminoacizii esenŃiali? 4. DaŃi trei exemple de hidroxiaminoacizi. 5. DaŃi trei exemple de tioaminoacizi.

79

UNITATEA DE ÎNVĂłARE 10

PEPTIDE: CLASIFICARE, PROPRIETĂłI FIZICO-CHIMICE, REPREZENTANłI NATURALI, ROL BIOCHIMIC.

1. PREZENTARE GENERALĂ Peptidele sunt compuşi naturali sau sintetici formaŃi din două sau mai multe resturi de aminoacizi în urma unei reacŃii de condensare, cu formarea unei legături peptidice – CO-NH (covalente) ca urmare a eliminării unei molecule de apă la nivel intermolecular. Denumirea de peptide derivă de la titulatura de peptone sub care au fost cunoscute produsele hidrolizei parŃiale a protidelor naturale. Peptidele de sinteză au fost obŃinute iniŃial experimental, iar ulterior cu scopul producerii unor substanŃe cu variate aplicaŃii (medicale, alimentare, biotehnologice). Peptidele se pot clasifica în funcŃie de numărul resturilor de aminoacizi Oligopeptidele conŃin un număr de 2-10 resturi de aminoacizi, având masa moleculară de ordinul 102 – 103 Da. Polipeptidele sunt formate din 10-100 resturi de aminoacizi, masa moleculară ajungând la 104 Da.

Clasificarea peptidelor În regnul vegetal şi animal, precum şi în organismul uman există peptide naturale, a căror existenŃă a servit la elucidarea proprietăŃilor peptidelor, precum şi a implicaŃiilor acestora în procesele metabolice. De asemenea au fost obŃinute peptide de sinteză care au servit la elucidarea succesiunii aminoacizilor într-o catenă polipeptidică, precum şi la evidenŃierea structurii aminoacizilor din aceste molecule. Peptidele obŃinute prin sinteză prezintă sunt importante din punct de vedere al aplicaŃiilor medicale şi biotehnologice.

80

A) OLIGOPEPTIDE Aceşti compuşi au în moleculă 2-10 resturi de aminoacizi şi o masă moleculară care poate ajunge la 5000 Da. Din această clasă de compuşi se remarcă prin aplicaŃiile în diverse domenii, di-, tri- şi pentapeptide precum şi unele oligopeptide superioare: octa-, nona şi decapeptide. 1) Dipeptidele sunt reprezentate de carnosina şi anserina, decelate din muşchi la om şi animale. Carnosina este un dipeptid cu proprietăŃi hipotensive izolat din muşchii mamiferelor, iar anserina este un analog al carnosinei izolat din muşchii păsărilor (prelevaŃi de la gâscă – Anser anser). Alte dipeptide izolate din mazăre, fasole, soia şi alte leguminoase sunt glutamilleucina şi glutamilmetionina. H2N

CH2

CH2

CO

CH

NH

COOH

CH2 NH N rest histidinã

rest β− alaninã

carnosina

H2N

CH2

CH2

CO

NH

CH

COOH

CH2 N

CH3

N rest histidinã

rest β− alaninã

anserina

2) Tripeptidele sunt reprezentate de gluation şi derivaŃii acestuia, acidul noroftalmic şi oftalmic.

81

H2N

CH

COOH

CH2 CH2 CO

NH

CH CH2

rest acid glutamic

NH

CO

CH2

COOH

SH rest glicinã

rest cisteinã

Glutationul – formula structurală Glutationul (γ- glutamil-cisteinil-glicina) este prezent în organele mamiferelor (splină, ficat) şi în seminŃele în stare de germinaŃie, fiind iniŃial izolat din drojdia de bere. În celule şi Ńesuturi se află sub formă de diglutation, formă redusă sau oxidată sub care participă la diverse procese redox celulare. Astfel, compusul poate interveni ca activator enzimatic pentru enzimele –SH dependente. Forma redusă a glutationului poate acŃiona ca antioxidant, prevenind oxidarea acidului ascorbic, a adrenalinei, a hemoglobinei, având şi acŃiune antitoxică. 3) Pentapeptidele sunt reprezentate de encefaline, compuşi cu acŃiune analgezică, şi modulatoare a acŃiunii neurotransmiŃătorilor. Tyr – Gly – Gly – Phe – Met 1 2 3 4 5 Sau Tyr – Gly – Gly – Phe – Leu 1 2 3 4 5 Moleculele de endorfine şi alte polipeptide cu importanŃă în neurofiziologie au în moleculă primii cinci aminoacizi constituenŃi ai encefalinelor. 4) Octapeptidele sunt reprezentate de ocitocină şi vasopresină care sunt compuşi cu activitate hormonală secretate de neurohipofiză. Ocitocina stimulează contracŃia musculaturii uterine determinând contracŃia miometrului, şi stimulând şi secreŃia lactată. Vasopresina produce contracŃia vaselor sanguine, determinând creşterea presiunii sanguine şi reabsorbŃia apei la nivel renal. Angiotensina II este un compus cu rol în neurochimie. 5) Nonapeptide Compusul reprezentativ este bradikinina, izolată de la nivel sanguin, cu rol în dimunuarea contractilităŃii musculaturii netede. De asemenea, inhibă secreŃia gastrică şi motilitatea intestinală. 6) Decapeptidele sunt reprezentate de angiotensine, oligopeptide cu efect hipertensor. În funcŃie de numărul de aminoacizi din structură se disting doi compuşi: angiotensina I şi II. Biosinteza acestora se realizează la nivel sanguin, prin hidroliza enzimatică a α2 – globulinei sub acŃiunea enzimei renină. 82

B) POLIPEPTIDE Acestea sunt compuşi care au în moleculă un număr mai mare de 10 aminoacizi şi o greutate care depăşeşte 5000 Da. Polipeptidele au o structură complexă, fiind în general compuşi cu acŃiune hormonală, enzimatică şi neurotransmiŃătoare. Insulina este un polipeptid secretat de celulele β – Langerhans din pancreas. Structura este reprezentată de 51 de aminoacizi dispuşi pe două catene: Catena A formată din 21 de resturi de aminoacizi având restul Nterminal reprezentat de glicină şi restul C-terminal reprezentat de asparagină şi catena B reprezentată de 30 de resturi de aminoacizi având restul Nterminal reprezentat de fenilalanină şi restul C-terminal reprezentat de alanină. Structura insulinei este helicoidală, fiind susŃinută de două punŃi disultidice intercatenare, realizate între resturi ale aminoacidului cistina din poziŃiile 7 şi 19 ale catenelor A şi B. Datorită variaŃiei tipurilor de aminoacizi din catena A la poziŃiile 7-9 molecula de insulină prezintă specio-specificitate, datorită diferenŃelor taxonomice. Insulina de la alte specii prezintă similitudini cu insulina umană (iepuri, suine). Insulina acŃionează la nivelul glicemiei sanguine, având rol hipoglicemiant. S LanŃ A (21 aa)

Gly

Cys

1

LanŃ A (30 aa)

H2N

6

Phe

1

S Cys

7

Cys

11

Cys

S

S

S

S

Cys

Cys

19

6

Asn

COOH

21

12

Thr

30

Insulina

Glucagonul este un polipeptid format din 29 de aminoacizi, secretat de celulele α-Langerhans din pancreas. Acest polipeptid are o acŃiune antagonică cu cea a insulinei, având un efect hiperglicemiant. Corticotropina este o polipeptidă formată din 30 de resturi de aminoacizi, fiind secretată la nivelul hipofizei anterioare. Acest compus intervine în stimularea biosintezei hormonilor steroizi de la nivelul glandei corticosuprarenale. Calcitonina şi parathormonul sunt polipeptide care intervin în metabolismul calciului. Calcitonina este un polipetid cu acŃiune hipocalcemiantă secretat de tiroidă, care conŃine 32 de resturi de aminoacizi, iar parathormonul este secreat de paratiroidă, are acŃiune hipercalcemiantă şi conŃine 84 de resturi de aminoacizi. Endorfinele sunt polipeptide cu moleculă mai mare, care au primele cinci resturi de aminoacizi reprezentate de encefaline. Aceşti compuşi au un 83

rol care nu este pe deplin elucidat, dar se cunoaşte implicarea lor in analgezie, şi în modularea acŃiunii altor compuşi neurotransmiŃători cu rol modificarea stărilor comportamentale. Polipeptid enzimele naturale sunt reprezentate de superoxiddismutaza (SOD) şi glutation – peroxidaza (G-SH peroxidaza). Superoxiddismutaza este un compus polipeptidic cu rol de enzimă care este constituită din două subunităŃi cu structură de tip β, având în constituŃie diferite metale. Glutation peroxidaza este un compus cu greutate moleculară de 85.000 Da format din patru subunităŃi polipeptidice care leagă patru atomi de seleniu. Ambele enzime sunt cunoscute ca având efect antioxidant. Ocitocina stimulează contracŃia musculaturii uterine determinând contracŃia miometrului, şi stimulând şi secreŃia lactată. Vasopresina produce contracŃia vaselor sanguine, determinâns creşterea presiunii sanguine şi reabsorbŃia apei la nivel renal. Angiotensina II este un compus cu rol în neurochimie. Concepte şi noŃiuni de reŃinut - peptidele sunt compuşi naturali sau sintetici formaŃi din două sau mai multe resturi de aminoacizi în urma unei reacŃii de condensare, cu formarea unei legături peptidice – CO-NH (covalente) ca urmare a eliminării unei molecule de apă la nivel intermolecular. Aceşti compuşi au în moleculă 2-10 resturi de aminoacizi şi o masă moleculară care poate ajunge la 5000 Da. Din această clasă de compuşi se remarcă prin aplicaŃiile în diverse domenii, di-, tri- şi pentapeptide precum şi unele oligopeptide superioare: octa-, nona şi decapeptide. - polipeptidele sunt compuşi care au în moleculă un număr mai mare de 10 aminoacizi şi o greutate care depăşeşte 5000 Da. Polipeptidele au o structură complexă, fiind în general compuşi cu acŃiune hormonală, enzimatică şi neurotransmiŃătoare. - în regnul vegetal şi animal, precum şi în organismul uman există peptide naturale, a căror existenŃă a servit la elucidarea proprietăŃilor peptidelor, precum şi a implicaŃiilor acestora în procesele metabolice. De asemenea au fost obŃinute peptide de sinteză care au servit la elucidarea succesiunii aminoacizilor într-o catenă polipeptidică, precum şi la evidenŃierea structurii aminoacizilor din aceste molecule. Peptidele obŃinute prin sinteză prezintă sunt importante din punct de vedere al aplicaŃiilor medicale şi biotehnologice. Întrebări de autoevaluare, aplicaŃii, probleme 1. Care este rolul biochimic al isulinei? 2. Care sunt oligopeptidele naturale? DescrieŃi pe scurt rolul biologic al acestora.

84

UNITATEA DE ÎNVĂłARE 11

PROTEIDE – CARACTERISTICI GENERALE. HOLOPROTEIDE ŞI HETEROPROTEIDE : CARACTERIZARE, COMPOZIłIE, STRUCTURĂ, ACTIVITATE BIOLOGICĂ, IMPLICAłII ÎN TEHNOLOGIA ALIMENTARĂ. PREZENTARE GENERALĂ Proteidele sunt compuşi cu structuri complexe care rezultă în urma policondensării unui număr mare de aminoacizi. Din punct de vedere structural se disting: holoproteide şi heteroproteide.

Holoproteide Proteide Heteroproteide Holoproteidele sunt compuşi macromoleculari a căror structură este reprezentată exclusiv de aminoacizi. Heteroproteidele sunt macromolecule cu structură complexă care sunt constituite dintr-o componentă prostetică de natură neproteidică reprezentată de glucide, lipide, metale, acizi nucleici, etc., şi o componentă proteidică reprezentată de aminoacizi. În vederea clarificării structurii macromoleculare complexe a proteidelor este important de evidenŃiat câteva aspecte referitoare la organizarea structurală a proteidelor, mai précis la nivelurile de organizare caracteristice acestora. Astfel, se prezintă succint aspecte legate de structura primară, secundară, terŃiară şi cuaternară a macromoleculelor proteice.  Structura primară se defineşte prin succesiunea aminoacizilor în catena macromoleculară. La realizarea lanŃului polipeptidic se află în principal legăturile peptidice, dar şi legăturile de hidrogen şi cele disulfidice. Pentru definirea structurii primare trebuie cunoscută secvenŃa de aminoacizi, numărul şi speciile moleculare, având în vedere că fiecare lanŃ polipeptidic prezintă specificitate structurală.  Structura secundară se referă la forma spaŃială a catenei şi natura legăturilor care apar în catenă. Studii efectuate asupra unor proteine au stabilit că în cadrul polipeptidelor şi al proteinelor, modelele structurale cele mai întâlnite sunt cele de tip α – şi β- structurale.  Structura terŃiară reprezintă un nivel superior şi un stadiu de organizare mult mai avansat, această structură fiind caracterizată de replierea catenelor macromoleculare helicoidale într-un mod neordonat în spaŃiu, forma fiind stabilă termodinamic.  Structura cuaternară este rezultatul interacŃiunilor catenelor polipeptidice independente care au structurile primară, secundară şi 85

terŃiară bine definite. În cadrul structurii cuaternare, catenele polipeptidice numite protomeri se asociază în agregate macromoleculare numite oligomeri. Structura cuaternară a fost studiată în amănunŃime în cazul hemoglobinei. A) HOLOPROTEIDE Holoproteidele sunt compuşi macromoleculari formaŃi din resturi de aminoacizi, având o greutate moleculară de 1·103 - 1·105 Da. În funcŃie de particularităŃile structurale şi de solubilitate, holoproteidele pot fi clasificate după cum se poate observa în figura 1. 1. HOLOPROTEIDE GLOBULARE Aceşti compuşi au formă sferică, sunt solubili în apă soluŃii saline şi soluŃii alcaline. Compuşii reprezentativi ai acestei clase sunt proteide cu rol fiziologic, fiziopatologic, farmaceutic şi biochimic important. a) Protaminele sunt cele mai simple proteide, cu masa moleculară de cca 5000 Da, având un pronunŃat caracter bazic. Sunt reprezentate de aminoacizi diaminomonocarboxilici: Lys, Arg, His, şi nu conŃin de loc tioaminoacizi şi unii aminoacizi ciclici. Această categorie de holoproteide nu coagulează, nu pot fi hidrolizate sub acŃiunea pepsinei şi au masă moleculară mică. Dintre compuşii reprezentativi putem aminti: salmina la somon şi clupeina la hering. b) Histonele au fost izolate din cromatină, sunt proteide cu masa moleculară de 10.000-20.000 Da, cu caracter bazic, care conŃin aminoacizi monoaminomonocarboxilici.Există cinci tipuri de histone: H1 în care lisina este compusul predominant, H2A şi H2B cu conŃinut mediu de lisină, şi H3 şi H4 cu conŃinut crescut de arginină. Cu excepŃia tipului H1, celelalte histone au masa moleculară relativ mică, iar proporŃia acestora în cromatină este relativ similară. Histonele precipită sub acŃiunea electroliŃilor şi a temperaturii, şi hidrolizează sub acŃiunea pepsinei. Histonele se regăsesc în leucocite, la peşti, sau sub formă de nucleoproteide (nucleohistone). În organismul uman histonele se regăsesc în eritrocite, spermatozoizi, ovule şi celule glandulare din pancreas, splină, timus. c) Albuminele au o masă moleculară de circa 60.000 Da cu solubilitate crescută în apă. Albuminele precipită sub acŃiunea sărurilor şi sub acŃiunea temperaturii (termocoagulare). În compoziŃia albuminelor predomină aminoacizii monoaminomonocarboxilici. Dintre albumine se poate exemplifica: serumalbumina din serul sanguin, mioalbumina din muşchi, lactalbumina din lapte, ovalbumina din ou, lugumina din leguminoase. De asemenea este important de menŃionat prezenŃa unor toxalbumine: ricina din seminŃele de ricin.

86

Protamine Histone Albumine Globuline Calmodulina Metaltioneine Prolamine Gluteline

Globulare

Holoproteide

Holoproteide sanguine Solubile Fibrilare Insolubile

Holoproteide musculare Colagenul Elastina Fibrolina Keratinele

Fig. 1 Clasificarea holoproteidelor d) Globulinele au masa moleculară mare, cca 150.000 Da, fiind holoproteide cu largă răspândire în regnul vegetal şi animal. Aceşti compuşi sunt insolubili în apă, dar solubili în soluŃii saline diluate. Spre deosebire de albumine, globulinele precipită greu la temperaturi ridicate, sau nu precipită deloc. În organismul uman globulinele se găsesc în serul sanguin, (serumglobulinele), fiind separate mai multe fracŃiuni: α1 – şi α2 –, β1- şi β2 – globuline, precum şi γ- globuline. Tot din categoria serumglobulinelor face parte şi fibrinogenul, implicat în procesele de coagulare a sângelui, precum şi transferina implicată în transportul Fe şi ceruloplasmina care transportă Cu. Din regnul animal putem exemplifica lactoglobulina, ovoglobulina, mioglobulina, iar din regnul vegetal legumelina, faseolina amandina, arachina. De o mare importanŃă pentru procesele de apărare a organismului sunt imunoglobulinele, care reprezintă anticorpii, substanŃe de răspuns la acŃiunea antigenelor. e) Calmodulina are o catenă formată din 148 de aminoacizi, fiind un produs cu largă răspândire în regnul vegetal şi animal, datorită implicării în fixarea Ca2+ cu formarea complexului calmodulină – calciu. Acest complex stimulează contracŃia musculaturii netede, eliberarea de neurotransmiŃători în terminaŃiile fibrelor nervoase şi activitatea diverselor enzime. f) Metaltioneinele sunt proteide cu capacitatea de a realiza combinaŃii cu metalele grele: Cu, Zn, Cd, cea mai cunoscută proteidă fiind feritina. g) Prolaminele sunt holoproteide care există doar în regnul vegetal, fiind izolate din seminŃe de cereale (gliadina din grâu, zeina din porumb, avenina din ovăz, cafirina din sorg). h) Glutelinele sunt izolate din regnul vegetal, din seminŃe şi frunze, nefiind izolate din regnul animal. Sunt compuşi insolubili în apă şi săruri şi solubili în soluŃii bazice. Ex: glutamina din grâu, orizenina din orez. 87

2. HOLOPROTEIDE FIBRILARE Aceşti compuşi sunt foarte importanŃi pentru organismul uman deoarece conferă susŃinere, rezistenŃă mecanică, protecŃie. Din punct de vedere al solubilităŃii, acestea se pot clasa în holoproteide fibrilare solubile şi insolubile, vezi fig.1. a) Holoproteidele fibrilare solubile Acestea au fost izolate în Ńesutul sanguin şi în cel muscular.

 Holoproteide sanguine Fibrinogenul este format din două părŃi identice, fiecare parte fiind formată din trei lanŃuri diferite: α, β, γ, care au structură helicală sau superhelicală, şi conŃin cisteină în cantităŃi mari. Legarea lanŃurilor polipeptidice se face prin punŃi disulfidice , cu masa moleculară totală de 680.000 Da. Sub acŃiunea unei enzime trombină, se transformă în fibrină şi patru derivaŃi numiŃi fibrinopeptide, după cum urmează: două fibrinopeptide A provenite din lanŃurile α şi două fibrinopeptide B provenite din lanŃurile β. Molecula activă de fibrinogen este implicată în procesul de hemostază, realizată în două etape: coagulare şi fibrinoliza.  Holoproteidele musculare sunt reprezentate de miosină, actină, tropomiosină şi troponină. Miosina este o holoproteidă specifică filamentelor musculare groase, fiind constituită dintr-o parte alungită şi o parte globulară (fig.2). Sub acŃiunea tripsinei, miosina poate fi descompusă în: meromiosina H care este reprezentată de partea globulară şi un fragment din partea fibrilară, şi meromiosina L care este reprezentată de restul părŃii fibrilare.

Fig.2 Miosina – reprezentare structurală (scollvaz.galeon.com) În urma interacŃiunii cu macromolecula de ATP, în mediu apos se eliberează ADP şi energia necesară realizării contracŃiei musculare. Actina este o holoproteidă reprezentativă pentru filamentele fine din musculatura striată, care se poate combina cu miosina fomând un compus numit actomiosina, care în prezenŃa ATP se descompune fiind posibilă contracŃia musculară. 88

Tropomiosina este reprezentată de un filament lung, cu o masă moleculară de 70.000 Da şi formă de α- dublu helix. Şi acest compus se poate combina cu actina. Troponina este un complex protidic format din trei proteide globulare, care se pot lega de tropomiosină, făcând posibilă realizarea unor combinaŃii cu Ca2+. b) Holoproteidele fibrilare solubile Aceşti compuşi se mai numesc şi scleroproteide, sunt compuşi insolubili în apă, soluŃii saline, acide sau bazice, conferă rezistenŃă mecanică ridicată, având un conŃinut crescut de oxigen şi sulf. Au fost decelate din Ńesutul epidermic şi conjunctiv. Scleroproteidele sunt reprezentate de colagen, elastina, fibroină şi keratina. Colagenul este proteida cu cea mai mare răspândire în organismul mamiferelor fiind izolată din piele, cartilagii, ligamente, tendoane, oase, dinŃi, perete vascular. Din punct de vedere structural este constituită din trei lanŃuri polipeptidice de tip α- helix care formează tropocolagenul, care la rândul lui se formează din procolagen sub acŃiunea unei peptidaze specifice.Aminoacizii aflaŃi în cantităŃi mari în colagen sunt glicocolul, prolina şi hidroxiprolina. În funcŃie de compoziŃie şi structură se disting 10 tipuri de colagen, mai cunoscute fiind cinci dintre acestea. În urma fierberii are loc desfacerea legăturilor intercatenare şi modificarea structurii colagenului cu obŃinerea unor gelatine solubile care la răcire trec în stare de gel (piftii obŃinute din geluri de origine animală). Colagenul din piele poate fi supus unor tratamente chimice cu aplicaŃii în industria textilă. Cu privire la implicaŃiile medicale, perturbarea metaolismului colagenului duce la apariŃia unor „colagenoze”, cutanate şi osoase datorate în principal unor deficienŃe enzimatice. De asemenea tulburările din metabolismul colagenului au implicaŃii şi în bolile inflamatorii, ateroscleroză, ciroza hepatică. Elastina este componenta principală a fibrelor elastice din ligamente şi pereŃii vasculari, având simulitudini structurale cu colagenul. Principalii aminoacizi din structura elastinei sunt glicocolul, prolina şi lisina. Fibroina conŃine în macromoleculă aminoacizii glicocol, alanină, serină şi tirosină, fiind componenta predominantă din formaŃiunile fibrilare. Acest compus a fost izolat din firul de mătase şi conferă moleculelor o rezistenŃă mecanică mare. Structura este de tipul α- helix, catenele fiind antiparalele. Fibroina este prezentă în firul de mătase alături de sericină, secretată de glandele sericigene ale viermelui de mătase (Bombix mori). Keratinele sunt izolate din piele, unghii şi păr, şi sunt compuşi cu rezistenŃă mecanică mare. Sunt substanŃe insolubile în apă şi soluŃii saline. Din punct de vedere structural se disting α- şi β- keratine. Keratinele au utilizări în diferite domenii. În urma proceselor redox pot fi hidrolizate sub acŃiunea unor enzime proteolitice. De exemplu, în urma reacŃiei cu acidul tioglicolic se pot folosi în coafură (încreŃirea firelor de păr). 89

B) HETEROPROTEIDE Heteroproteidele sunt constituite dintr-o componentă proteidică reprezentată de resturi de aminoacizi, şi o componentă prostetică de natură neproteidică. Sub acest aspect structural, heteroproteidele se clasifică astfel: Glicoproteide Lipoproteide Metaloproteide Heteroroteide Fosfoproteide Cromoproteide Nucleoproteide 1. GLICOPROTEIDE Aceşti compuşi sunt heteroproteide care au în moleculă o componentă prostetică reprezentată de compuşi glucidici (glicani) şi o componentă proteică cu structură de poliheteroaminoacizi. Legătura chimică dintre cele două componente în cadrul moleculei de glicoproteide este de tip covalent. Componenta prostetică este reprezentată de compuşi glucidici: oze (D-Glc, D-Gal, D-Man), de derivaŃi ai acestora (deoxiglucide, aminoglucide şi derivaŃi N-acetilaŃi ai aminoglucidelor) care au fost prezentaŃi pe larg la capitolul Glucide. În molecula glicoproteidelor se evidenŃiază două tipuri de legături: - Legătura N-glicozidică în care gruparea –NH2 a unui aminoacid din componenta proteică se leagă la un rest glucidic - Legătura O-glicozidică în care gruparea –OH a unui hidroxiaminoacid din componenta proteică se leagă la un rest glucidic Aceşti compuşi au o largă răspândire în regnul vegetal şi animal, îndeplinind numeroase funcŃii: bioconstituenŃi celulari, efectori biochimici, transportori ai principiilor active, a substanŃelor medicamentoase. Cei mai importanŃi compuşi din clasa glicoproteidelor sunt prezentaŃi succint în continuare:  Glicoproteidele cu activitate de grupă sanguină sunt implicate în definirea celor patru grupe sanguine: O-I, A-II, B-III, AB-IV;  Glicoproteidele sanguine sunt prezente în plasmă şi ser şi sunt reprezentate de: haptoglobine, macroglobulinele – α2, transferinele (care pot fi izolate din sânge şi secreŃii dar şi din produse alimentare de origine animală, şi în compoziŃia cărora intră fierul, care sub această formă este transportat de la sursă spre Ńesuturi unde este implicat în diverse procese metabolice), ceruloplasmina (compus cu proprietăŃi catalitice implicat în legarea ireversibilă a cuprului).  Glicoproteide cu activitate hormonală reprezentate de hormonii hipofizei anterioare (hormonul tiroidostimulent – TSH, hormonul foliculostimulent – FSH, hormonul luteinizant – LH, hormonul de stimulare a celulelor interstiŃiale) şi hormonul coriogonadotrop – HCG. 90

 Glicoproteidele animale sunt reprezentate de ovomucoid izolat din oul crud, avidina izolată din albuş, tiroglobulina care are capacitatea de a fixa o mare cantitate din iodul tiroidian.  Glicopoteidele vegetale sunt reprezentate de enzime vegetale (proteaza din ananas, peroxidaza din hrean), toxine vegetale (ricina) şi alergenii din polen. 2. LIPOPROTEIDE Această clasă de heteroproteide are componenta prostetică reprezentată de lipide simple sau complexe, sau din derivaŃi hidrolizaŃi ai acestora. Compuşii reprezentativi ai lipoproteidelor sunt lipoproteidele sanguine şi lipoproteidele cu origine animală.  Lipoproteidele sanguine au fost decelate din plasma sanguină, fiind izolate mai multe fracŃiuni diferite, în funcŃie de viteza de migrare şi caracteristicile ultracentrifugale. Există patru tipuri de lipoproteide plasmatice: chilomicroni, lipoproteide cu densitate foarte scăzută (VLDL), lipoproteide cu densitate scăzută (LDL) şi lipoproteide cu densitate ridicată (HDL). Toate aceste tipuri de lipoproteide par a fi implicate în dislipidemii.  Lipoproteidele din diverse produse alimentare sunt reprezentate de βlipovitelina şi livetina din lapte şi de fosforitina din gălbenuşul de ou. 3. METALOPROTEIDE Metaloproteidele sunt heteroproteide la care gruparea prostetică este reprezentată de un metal iar componenta proteică este constituită din catene macromoleculare formate în urma policondensării aminoacizilor. Legăturile chimice care se stabilesc între cele două componente ale metaloproteidelor sunt de natură ionică. NH CO CH R rest aminoacid

CO

CH

NH

CH COO rest Asp

Compuşii reprezentativi ai clasei metaloproteidelor sunt prezentaŃi mai jos:  Metaloproteidele cu fier din a căror clasă fac parte: hemosiderina (care este o formă de stocare a fierului), feritina (a cărei biosinteză se realizează din fierul alimentar şi care stochează atât fierul anorganic de provenienŃă exogenă, dar şi cel de provenienŃă 91

endogenă rezultat în urma proceselor metabolice), hemeritina (care are un conŃinut redus de fier şi care a fost izolată de la nevertebrate), conalbumina (care are în compoziŃie fierul divalent, a fost izolată din albuşul de ou, şi are capacitatea de a lega pe lângă fier, cupru şi zinc), catalaza (prezentă atât în regnula nimal cât şi în cel vegetal, acŃionând sub formă de oxidoreductază), ferodoxina (care participă la reacŃiile redox de la plantele superioare şi bacterii).  Metaloproteidele cu cupru sunt reprezentate de: ceruloplasmina (care are în moleculă 8 atomi de cupru), hemocianinele care sunt prezente în fluidele izolate de la nevertebrate şi peşti, şi care intervin în procesele de transport ale cuprului), azurina, tirosinaza, monoaminooxidaza, citocromoxidaza;  Metaloproteidele cu zinc sunt reprezentate de carbonic-anhidraza, carboxipeptidaze, fosfataza alcalină.  Alte metaloproteide sunt reprezentate de amilază (izolată din sânge, salivă, pancreas şi de la bacteria Aspergillus orizae, şi care este o metaloproteidă cu Ca2+), enoloza (izolată din drojdie, şi care este o metaloproteidă cu Mg2+), xantinoxidaza (izolată din ficat, şi în structura căreia participă fierul şi molibdenul. 4. FOSFOPROTEIDE Aceşti compuşi au componenta prostetică reprezentată de resturi de acid ortofosforic (H3PO4), iar componenta proteică este reprezentată de heteropoliaminoacizi şi hidroxiaminoacizi. În vederea formării fosfoproteidelor, resturile de acid ortofosforic se esterifică cu grupările hidroxilice ale hidroxiaminoacizilor. Fosfoproteidele sunt reprezentate de:  Fosfoproteidele din lapte: cazeina este prezentă în lapte sub formă de cazeinogen, iar în urma acidulării se transformă în cazeină. Cazeinele nu coagulează la cald, ci doar sub acŃiunea unor enzime – labfermentul şi în prezenŃa ionilor de Ca2+.  Fosfoproteidele din ou: fosfovitina, vitelina, vitelenina şi livetina decelate din gălbenuş. În albuşul de ou a fost decelată o fracŃiune ovalbuminică de natură fosfoproteică. 5. CROMOPROTEIDE Sunt compuşi capabili să confere culoare datorită componentelor prostetice reprezentative. În funcŃie de structura chimică a grupărilor cromogene din componenta prostetică şi de rolul biologic al cromoproteidelor, se prezintă următoarea clasificare:

92

Cu functie respiratorie Porfirinice Fãrã functie respiratorie

Cromoproteide

Cu functie respiratorie

Non-porfirinice

Fãrã functie respiratorie

A. Cromoproteidele porfirinice cu funcŃie respiratorie au structura chimică bazată pe porfirină. Din această clasă fac parte: a) Compuşii hemici  Hemoglobina prezentă în globulele roşii, este un pigment de culoare roşie, constituit dintr-o componentă prostetică denumită hem (format din protoporfirină şi un ion feros Fe2+), şi o componentă proteică numită globină (fig 3). Se cunosc mai multe specii de hemoglobine: hemoglobina A sintetizată din perioada intrauterină, hemoglobina E embrionară, hemoglobina F fetală şi hemoglobina S specifică anemiei falciforme.

CH=CH2 H3C

N

+2 N Fe N N

CH=CH2

CH3

H3C _

CH3

_ CH2CH2COO

OOCCH2CH2

Fig. 3 Structura hemului  DerivaŃii hemoglobinei sunt: oxihemoglobina, implicată în transportul O2 de la plămâni către Ńesuturi, carbhemoglobina, care asigură transportul CO2 de la Ńesuturi către plămâni, carboxihemoglobina, care leagă monoxidul de carbon de fierul din molecula hemoglobinei  Mioglobina este o cromoproteidă cu structură porfirinică care conferă culoare roşie muşchilor. Din punct de vedere structurale este asemănătoare hemoglobinei, cantităŃi însemnate de mioglobină fiind izolate din muşchii striaŃi şi miocard.  Citocromii sunt cromoproteide porfirinice care au gruparea prostetică reprezentată de fierporfirine, iar gruparea proteică este constituită din catene polipeptidice legate la un macrociclu tetrapirolic. Sub aspectul activităŃii biologice, se poate menŃiona că citocromii au fost decelaŃi 93

din organite celulare şi sunt implicaŃi în reacŃiile de transfer ale electronilor. b) Compuşii heminici – din punct de vedere structural, au macrociclul caracteristic reprezentat de hemina, care are în structura sa ionul Fe3+. Din această clasă fac parte: hidroxiperoxidazele (catalaza, peroxidaza), methemoglobina, clorheminele. B. Cromoproteidele porfirinice fără funcŃie respiratorie Din această categorie fac parte cloroglobinele şi legoglobina din regnul vegetal. a) Cloroglobinele sunt cromoproteide de culoare verde care se sintetizează în celulele vegetale. Componenta lor prostetică este reprezentată de clorofilă, iar componenta proteică de plastină. Clorofilele se află în organitele celulare, şi sunt pigmenŃi care în soluŃie alcoolică au o culoare verde-albastră şi o fluorescenŃă roşie (fig. 4). CH=CH2 H3C

H3C H

CH3 (CHO in clorofila b ) CH2CH3

N 2+ N Mg N

N CH3

H ROOCCH2CH2

CH CO COOCH3

R = rest fitil (C20H39) : H( CH2CHCH2CH2)3 CH2C=CHCH2 CH3

CH3

Fig.4 Clorofila a şi b b) Legoglobinele sunt cromoproteide de culoare roşie izolate de pe rădăcinile leguminoaselor. Din punct de vedere structural prezintă similitudini cu mioglobina. C. Cromoproteidele non-porfirinice cu funcŃie respiratorie Compuşii reprezentativi sunt: a) flavoproteidele care au gruparea prostetică reprezentată de aloxazină, un ciclu condensat de tip benzopteridinic. Aceşti compuşi sunt de culoare galbenă şi au fluoresceŃă verde. Roll lor biochimic este evidenŃiat prin participarea la reacŃiile redox din cadrul proceselor metabolice. b) cromoproteidele specifice nevertebratelor sunt reprezentate de pigmenŃii hemocianină şi clorocruorină.

94

D. Cromoproteidele non-porfirinice fără funcŃie respiratorie Din această grup fac parte: a) Hidrocarburile carotenoidice: licopina izolată din tomate, şi carotenii b) DerivaŃii carotenoidici oxigenaŃi care au în molecula lor oxigenul ca şi componet al unor grupări funcŃionale. Din acest punct de vedere aceşti derivaŃi se clasifică după cum urmează:  DerivaŃi carotenoidici hidroxilaŃi: luteina din florile galbene şi roşii , zeaxantina din porumb, , alloxantina  DerivaŃi carotenoidici hidroxilaŃi şi epoxidici: violaxantina din florile de panseluŃă (Viola tricolor), neoxantina  DerivaŃi carotenoidici cetonici: rodoxantina din frunzele de broscariŃă  DerivaŃi carotenoidici hidroxilaŃi şi cetonici: capsantina din ardeiul roşu  DerivaŃi carotenoidici aldehidici: retinal cu rol în activitatea optică fiind prezent în pigmenŃii vizuali rodopsina şi iodopsina  DerivaŃi carotenoidici carboxilaŃi: crocetina din Crocus sativus, bixina din planta tropicală Bixa orellana. Carotenoizii sunt implicaŃi în stimularea unor substanŃe biologic-active şi în procesele de autofotoliză şi oxido-reducere.

-

-

-

-

-

-

Concepte şi noŃiuni de reŃinut proteidele sunt compuşi cu structuri complexe care rezultă în urma policondensării unui număr mare de aminoacizi. Din punct de vedere structural se disting: holoproteide şi heteroproteide. holoproteidele sunt compuşi macromoleculari a căror structură este reprezentată exclusiv de aminoacizi. heteroproteidele sunt macromolecule cu structură complexă care sunt constituite dintr-o componentă prostetică de natură neproteidică reprezentată de glucide, lipide, metale, acizi nucleici, etc., şi o componentă proteidică reprezentată de aminoacizi. structura primară se defineşte prin succesiunea aminoacizilor în catena macromoleculară. La realizarea lanŃului polipeptidic se află în principal legăturile peptidice, dar şi legăturile de hidrogen şi cele disulfidice. Pentru definirea structurii primare trebuie cunoscută secvenŃa de aminoacizi, numărul şi speciile moleculare, având în vedere că fiecare lanŃ polipeptidic prezintă specificitate structurală. structura secundară se referă la forma spaŃială a catenei şi natura legăturilor care apar în catenă. Studii efectuate asupra unor proteine au stabilit că în cadrul polipeptidelor şi al proteinelor, modelele structurale cele mai întâlnite sunt cele de tip α – şi β- structurale. structura terŃiară reprezintă un nivel superior şi un stadiu de organizare mult mai avansat, această structură fiind caracterizată de replierea catenelor macromoleculare helicoidale într-un mod neordonat în spaŃiu, forma fiind stabilă termodinamic. structura cuaternară este rezulltatul interacŃiunilor catenelor polipeptidice independente care au structurile primară, secundară şi terŃiară bine definite. În cadrul structurii cuaternare, catenele 95

polipeptidice numite protomeri se asociază în agregate macromoleculare numite oligomeri. Structura cuaternară a fost studiată în amănunŃime în cazul hemoglobinei.

Întrebări de autoevaluare, aplicaŃii, probleme (2-5 întrebări, pot fi şi tip grilă) 1. 2. 3. 4. 5.

Care sunt principalele clase de proteide? CaracterizaŃi pe scurt holoproteidele. CaracterizaŃi pe scurt glucoproteidele. CaracterizaŃi pe scurt lipoproteidele. CaracterizaŃi pe scurt fosfoproteidele.

96

UNITATEA DE ÎNVĂłARE 12

NUCLEOPROTEIDE – ROL BIOCHIMIC. ACIZII NUCLEICI ÎN BIOCHIMIE . RELAłIA STRUCTURĂ CHIMICĂ – ACTIVITATE BIOLOGICĂ. 6. NUCLEOPROTEIDELE Nucleoproteidele sunt heteroproteide a căror grupare prostetică este reprezentată de acizii nucleici, care în funcŃie de structura chimică şi activitatea biologică se clasifică în acizi ribonucleici (ARN) şi acizi deoxiribonucleici (ADN). În compoziŃia acizilor nucleici intră:  pentozele (riboza în cazul ARN şi deoxiriboza în cazul ADN), HO HO

O

CH2

H

CH2

O

OH

OH

H

H

OH

OH

H

H

H

OH

H

H

H

β-D riboza

β-2'- deoxiriboza

 nucleobazele care pot fi: nucleobaze pirimidinice (care au ca structura de bază un heterociclu numit pirimidină), - care sunt citozina, uracilul şi timina. Ca o caracteristică aparte este important de menŃionat că uracilul este o nucleobază specifică ARN, iar timina o nucleobază specifică ADN, şi nucleobaze purinice (care au la bază structura nucleului purinic)- reprezentate de adenină şi guanină. N

N

N N

N H

N Pirimidina

Purina

Bazele azotate purinice care intră în componenŃa acidului dezoxiribonucleic sunt adenina, notată prescurtat prin A (6-aminopurina) şi guanina, notată prescurtat prin G (2-amino-6-oxipurina) O NH2

N

N

N

NH

NH

NH

N Guanina

N Adenina 97

NH2

Dintre bazele azotate pirimidinice, în compoziŃia acidului dezoxiribonucleic intră timina, notată prescurtat prin T (5-metildioxipirimidina) şi citozina, notată prescurtat prin C (2-oxi-4-aminopirimidina).

NH2

O

O

N NH

H3C

NH O

NH

Citozina

NH NH

O

Uracil

O

Timină

Legarea pentozelor în vederea constituirii nucleotidelor se face cu bazele azotate (legătura glicozidică la C1), şi cu acidul fosforic, legătura fosfodiesterică  acidul fosforic este componentul prin care se realizează legarea pentozelor la lanŃul macromolecular.

Precursorii structurali ai acizilor nucleici sunt reprezentaŃi de: a) nucleozide, care sunt combinaŃii N-glicozidice heterociclice care au în compoziŃie o nucleobază (purinică sau pirimidinică şi o pentoză (riboza sau deoxiriboza). Legarea componentelor se face la N1 al bazelor pirimidinice şi la N9 al bazelor purinice şi hidroxilul acetalic al β-D ribozei sau β-2'- deoxiribozei. 2222 HHHH NNNN NNNN

6

1

O

5`

HO CH2 4`

H

NNNN

2

5

3

4

O H

H 3`

2`

OH

OH

1`

H

citidin-N3-C1’-ribofuranozid

98

NH2

NH2

C

C

N

N

C

HC

C

N

CH N

CH HC

N

OH

C N

N

HOCH2 O H C C H H C

N C

HOCH2 O H C C H

CH

H C

OH

OH

adenin-N9-C1’-β-ribozilfuranozid

CH

2`

H

Dezoxiadenozina

Fig. 1 Legăturile N-glucidice din nucleozide Denumirea uzuală a ribonucleozidelor şi a deoxiribonucleozidelor este prezentată în tabelul de mai jos. Baze azotate

Ribonucleozide

Nume

S/3L

Nume

S/3L

Baze Pirimidinice

Pyr

nuclozide Pirimidinice

Pyd

Citozină

Cyt

Citidină

Cyd

Uracil

Ura

Uridină

Urd

Dezoxiribonucleozide S/1L Nume Y

S/3L

S/1L

2’dezoxiribonucleozide pirimidinice

dPyd

dY/Yd

C

2’.dezoxicitidina

dCyd

dC/Cd

U

2’-dezoxiuridina

dUrd

dU/Ud

Timină

Thy

Ribozil-timină

Thd

T

(2’-dezoxi)timina

dThd

dT/Td

Baze Purinice

Pur

nucleozide Purinice

Puo

R

2’dezoxiribonucleozide purinice

dPuo

dR/Rd

Adenina

Ade

Adenozina

Ado

A

2’-dezoxiadenozina

dAdo

dA/Ad

Guanina

Gua

Guanozina

Guo

G

2’-dezoxiguanozina

dGuo

dG/Gd

Xantina

Xan

Xantozina

Xao

X

2’-dezoxixantozina

dXao

dX/Xd

Hipoxantina

Hyp

Inozina

Ino

I

b) nucleotide care sunt esteri fosforici ai nucleozidelor. În moleculele acestora se întâlnesc legături pentoză- nucleobază şi pentoză – fosfat. Din categoria nucleotidelor fac parte compuşi simpli care conŃin în moleculă doar pentoze, nucleobaze şi radical fosfat, (mononucleotide) precum şi compuşi rezultaŃi în urma fosforilării sau policondensării moleculelor (derivaŃi nucleotidici).

99

OH HO

OH HO

P

O

O

CH2 H

O

CH2

H H O

O

H OH

bază

O

H

H

H

O

H

bază

O

P

OH

HO

P

O

OH

Fig.2 Nucleozid 5’ fosfat şi nucleosid 3’, 5’ difosfat Mononucleotidele sunt denumite şi derivaŃi monofosforilaŃi la care gruparea fosfat se leagă la unul dintre hidroxilii liberi ai pentozei. DerivaŃii nucleotidici se fosrmează fie prin di- şi trifosforilarea mononucleotidelor, rezultând nucleozid-polifosfaŃi, sau prin policondensarea homo- sau heteronucleotidelor rezultând polinucleotide.

ACIZII NUCLEICI 1. ACIDUL DEOXIRIBONUCLEIC Macromolecula de DNA este un compus format din mononucleotide care conŃin deoxiriboză. a) Structura primară Structura primară a macromoleculei de DNA este constituită din secvenŃa deoxirobonucleotidelor care conŃin cele patru nucleobaze caracteristice: adenina, timina, citozina şi guanina.

100

Fig.3 Fragment macromolecula de DNA a) formula unei catene de DNA (tetramer) b) reprezentarea schematică a catenei Structura unei catene polinucleotidice este redată, întotdeauna, cu capătul 5, în stânga şi cu cel 3, în dreapta. Două lanŃuri polinucleotidice sunt antiparalele (poziŃia normală a catenelor în ADN) atunci când unul are nucleotidele orientate în direcŃia 5, → 3,, iar celălalt în direcŃia 3,→5, b) Structura secundară În elucidarea acestei structuri s-a pornit de la următoarele premize: - există o echivalenŃă între cuantumul nucleobazelor A=T şi G=C; - există o echivalenŃă între raŃiile molare ale nucleobazelor A+G= C+T - raportul cvasiunitar în cazul (A+G)-/ (C+T)≈1 În 1953 Watson şi Crick au emis ipoteza conform căreia macromolecula de DNA are o structură de dublu helix, constituit din două catene antiparalele. Legătura dintre catenele dublului helix se realizează cu ajutorul unor legături de hidrogen la nivelul nucleobazelor, două legături de hidrogen între A-T şi trei legături G-C. 101

Modelul Watson – Crick Există şi modelul Hoogsteen care ilustrează modul de realizare a legăturilor de hidrogen între nucleobaze, mod care nu este specific decât macromoleculeor sintetice.

Legături de tip Hoogsteen c) Structura terŃiară reprezintă modul în care macromolecula de DNA este dispusă în spaŃiu, în cromozomii eucariotelor şi procariotelor.

102

2. ACIDUL RIBONUCLEIC Din punct de vedere al compoziŃiei şi structurii, acizii ribonucleici sunt, spre deosebire de acidul deoxiribonucleic de obicei, monocatenari şi au, în componenŃa nucleotidelor lor, riboza şi bazele azotate adenină, guanină, citozină şi uracil. Din punct de vedere structural şi funcŃional putem distinge: RNA viral, care este substratul ereditar al ribovirusurilor, RNA celular care este implicat în transferul informaŃiei genetice. RNA celular, la rândul lui poate fi: mRNA – RNA mesajer, tRNA – RNA de transfer şi r-RNA – RNA ribosomal. Şi în cazul macromoleculei de RNA există niveluri de organizare: primar, secundar şi terŃiar. a) Structura primară este reprezentată similar cu cea de la macromolecula de DNA, cu precizarea că nucleobaza tipică macromoleculei de DNA, timina este înlocuită de uracil. b) Structura secundară a fost mai puŃin studiată, dar cercetările au condus la ideea unei structuri rigide, care are imaginea unei frunze de trifoi, aşa – numita „structură de treflă”. c) Structura terŃiară a fost determinată prin metoda difracŃiei cu raze X, şi s-a evidenŃiat că aceasta are litera formei L NH2 N N

N

O O

P

O

Adeninã

NH2

N

O

O-

N

H

H

O

OH

H

O

H

P

Citozinã

N

O O

O

N

O H

OH

Guaninã H

O O

P

NH

H N

OH O

O

N

O

O-

NH

H

H

O

OH

H

O

H

P

NH2

N

O

Uracil

O

O-

H

H

O

OH

H

O

O

H

P

O-

O-

Fig.6 Fragment din macromolecula de RNA http://glossary.periodni.com/glossary.php?en=ribonucleic+acids

103

Structura ARN de transport: a) Structură secundară; http://medical-dictionary.thefreedictionary.com/heterogeneous+nuclear+RNA b) Structură terŃiară Principalele tipuri de RNA  RNA mesager (mRNA) este sintetizat în nucleul celular şi este implicat în procesul de transcripiŃie a informaŃiei genetice în decursul sintezei proteice ;  RNA de transfer (tRNA) care are rolul de transportor al moleculelor de aminoacizi în decursul biosintezei proteice. ConformaŃia de treflă atribuită structurii secundare este specifică acestui tip de RNA.  RNA ribosomal a fost izolat din ribosomi, care au un rol deosebit de important în biosinteza proteinelor. Macromoleculele de acizi nucleici sunt purtători şi transmiŃători ai informaŃiei genetice de la formele parentale la formele filiale, pe toată durata procesului de succesiune a generaŃiilor. InformaŃia genetică are un rol deosebit de important în sinteza proteinelor, existând o corespondenŃă între structura codonilor din structura acizilor nucleici şi succesiunea aminoacizilor din polipeptide, legătură concretizată în relaŃia structură chimică – activitate biologică. Concepte şi noŃiuni de reŃinut - nucleoproteidele sunt heteroproteide a căror grupare prostetică este reprezentată de acizii nucleici, care în funcŃie de structura chimică şi activitatea biologică se clasifică în acizi ribonucleici (RNA) şi acizi deoxiribonucleici (DNA). - macromolecula de DNA este un compus format din mononucleotide care conŃin deoxiriboză, are o structură bicatenară, şi are în structură pe lângă pentoză, nucleobazele: adenină, citozină, guanină şi timină. - din punct de vedere al compoziŃiei şi structurii, acizii ribonucleici sunt, spre deosebire de acidul deoxiribonucleic de 104

-

-

obicei, monocatenari şi au, în componenŃa nucleotidelor lor, riboza şi bazele azotate adenină, guanină, citozină şi uracil. macromoleculele de acizi nucleici sunt purtători şi transmiŃători ai informaŃiei genetice de la formele parentale la formele filiale, pe toată durata procesului de succesiune a generaŃiilor. informaŃia genetică are un rol deosebit de important în sinteza proteinelor, existând o corespondenŃă între structura codonilor din structura acizilor nucleici şi succesiunea aminoacizilor din polipeptide, legătură concretizată în relaŃia structură chimică – activitate biologică.

Întrebări de autoevaluare, aplicaŃii, probleme 1. ScrieŃi structura chimică a nucleobazelor purinice. 2. ScrieŃi structura chimică a nucleobazelor pirimidinice. 3. Enumerati componentele unei nucleotide.

105

UNITATEA DE ÎNVĂłARE 13

APA CA MEDIU BIOLOGIC: DISTRIBUłIA ŞI ROLUL APEI ÎN ORGANISM. CARACTERISTICI STRUCTURALE ALE MOLECULEI DE APĂ. I. APA CONSTITUENT AL MATERIEI VII Apa este principalul constituent al organismelor din regnul vegetal şi animal, fiind un solvent al bioconstituenŃilor din mediul intern. În organism apa prezintă roluri multiple dintre care amintim: • participă la procesele de morfogeneză, fiind constituent al celulelor şi Ńesuturilor; • are capacitate mare de solubilizare a compuşilor de natură organică precum şi a compuşilor biominerali din organism; • produce hidratarea a numeroase substanŃe, intervenind în disocierea electroliŃilor; • constituie mediul optim de desfăşurare a proceselor metabolice; • intervine în transportul diverselor substanŃe din organism ; • constituie mediul de reacŃie necesar proceselor biochimice; • asigură menŃinerea echilibrului acido-bazic, osmotic şi coloid-osmotic; • participă la procesele de termoreglare ; • participă la transportul transmembranar al bioconstituenŃilor anorganici şi organici, prin mecanismele de transport activ şi pasiv. Necesarul de apă al organismului uman variază în limite fiziologice, fiind condiŃionat de numeroşi factori ai mediului extern, intern, dar şi de cuantumul alimentelor, de pierderile de apă prin transpiraŃie, starea fiziologică, şi statusul morfo-fiziologic al organismului.

Fig. 1 BilanŃul general al apei în organismul uman

106

II. STRUCTURA CHIMICĂ A APEI Apa are în moleculă hidrogen şi oxigen, legate între ele printr-o legătură covalentă intramoleculară şi legături de hidrogen intermoleculare.

În interacŃiunea moleculelor de apă cu proteinele intervin forŃe electrostatice, care apar şi în cazul fenomenului de solvatare în apă, prin care dipolii reprezentaŃi de moleculele de apă se dispun în jurul anionilor şi cationilor. InteracŃiunile de acest tip prezintă importanŃă în stabilirea echilibrului acido-bazic în lichidele biologice. Dintre proprietăŃile fizico-chimice ale apei putem aminti proprietăŃile coligative:
scăderea presiunii de vapori
scăderea punctului de îngheŃ
creşterea punctului de fierbere
presiunea osmotică Cantitatea de apă din organism variază în funcŃie de vârstă, stare fiziologică, organ, Ńesut, repartiŃia apei realizându-se la nivelu lcelor două compartimente: intracelular şi extracelular. La nivelul compartimentului intracelular apa reprezintă 38% din greutatea corporală, şi se constituie în apă liberă şi apă legată. În compartimentul extracelular, apa reprezintă 28% din greutatea corporală, fiind reprezentată cu precădere de apa liberă. Concepte şi noŃiuni de reŃinut - molecula de apă are în moleculă hidrogen şi oxigen, legate între ele printr-o legătură covalentă intramoleculară şi legături de hidrogen intermoleculare. - dintre proprietăŃile fizico-chimice ale apei putem aminti proprietăŃile coligative: scăderea presiunii de vapori, scăderea punctului de îngheŃ, creşterea punctului de fierbere, presiunea osmotică - la nivelul compartimentului intracelular apa reprezintă 38% din greutatea corporală, şi se constituie în apă liberă şi apă legată. În compartimentul extracelular, apa reprezintă 28% din greutatea corporală, fiind reprezentată cu precădere de apa liberă.

107

Întrebări de autoevaluare, aplicaŃii, probleme (2-5 întrebări, pot fi şi tip grilă) 1. Care este rolul apei în organism? 2. Care sunt proprietăŃile coligative ale apei? 3. Care este bilanŃul general apei în organismul uman ?

108

UNITATEA DE ÎNVĂłARE 14

COMPUŞI BIOANORGANICI. ELEMENTE MACRO-, OLIGO- ŞI MICROBIOGENE. ROL BIOLOGIC ŞI BIOCHIMIC. COMPUŞII BIOANORGANICI ÎN ALIMENTAłIE ŞI ÎN ORGANISMUL UMAN. PREZENTARE GENERALĂ Compuşii biominerali se pot clasifica în : macrobioelemente din care fac parte: C, O, H, N, Ca şi P, oligobioelemente care sunt prezente în cantităŃi mai reduse (sodiu, potasiu,magneziu, sulf, clor) şi microbioelemnte care sunt prezente în cantităŃi foarte reduse. În continuare se prezintă succint principalele bioelemente precum şi rolul acestora în organism. 1. Compuşi biominerali cu caracter cationic 1.1.

Macrobioelemente şi oligobioelemente cu caracter cationic

SODIUL este distribuit cu precădere în compartimentul extracelular, acesta intervenind în reglarea presiunii osmotice, a echilibrului acido-bazic, în excitabilitatea neuro-musculară şi în fenomenele de polarizare-repolarizare. Sodiul este introdus în organism prin alimente, cu precădere prin clorura de sodiu. Deficitul de sodiu se poate datora unui aport alimentar insuficient, pierderilor prin vomismente, stări diareice. Excesul de sodiu se manifestă prin apariŃia de edeme. Necesarul de sodiu este de 2,4 – 3,6 g / zi POTASIUL este distribuit exclusiv intracelular, având roluri multiple: asigură osmolaritatea mediului intracelular; creşte excitabilitatea neuro-musculară; intervine în menŃinerea automatismului cardiac; intervine în procesele de digestie şi are efecte diuretice, favorizând eliminarea apei şi a clorurii de sodiu Deficitul poate apare în anorexie, alcoolism, perfuzii, colită, sindrom de malabsorbŃie, postoperator Excesul apare în urma transfuziilor. Necesarul este de 2-4 g /zi. CALCIUL se află în organismul uman în cantităŃi de 1,1-1,5 kg., peste 98% aflându-se în Ńesutul osos. În , menŃinerea hosânge concentraŃia calciului este de 8,5-10,5 mg/dL. Calciul se mai află în organism în dinŃi sub formă de CaF2, CaCl2 în umori, carbonat de calciu în salivă. Calciul mai intervine şi în procesele de coagulare ale sângelui, activarea unor enzime, menŃinerea statusului homeostaziei echilibrului hidro-electrolitic. Deficitul apare în urma unei excreŃii urinare crescute, în sarconă şi lactaŃie, în tulburări hormonale şi metabolice, în afecŃiuni hepatice, 109

consum de alcool şi medicamente. Ca urmare a deficitului de calciu poate apare tetania, musculară latentă sau cronică, însoŃită de hipocalcemie şi hipercalciurie, rahitism infantil şi osteoporoză la senescenŃă. Excesul se întâlneşte mai rar şi se asociază cu deficitul de vitamina D. MAGNEZIUL este un bioconstituent care se află în cea mai mare parte în schelet, dar şi în celule şi spaŃiul extracelular. Acesta are roluri multiple: intervine în procesele metabolice, participă la asigurarea structurii de rezistenŃă osoasă, şi la structurile de rezistenŃă dentară, precum şi la reducerea excitabilităŃii neuromusculare a fibrelor miocardice. Intervine în transmiterea influxului nervos şi în fenomenele de transport transmembranar, reduce acumularea de colesterol la nivelul pereŃilor vasculari. Intervine de asemenea în procesul de fotosinteză. Deficitul poate apare în urma unei alimentaŃii dezechilibrate, a administrării de perfuzii, vomismente, ciroză hepatică, afecŃiuni renale. Excesul apare mai rar, în urma unor tratamente chimioterapice, insuficienŃa renală cronică, hipotiroidism. 1.2.

Microbioelemente cu caracter cationic

FIERUL este principalul microbioelement cu caracter cationic fiind important datorită distribuŃiei în anumite cromoproteide, în enzime, dar şi participant la diferite procese fiziologice (asigură transportul şi depozitarea de oxigen molecular, sub formă de transferină şi feritină, menŃine rezerva de oxigen în hemoglobină şi mioglobină). Deficitul se manifestă condiŃionat de factori extrinseci sau intrinseci, malabsorbŃie, pierdere de fier prin hemoragii, sindrom nefrotic. Excesul apare rar în condiŃiile unei absorbŃii excesive a fierului din alimente, alcoolism cronic, insuficienŃa hepatică şi pancreatică. CUPRUL este un microelement cationic esenŃial , care a fost izolat în compuşi de natură metaloproteidică. Este component al cuproproteinelor cu funcŃie de enzime: citocromoxidaza, liziloxidaza, monoaminooxidaza, ceruloplasmina, superoxiddismutaza. Cuprul intervine în sinteza proteinelor complexe ale Ńesuturilor conjunctive ale scheletului şi vaselor sanguine, precum şi în compuşi neuroactivi. Deficitul poate fi datorat unui aport alimentar redus, scăderea absorbŃiei intestinale, pierderi crescute. Un deficit fiziologic poate apare în cursul sarcinii şi al lactaŃiei. CarenŃa de cupru poate produce hipopigmentarea pielii şi a părului, anomalii vasculare. Excesul poate apare în mediile industriale, în urma consumului de apă contaminată, produse medicamentoase cu conŃinut de cupru. ZINCUL este un microelement esenŃial pentru organismele vii. Zincul este un constituent al unor metalo-enzime: carboxipeptidaza, fosfataza alcalină, aminopeptidaze, DNA-polimeraza, DNA-polmeraza. De asemenea, intervine în acŃiunea uor hormoni: insulina. Este stabilizator al structurii moleculare a lipoproteinelor din membrana celulară. Participă la biosinteza şi biodegradarea glucidelor, lipidelor şi a proteinelor, dar şi a acizilor nucleici. Deficitul se datorează aportului nutriŃional insuficient, malnutriŃiei proteice, hepatita virală, ciroza, insuficienŃa pancreatică. 110

Excesul apare rar ca rezultat al intoxicaŃiei acute sau cronice c substanŃe care conŃin zinc sau care sunt depozitate în containere galvanizate. MANGANUL este esenŃial plantelor, animalelor şi omului. În regnul vegetal este cunoscut rolul manganului în evoluŃia şi activitatea cloroplastelor. În organismul uman participă în diferite sisteme enzimatice : enzimele din ciclul Krebs, fosfataza acidă, fosfataza alcalină, participând în procese de oxidare celulară. Intervine în sinteza proteinelor, a compuşilor din clasa glicozaminoglicanilor, a colesterolului. Deficitul este cauzat de carenŃa alimentară şi de tulburări hepatice. Excesul apare în intoxicaŃii accidentale, infarctul miocardic, pneumonii cauzate de inhalarea pulberilor de mangan. COBALTUL se află în cantităŃi mici în organismele plantelor şi ale animalelor. Este singurul microelement biologic active care la om se află doar sub formă de vitamina B12. Deficitul apare în anemia pernicioasă şi în tulburările hematopoetice. Excesul este rar, şi poate afecta miocardul. MOLIBDENUL este un microbioelement present în constituŃia enzimelor flavinice, care intervin în procesele redox. Deficitul se poate datora carenŃei acestuia în alimente sau tulburărilor de absorbŃie. Excesul poate fi cauzat de acumulări accidentale care duc la efecte toxice. CROMUL este considerat ca un factor de toleranŃă la glucosa, în sensul în care facilitează captarea insulinei de către receptorii tisulari specifici. Intervine în provenirea aterosclerozei . Deficitul apare în alimentaŃia parenterală îndelungată. Excesul apare în disfuncŃii renale şi hepatice. NICHELUL face parte din compoziŃia unor enzime: ureaza, hidrogenaza, carbonmonoxiddehidrogenaza. În condiŃii normale nichelul activează RN- polimeraza şi contribuie la stabilizarea macromoleculelor de DNA şi RNA asigurând creşterea stabilităŃii acestora la denaturarea termică. Deficitul este generat de insuficienŃa aportului alimentar. Excesul este implicat în afecŃiunile canceroase respiratorii şi digestive. Alte microbioelemente cu caracter cationic sunt: vanadiu, litiu, aluminiu. 2. Compuşi biominerali cu caracter anionic 2.1.

Macrobioelemente şi oligobioelemente cu caracter anionic

FOSFORUL este un macrobioelement nemetalic prezent în sistemele vii, fiind indispenabil funcŃiilor vitale. Din totalul de 550-850 g de fosfor prezent în organismul unui adult, 80-85% se află în schelet şi în dinŃi, 6% se află în muşchi şi circa 9% în nervi şi sânge. 111

Deficitul apare în malnutriŃia proteică, în sindromul de malabsorbŃie, în etilism, la utilizarea excesivă a unor medicamente şi în hiperparatiroidism. Excesul apare rar în cazul insuficienŃei renale cronice, hipoparatiroidismului, aportului nutriŃional excesiv traumatismelor mari, leucemie. În astfel de cazuri se urmăreşte reducerea alimentelor cu conŃinut ridicat de fosfor: carne, ouă, cereale. SULFUL este un oligobioelement nemetalic indispensabil bunei funcŃionări a Ńesuturilor şi celulelor din regnul vegetal şi animal. Este un component fundamental pentru numeroase proteine, glicozaminoglicani, hormoni, vitamine. În organismul adult sulful se află sub două forme: compuşi anorganici şi compuşi organici, care au rol important în procesele de morfogeneză. Rolul funcŃional al sulfului constă în participarea la procesele redox, în coagularea sângelui, în procesele de detoxifiere. Deficitul şi excedentul se pun mai greu în evidenŃă. CLORUL este prezent în organismele vegetale şi animale sub formă de cloruri sau acid clorhidric. În organism intervine în reglarea presiunii osmotice, a echilibrului acido-bazic, a balanŃei hidrice. De asemenea intervine la formarea acidului clorhidirc din sucul gastric şi intervine în activarea amilazei salivare. Deficitul poate fi consecinŃa unor modificări fizio-patologice: transpiraŃii abundente, vomismente, stări diareice, comă, insuficienŃa corticosuprarenală. Excedentul se poate datora consumului excesiv de sare de bucătărie, sau existenŃei unor tulburări patologice care cauzează scăderea eliminării întâlnite în afecŃiuni renale şi cardiace. 2.2.

Microbioelemente cu caracter anionic

IODUL este un microbioelement nemetalic existent în cantirăŃi foarte reduse în organismul omului, fiind vehiculat de hormonii tiroidieni excretaŃi în sânge în funcŃie de nevoile fiziologice. Deficitul se află la originea unor tulburări metabolice care produc dereglări în funcŃionarea glandei tiroide. CarenŃa de iod este cunoscută sub denumirea de “guşă endemică”. Excesul este rar întâlnit. FLUORUL se află în cantităŃi mari în frunze de ceai. În cantităŃi mici în organismul uman este localizat în oase şi dinŃi. Este indispensabil în procesul de osificare, în formarea şi structurarea colagenului, intră în constituŃia smalŃului dentar. Deficitul favorizează apariŃia cariilor dentare. SELENIUL este prezent în toate celulele organismului, având acŃiune antioxidantă. Este un constituent al enzimei glutation – SH – peroxidaza care previne efectele nocive ale peroxidării lipidelor cu conŃinut crescut în acizi graşi nesaturaŃi. În cantităŃi mici are acŃiune antinecrotică. Alte bioelemente cu caracter anionic sunt: siliciul şi bromul.

112

3. Compuşi minerali cu potenŃial toxicogen MERCURUL este un contaminant major în arealul existenŃial al omului. Compuşii anorganici şi organici ai acestuia au largă întrebuinŃare în industria chimică, metrologie, electrotehnică, stomatologie, agricultură. Aflat în apă sau sol afectează membrana celulară, cromozomii, mitocondriile. CADMIUL este folosit în industria metalurgică, chimică, tipografie, stomatologie. În organism cadmiul un există la nou-născut, care este protejat de bariera hemato-placentară. In organismul adult se acumulează ca o consecinŃă a acumulării apei şi a alimentelor, la nivel de rinichi, ficat, plămân. Efectele toxice ale cadmiului se asociază cu boli hipertensive, tulburări vasculare hipertensive. De asemenea, cadmiul influenŃează funcŃia de reproducere. PLUMBUL provine din aplicaŃiile industriale, fiind poluantul major din gazele de eşapament ale motoarelor cu ardere internă. Acumularea plumbului este reprezentată de contaminarea băturilor şi alimentelor. Concepte şi noŃiuni de reŃinut - compuşii biominerali se pot clasifica în : macrobioelemente din care fac parte: C, O, H, N, Ca şi P, oligobioelemente care sunt prezente în cantităŃi mai reduse (sodiu, potasiu,magneziu, sulf, clor) şi microbioelemnte care sunt prezente în cantităŃi foarte reduse.

Întrebări de autoevaluare, aplicaŃii, probleme 1. Care este rolul biologic al compuşilor biominerali cu caracter cationic? 2. Care este rolul biologic al compuşilor biominerali cu caracter anionic? 3. DaŃi trei exemple de compuşi minerali cu caracter toxicogen?

113