Biochimie. Manual. Grigore MUSTEAŢĂ Dan ZGARDAN 27.04.16

0

Grigore MUSTEAŢĂ

Dan ZGARDAN

BIOCHIMIE

CHIŞINĂU 2015

1

CZU: 577.1(0.75.8) M 98 Manualul a fost aprobat de către senatul Universităţii Tehnice a Moldovei Recenzent: Galina Comarov, doctor în ştiinţe biologice, conferenţiar universitar, UASM Coperta: Victor Ciocârlan Vadim Vulpe

Descrierea CIP a Camerei Naţionale a Cărţii Musteaţă Grigore, Zgardan Dan Biochimie: Manual / Musteaţă Grigore, Zgardan Dan; Univ. Tehnică a Moldovei. – Ch.: UTM, 2015.– 359 p. Bibliografia la sfârşitul capitolelor ISBN 978-9975-45-400-1 577.1(075.8) M 98

ISBN ©Grigore Musteaţă, Dan Zgardan, 2015 ©Universitatea Tehnică a Moldovei, 2015

ISBN 978-9975-45-400-1

2

PREFAŢĂ Prezenta lucrare a fost concepută de către autori ca manual de biochimie care să vină în ajutorul studenţilor şi al specialiştilor din diferite ramuri ale industriei alimentare. Studierea biochimiei de către viitorii specialişti este de o importanţă primordială. Cunoscând compoziţia chimică a materiei prime şi a produselor alimentare, se poate ţine sub control impactul acestora asupra sănătăţii consumatorilor. Pe baza cercetărilor de biochimie se stabileşte valoarea alimentară şi energetică a diferitelor produse de origine vegetală sau animală. În multe ramuri ale industriei alimentare, transformările biochimice din produse stau la baza întregului proces tehnologic. Dacă se cunosc procesele biologice care se desfăşoară în materia primă, se poate interveni prin diferite măsuri tehnologice la ameliorarea calităţii produselor şi la diminuarea pierderilor rezultate la alterarea alimentelor. Biochimia se face importantă şi prin faptul că contribuie la soluţionarea unor probleme cu care se confruntă medicina, agricultura, ecologia, zootehnia, farmaceutica. Manualul cuprinde două părţi. În partea I – Biochimie statică – se descriu compuşii chimici de bază ai materiei vii: biopolimeri cu rol informaţional (acizi nucleici), structural şi funcţional (proteine şi enzime), energetic şi de rezervă (glucide); lipide, vitamine, precum şi substanţe secundare de origine vegetală (compuşi fenolici, alcaloizi, izoprenide). În partea II – Biochimie dinamică – se prezintă transformările biochimice ale compuşilor organici care stau la baza unor procese biologice fundamentale (metabolismul aminoacizilor şi al amoniacului, biosinteza acizilor nucleici şi a proteinelor, fotosinteză, glicoliză, fermentaţii, respiraţie, degradarea poliglucidelor), interrelaţii metabolice şi energetice. Manualul cuprinde formule, scheme, figuri, tabele, glosare care facilitează înţelegerea textului. Testarea ca metodă de evaluare a cunoştinţelor, devenită tradiţională în învăţământul occidental, se înrădăcinează şi în procesul educaţional din Republica Moldova. De mai mulţi ani testarea constituie una din metodele de apreciere a cunoştinţelor la susţinerea examenelor în instituţiile de învăţământ superior. Ţinând cont de aceasta, la sfârşitul capitolelor sunt prezentate exemple de teste de evaluare a cunoştinţelor. Cartea se adresează studenţilor, specialiştilor din diferite ramuri ale industriei alimentare, dar poate fi de folos şi studenţilor din domeniul ştiinţelor biologice, agriculturii, medicinii umane şi veterinare, farmaceuticii. Manualul poate fi de asemenea un instrument util atât pentru cadrele didactice din învăţământul preuniversitar, masteranzi, doctoranzi, cât şi pentru cei care doresc să-şi perfecţioneze competenţele în acest domeniu. Autorii vor fi recunoscători specialiştilor pentru sugestiile lor care ar contribui la îmbunătăţirea acestui manual în eventualitatea unei reeditări. Mulţumiri. Autorii țin să mulțumească doamnei doctor conferențiar universitar Galina Comarov pentru bunăvoința de a recenza această lucrare. Suntem de asemenea recunoscători domnilor Victor Bostan (Bostavan Wineries Group) și Vasile Drăgan (SRL Linella) pentru sprijinul financiar acordat la apariția acestei cărți.

3

CUPRINS PREFAŢĂ................................................................................................................................................................3 I. BIOCHIMIE STATICĂ CAPITOLUL 1. INTRODUCERE ÎN CURSUL DE BIOCHIMIE.........................................................................6 1.1. Obiectul de studiu al biochimiei............................................................................................................6 1.2. Istoria dezvoltării şi metodele de cercetare în biochimie......................................................................6 1.3. Importanţa biochimiei în industria alimentară......................................................................................7 CAPITOLUL 2. CELULA........................................................................................................................................9 2.1. Aspecte generale....................................................................................................................................9 2.2. Compoziţia chimică a celulei..............................................................................................................10 2.3. Evoluţia biochimică.............................................................................................................................14 2.4. Celula eucariotă...................................................................................................................................15 CAPITOLUL 3. ACIZII NUCLEICI......................................................................................................................23 3.1. Rolul acizilor nucleici în ereditate.......................................................................................................23 3.2. Nucleozidele şi nucleotidele...............................................................................................................24 3.3. Acidul dezoxiribonucleic (ADN)........................................................................................................26 3.4. Acidul ribonucleic (ARN)...................................................................................................................30 3.5. Codul genetic.......................................................................................................................................32 CAPITOLUL 4. AMINOACIZII, PEPTIDELE ŞI PROTEINELE.......................................................................37 4.1. Aminoacizii.........................................................................................................................................37 4.2. Peptidele şi polipeptidele....................................................................................................................40 4.3. Clasificarea şi caracteristica generală a proteinelor............................................................................42 4.4. Organizarea structurală a proteinelor..................................................................................................46 4.5. Proprietăţile fizico-chimice ale proteinelor.........................................................................................48 4.6. Funcţiile proteinelor în celulă..............................................................................................................51 CAPITOLUL 5. ENZIMELE.................................................................................................................................55 5.1. Aspecte generale.................................................................................................................................55 5.2. Constituienţii şi organizarea structurală a enzimelor..........................................................................56 5.3. Specificitatea enzimelor......................................................................................................................57 5.4. Mecanismul şi cinetica reacţiilor enzimatice......................................................................................58 5.5. Mecanismele de reglare a activităţii enzimatice..................................................................................62 5.6. Nomenclatura şi clasificarea enzimelor..............................................................................................64 CAPITOLUL 6. GLUCIDELE..............................................................................................................................86 6.1. Aspecte generale.................................................................................................................................86 6.2. Monoglucidele.....................................................................................................................................87 6.3. Oligoglucidele...................................................................................................................................100 6.4. Poliglucidele......................................................................................................................................104 6.5. Rolul biologic al glucidelor...............................................................................................................118 CAPITOLUL 7. LIPIDELE..................................................................................................................................123 7.1. Aspecte generale...............................................................................................................................123 7.2. Acizii graşi........................................................................................................................................124 7.3. Lipidele simple..................................................................................................................................130 7.4. Lipidele complexe.............................................................................................................................137 7.5. Compuşii cu caracter lipidic……......................................................................................................141 7.6. Rolul biologic al lipidelor.................................................................................................................144

4

CAPITOLUL 8. METABOLIŢII SECUNDARI..................................................................................................149 8.1. Particularităţile metabolismului secundar la plante...........................................................................149 8.2. Alcaloizii...........................................................................................................................................150 8.3. Izoprenidele.......................................................................................................................................156 8.4. Compuşii fenolici..............................................................................................................................158 CAPITOLUL 9. VITAMINELE...........................................................................................................................174 9.1. Aspecte generale................................................................................................................................174 9.2. Vitaminele liposolubile.....................................................................................................................175 9.3. Vitaminele hidrosolubile...................................................................................................................179 II. BIOCHIMIE DINAMICĂ CAPITOLUL 10. METABOLISMUL ŞI BIOENERGETICA............................................................................189 10.1. Aspecte generale ale metabolismului..............................................................................................189 10.2. Surse de energie şi carbon ale organismelor...................................................................................191 10.3. Energia liberă şi biomoleculele macroergice..................................................................................194 CAPITOLUL 11. ANABOLISMUL GLUCIDELOR.........................................................................................202 11.1. Fotosinteza.....................................................................................................................................202 11.2. Chemosinteza.................................................................................................................................216 11.3. Gluconeogeneza..............................................................................................................................220 11.4. Biosinteza oligo-şi poliglucidelor...................................................................................................222 CAPITOLUL 12. CATABOLISMUL GLUCIDELOR.......................................................................................231 12.1. Aspecte generale despre respiraţia celulară....................................................................................231 12.2. Glicoliza..........................................................................................................................................233 12.3. Fermentaţiile....................................................................................................................................239 12.4. Ciclul Krebs....................................................................................................................................246 12.5. Fosforilarea oxidativă......................................................................................................................251 12.6. Tipuri specifice de oxidare a substratului respirator.......................................................................262 12.7. Scindarea poli-şi oligoglucidelor.....................................................................................................268 CAPITOLUL 13. METABOLISMUL AMINOACIZILOR ŞI AL AMONIACULUI........................................275 13.1. Circuitul azotului în biosferă...........................................................................................................275 13.2. Anabolismul aminoacizilor.............................................................................................................276 13.3. Catabolismul aminoacizilor.............................................................................................................286 13.4. Metabolismul amoniacului..............................................................................................................293 CAPITOLUL 14. METABOLISMUL ACIZILOR NUCLEICI ŞI BIOSINTEZA PROTEINELOR.................299 14.1. Replicarea ADN-lui.........................................................................................................................299 14.2. Reparaţia ADN-ului........................................................................................................................304 14.3. Transcripţia......................................................................................................................................305 14.4. Modificările posttranscripţionale ale ARN-ului..............................................................................311 14.5. Translaţia.........................................................................................................................................314 CAPITOLUL 15. METABOLISMUL LIPIDELOR............................................................................................325 15.1. Biosinteza acizilor graşi..................................................................................................................326 15.2. Biosinteza trigliceridelor şi a glicerofosfolipidelor.........................................................................331 15.3. Biosinteza fosfolipidelor membranare............................................................................................334 15.4. Biosinteza colesterolului, steroizilor şi a izoprenidelor..................................................................337 15.5. Catabolismul trigliceridelor.............................................................................................................338 ANEXE................................................................................................................................................................351

5

I. BIOCHIMIA STATICĂ CAPITOLUL 1. INTRODUCERE ÎN CURSUL DE BIOCHIMIE 1.1. Obiectul de studiu al biochimiei 1.2. Istoria dezvoltării şi metodele de cercetare în biochimie 1.3. Importanţa biochimiei în industria alimentară 1.1. OBIECTUL DE STUDIU AL BIOCHIMIEI Biochimia sau chimia biologică – este ştiinţa despre compoziţia chimică şi metabolismul celulei vii. Termenul de biochimie a fost introdus de chimistul german Carl Neuberg în 1903 [5]. Biochimia, fiind o ştiinţă interdisciplinară care se situează la hotarul între biologie şi chimie, studiază procesele care se desfăşoară în celula vie folosind metode fizico-chimice. În funcţie de procedeele folosite la studierea materiei vii biochimia se împarte în două parţi interdependente: biochimia statică şi biochimia dinamică. Biochimia statică studiază conţinutul, structura şi proprietăţile substanţelor chimice, iar biochimia dinamică – metabolismul celular care este de două tipuri – anabolism şi catabolism. Anabolismul reprezintă totalitatea reacţiilor de sinteză care se desfăşoară în celulă cu consum de energie, iar catabolismul – totalitatea reacţiilor de descompunere în cadrul cărora se eliberează energie. În funcţie de obiectul de studiu sau direcţia de cercetare biochimia modernă se clasifică în următoarele domenii [3]: 1) biochimia generală; 2) biochimia bioorganică; 3) biochimia animală; 4) biochimia vegetală; 5) biochimia microorganismelor; 6) biochimia medicală; 7) biochimia veterinară; 8) biochimia tehnică; 9) biochimia evoluţionistă; 10) biochimia cosmică; 11) enzimologia; 12) biologia moleculară. 1.2. ISTORIA DEZVOLTĂRII ŞI METODELE DE CERCETARE ÎN BIOCHIMIE Istoria dezvoltării biochimiei poate fi împărţită convenţional în trei perioade. I. Perioada biochimiei preştiinţifice sau empirice (Antichitate – mijlocul sec. XIX) în care are loc o acumulare de cunoştinţe practice, fără un substrat teoretic, utilizate la producerea băuturilor alcoolice, caşcavalului, la coacerea pâinii, tăbăcirea pieilor, tratarea bolnavilor, prepararea medicamentelor etc. II. Perioada biochimiei clasice (a doua jumătate a sec. XIX – a doua jumătate a sec. XX) se caracterizează prin apariţia biochimiei ca ştiinţă de sinestătătoare. Constituirea biochimiei ca ştiinţă a fost stimulată de un şir de factori:  analiza proceselor fiziologice celulare cu ajutorul reacţiilor chimice;  folosirea metodelor chimice cantitative în biologie;  dezvoltarea chimiei organice şi perfecţionarea metodelor de sinteză a compuşilor organici. În perioada respectivă studierea proceselor fiziologice se efectuau la nivel de organism, tisular şi celular. Cea mai importantă realizare a biochimiei clasice a fost stabilirea structurii biopolimerilor (proteine, acizi nucleici) şi a căilor metabolice principale în celula vie. III. Perioada biochimiei moderne (a doua jumătate a sec. XX – prezent) s-a format pe baza biochimiei clasice odată cu trecerea cercetărilor la un nivel calitativ net superior – nivel molecular. Această evoluţie s-a datorat implementării în cercetare a unor metode fizico-chimice noi [4]: microscopie Roentgen, microscopie electronică, cromatografie, marcare izotopică, spectrofotometrie, analiză fluorescentă, analiză bioluminiscentă, electroforeză, spectrometrie de masă, ultracentrufugare, spectroscopie nuclear magnetică de rezonanţă a proteinelor (magnetic resonance spectroscopy of proteins – protein NMR), rezonanţă electronică paramagnetică (REP) etc. 6

Microscopie electronică

Sistem de cromatografiere – HPCCC Anliza ADN-ului ̶ Real Time PCR Fig. 1.1. Metode biochimice moderne; * ̶ HPCCC (engl. High Performance Countercurrent Chromatography); PCR (engl. The Polymerase Chain Reaction)

Această perioadă se caracterizează printr-o serie de realizări remarcabile: descoperirea structurii bicatenare a moleculei de ADN; descifrarea codului genetic; stabilirea structurii spaţiale a moleculei de proteină; descrierea căilor principale de metabolism al glucidelor, lipidelor, proteinelor; analiza mecanismelor de formare a ATP-ului în celulă; elaborarea metodelor de determinare a structurii primare a proteinelor şi acizilor nucleici; sinteza artificială a genelor etc. Aceste descoperiri au stat la baza constituirii unei direcţii noi de cercetare ale biochimiei moderne – biologia moleculară – care a însumat eforturile biologilor, biochimiştilor, chimiştilor, fizicienilor în studierea bazelor moleculare ale evoluţiei, biodiversităţii, creşterii, dezvoltării şi îmbătrânirii organismelor, mecanismelor cancerigenezei, imunităţii etc. Pornind de la cele spuse, putem afirma că biochimia şi biologia moleculară studiază procesele fizico-chimice care stau la baza dezvoltării şi funcţionării sistemelor biologice cu diferite niveluri de organizare. 1.3. IMPORTANŢA BIOCHIMIEI ÎN INDUSTRIA ALIMENTARĂ Procesele biochimice au un rol important în diferite ramuri ale industriei alimentare. Biochimia tehnică elaborează bazele ştiinţifice ale tehnologiilor de păstrare, prelucrare şi producere în panificaţie, vinificaţie, industria produselor lactate, cărnii, conservelor, tutunului etc. Scopul principal al cultivării plantelor agricole este obţinerea unor anumite produse alimentare, folosite în nutriţia omului şi care reprezintă o materie primă valoroasă în industria de prelucrare. Cunoaşterea legităţilor de sinteză a aminoacizilor şi proteinelor, mono-şi diglucidelor, amidonului, grăsimilor, vitaminelor, substanţelor fenolice, alcaloizilor le permite agricultorilor să creeze condiţii optime pentru acumularea în plante a unor cantităţi maxime de compuşi chimici, de care depinde valoarea nutritivă şi energetică a produselor. Pentru a regla procesele de creştere şi dezvoltare a plantelor şi a biosintezei compuşilor chimici este necesară cunoaşterea factorilor care influenţează asupra metabolismului plantelor. Bunăoară, trebuie studiaţi factorii care exercita o acţiune asupra sintezei şi calităţii proteinelor grâului, sintezei zaharozei în sfecla-de-zahăr, a amidonului în cartof, a uleiului în floarea-soarelui. Selecţia soiurilor noi de plante se bazează şi pe folosirea metodelor biochimice cu ajutorul cărora se determină conţinutul compuşilor chimici şi se testează calitatea soiurilor şi hibrizilor noi. Pe lângă aceasta o importanţă mare are şi elaborarea unor metode noi, rapide, precise de determinare cantitativă în materia primă vegetală sau animală a proteinelor, glucidelor, grăsimilor, vitaminelor etc. Majoritatea ramurilor industriei alimentare au trei stadii principale: păstrarea şi procesarea materiei prime, fermentaţia. Principalul proces biochimic care se desfăşoară în cadrul păstrării materiei prime este respiraţia. Seminţele de cereale, tuberculii de cartof, rădăcinile sfeclei-de-zahăr sunt organisme vii, iar intensitatea respiraţiei este legată strâns de starea fiziologică a materiei prime, de condiţiile de mediu. În cadrul 7

procesului de respiraţie are loc pierderea valorii nutritive şi reducerea calităţii materiei prime. Prin urmare, inginerii din industria alimentară trebuie să cunoască chimismul respiraţiei şi să creeze astfel de condiţii de păstrare care să inhibe metabolismul. Factorii principali de mediu cu ajutorul cărora obiectele biologice sunt trecute în stare de anabioză sunt temperatura şi umiditatea. Prelucrarea mecanică sau fizică a materiei prime include fragmentarea, descompunerea, măcinarea, acţiunea termică. Biochimia joacă un rol important în perfecţionarea proceselor tehnologice din industria alimentară şi în elaborarea unor scheme şi principii noi de prelucrare a materiei prime. La stadiul de fermentaţie, cel mai important stadiu în tehnologia produselor alimentare, se formează calităţile gustative ale produsului, se realizează transformarea chimică a substanţelor din materia primă (producerea făinii şi prepararea aluatului, panificaţie, vinificaţie) şi se obţin produse alimentare cu o formă adecvată pentru păstrare şi consumare (zahăr, crupe, amidon, conserve). La stadiul respectiv inginerii creează condiţii optime pentru desfăşurarea reacţiilor fermentative şi inhibarea proceselor chimice colaterale. Aşadar, toate ramurile industriei alimentare care se bazează pe utilizarea diferitor tipuri de fermentaţii sunt strâns legate cu biochimia. GLOSAR Anabioză – reducere a activităţilor vitale la unele organisme în condiţii neprielnice de viaţă. Chimia bioorganică – ştiinţa care studiază substanţele biologic active naturale şi sintetice, legătura dintre structura compuşilor organici şi funcţiile lor biologice. Cromatografie – procedeu de separare a unor substanţe dintr-un amestec, filtrându-se printr-un absorbant. Electroforeză – metodă de analiză bazată pe migrarea produşilor chimici cu viteză diferită în soluţii prin care circulă un curent electric. Marcare izotopică – înlocuirea pe cale chimică a unui atom (sau grup de atomi) dintr-un compus, cu izotopii lor pentru a putea urmării fluxul acelei substanţe în diverse procese fizico-chimice. Microscopia Roentgen – metodă de studiere a structurii substanţei bazată pe difracţia radiaţiei Roentgen. Rezonanţa electronică paramagnetică – metodă de spectroscopie care se bazează pe absorbţia de energie a substanţelor chimice paramagnetice aflate într-un câmp de microunde. Rezonanţă magnetică nucleară – tehnică spectroscopică nucleară folosită pentru determinarea structurii diverşilor compuşi chimici, în imagini diagnostice medicale sau radiologice. Spectrofotometrie – metodă optică de măsurare cantitativă a spectrelor de absorbţie / emisie ale unei substanţe. Spectrometria de masă – metodă de analiză a substanţelor organice ce constă în ionizarea substanţei investigate, urmată de separarea ionilor obţinuţi în funcţie de raportul dintre masă şi sarcină. BIBLIOGRAFIE 1. Neamţu, G., Cîmpeanu, G., Socaciu, C. Biochimie vegetală: (partea structurală). – Bucureşti: Editura didactică şi pedagogică, 1993.-347 p. 2. Vrabie T., Musteaţă G. Biochimie. − Chişinău: U.T.M., 2006.- 234 p. 3. Титова, Н., Савченко, А., Замай, Т. Боровкова, Г., Субботина, Т., Инжеваткин, Е. Биохимия и молекулярная биология: конспект лекций. – Россия, Красноярск, 2008. 4. http: Biochemistry //en.wikipedia.org/wiki/Biochemistry 5. http: Биохимия //ru.wikipedia.org/wiki/Биохимия

8

CAPITOLUL 2. CELULA 2.1. Aspecte generale 2.2. Compoziţia chimică a celulei 2.3. Evoluţia biochimică 2.4. Celula eucariotă 2.1. ASPECTE GENERALE Celula (din lat. cella sau gr. cytos – cameră) reprezintă unitatea structurală şi funcţională a organismelor vii, înzestrată cu toate caracteristicile organismului integru. La nivelul celulei se manifestă asemenea proprietăţi ale materiei vii cum ar fi capacitatea de a realiza schimbul de substanţe şi energie, autoreglarea, înmulţirea, creşterea şi dezvoltarea, excitabilitatea. Celula poate exista ca organism aparte (bacteriile, protozoarele, unele alge şi ciuperci) sau în componenţa organismelor pluricelulare (animale, plante, ciuperci). În sistematica modernă formele celulare de viaţă se repartizează în cinci regnuri [11]: 1) Animalia – Animale; 2) Plantae – Plante; 3) Fungi – Ciuperci; 4) Protista – Protista; 5) Prokaryota / Monera – Procariote. Celula a fost descoperită de Robert Hooke în 1665, care a studiat cu ajutorul microscopului secţiuni de plută. În anul 1831 botanistul scoţian Robert Brown a descoperit şi a descris nucleul celular. Teoria celulară s-a cristalizat în anii 1838 ̶ 1839 graţie zoologului Theodor Schwann şi a botanistului Matthias Schleiden. Postulatele teoriei celulare sunt următoarele:  celula este unitatea structurală şi funcţională a materiei vii, nivelul de organizare a organismelor;  celulele diferitor ţesuturi sunt omoloage, au aceeaşi structură, o compoziţie chimică şi un metabolism asemănător;  celula provine de la altă celulă în urma dividerii;  organismul pluricelular prezintă un sistem compus şi integrat de celule funcţionale legate reciproc. Dezvoltarea teoriei celulare şi-a găsit reflectare în lucrările lui Robert Remak care a descoperit că celulele apar în urma diviziunii altor celule, iar Rudolf Virchow a introdus expresia omnis cellula e cellula – orice celulă îşi trage originea din altă celulă preexistentă (1858). Teoria celulară ne oferă dovezi în favoarea unităţii lumii organice, asemănărilor funcţiilor vitale de bază şi a proceselor biochimice ale viului. În funcţie de localizarea moleculelor de ADN – în citoplasmă sau nucleu, toate formele celulare de viaţă pe Pământ pot fi clasificate în două clase mari: procariote şi eucariote.

9

Celulele procariote

Fig. 2.1. Structura generală a celulei bacteriene [10]

Organismele procariote se caracterizează prin absenţa unui nucleu bine individualizat şi a unor organite celulare membranare. Materialul ereditar este reprezentat prin molecule de ADN circular localizat direct în citoplasmă şi se numeşte nucleoid. Sistemele enzimatice sunt localizate în citoplasmă, pe plasmalemă sau pe mezozomi. Din clasa procariotelor fac parte bacteriile, cianobacteriile (algele albastre-verzi), arhebacteriile şi micoplasmele. Toate procariotele sunt organisme monocelulare sau coloniale, aerobe sau anaerobe cu dimensiuni între 110 μm (micrometru, 1 μm = 10-6m).

Celulele eucariote Eucariotele reprezintă organisme care au un nucleu celular diferenţiat, separat de citoplasmă de o membrană nucleară. În citoplasma celulele eucariotelor sunt prezente organite citoplasmatice membranare care îndeplinesc diferite funcţii, precum şi diferite incluziuni celulare. Totalitatea organitelor citoplasmatice şi nucleul celular asigură metabolismul celular. Din grupa eucariotelor fac parte protistele, ciupercile, plantele, animalele. Eucariotele sunt organisme monocelulare, coloniale şi pluricelulare. Dimensiunea medie a celulelor vegetale şi animale este de 10-100 μm [1]. Cu toate acestea ambele tipuri de organizare celulară (pro- şi eucariotă) au principii structuralfuncţionale comune. Fiecare celulă este delimitată de mediul extern printr-o membrană plasmatică sau plasmalemă care are o structură lipoproteică. La toate celulele informaţia genetică despre organizarea şi funcţionarea fiecărei celule este localizată în molecule de ADN. Un alt component obligatoriu al celulelor este citoplasma, mediul intern al celulei în care se desfăşoară toate procesele metabolice celulare – sinteza şi degradarea substanţelor, obţinerea energiei, transportul de substanţe etc. În citoplasmă este localizat şi aparatul de sinteză al proteinelor – ribozomii – component comun al fiecărei celule. 2.2. COMPOZIŢIA CHIMICĂ A CELULEI Elementele chimice care intră în componenţa materiei vii, în funcţie de conţinutul lor, se clasifică în două categorii principale [16]: macroelemente şi microelemente.

Macroelemente Macroelementele, la rândul său, se împart în II grupe. Din prima grupă fac parte patru elemente chimice de bază – organogene: oxigen – O (65 – 75%), carbon – C (15 – 18%), hidrogen – H (8 – 10%), azot – N (2 – 3%). Conţinutul lor în celulă constituie 97 – 98%. Oxigen – intră în componenţa tuturor substanţelor organice ale celulei. Se formează în cadrul procesului de fotosinteză la fotoliza apei. Pentru organismele aerobe reprezintă un agent oxidant în 10

respiraţia celulară, asigurând celula cu energie. În celulele vii se găseşte în cantităţi maxime în componenţa apei. Carbon – intră în componenţa tuturor substanţelor organice ale celulei. Carbonul în formă de CO2 este fixat în procesul de fotosinteză şi se elimină în procesul de respiraţie celulară; sub formă de CaCO3 intră în componenţa scheletului la moluşte. Hidrogen – intră în componenţa tuturor substanţelor organice ale celulei. În celulele vii se găseşte în cantităţi maxime în componenţa apei. Unele bacterii oxidează hidrogenul molecular pentru obţinerea energiei. Azot – intră în componenţa aminoacizilor, proteinelor, acizilor nucleici, ATP-ului, clorofilei. Din organismul animal azotul este eliminat în componenţa amoniacului, ureei, guaninei sau a acidului uric în calitate de produs final al metabolismului azotos. Azotul în formă de oxid de azot – NO (în concentraţii scăzute) participă la reglarea tensiunii sangvine. În a doua grupă intră următoarele elemente [11]: sulf – S (0,15 – 0,2 %), fosfor – P (0,2 – 1,0 %), potasiu – K (0,15 – 0,4 %), clor – Cl (0,05 –0,1 %), magneziu – Mg (0,02 – 0,03 %), sodiu – Na (0,02 – 0,03 %), calciu – Ca (0,04 – 2,00 %). Conţinutul acestora în celulă atinge 1 – 2%. Sulf – intră în componenţa aminoacizilor metionina, cisteina şi respectiv a proteinelor. În cantităţi reduse sulful este prezent în formă de sulfat ion – SO42- în citoplasma celulelor şi lichidele intercelulare. Fosfor (700 mg*) – intră în componenţa ATP-ului, nucleotidelor şi a acizilor nucleici (în formă de resturi de acid fosforic), ţesutului osos şi emalului dinţilor (în formă de săruri minerale – CaPO4), precum şi în citoplasmă şi lichide intercelulare (în formă de fosfat ion – PO43-). Se conţine în peşte, carne roşie, ovăz, orez. P şi S împreună cu macroelementele din I grupă – O, C, H, N mai poartă denumirea de bioelemente deoarece intră în componenţa biopolimerilor (proteine şi acizi nucleici). Potasiu (4700 mg*) – asigură potenţialul membranar, permeabilitatea membranelor celulare, participă la generarea impulsului nervos, reglează contracţia muşchiului cardiac. Se conţine în legume, banane, avocado, papaia. Clor (2300 mg*) – este necesar pentru producerea acidului clorhidric în stomac, asigură transportul de substanţe în celulă. Sursa de clor în organism o reprezintă sarea de masă – NaCl. Sodiu (1500 mg*) – asigură potenţialul membranar, permeabilitatea membranelor celulare, participă la generarea impulsului nervos, reglarea presiunii osmotice (inclusiv la funcţionarea rinichilor la om) şi în crearea unui sistem tampon în sânge. Se conţine în sarea de bucătărie, lapte, spanac, alge. Calciu (1300 mg*) – participă la coagularea sângelui, este un component al sistemului de transmitere a semnalelor în celulă, reglând procese inracelulare importante: asigură potenţialul membranar, este necesar pentru contracţia musculară, exocitoză. Sărurile de calciu Ca3(PO4)2 şi CaCO3 participă la formarea ţesutului osos, a dentiţiei la vertebrate şi la scheletul mineral al nevertebratelor. Se conţine în produse lactate, peşte, ouă, nuci, spanac. Magnesiu (420 mg*) – este un cofactor al unor enzime care participă la metabolismul energetic şi sinteza ADN-ului, intră în componenţa pigmentului clorofila. În celulele animale este necesar pentru funcţionarea sistemelor musculare şi osoase. Se conţine în tomate, ghimbir, nuci, spanac, alge marine.

Microelemente Microelementele se găsesc în celulă în cantităţi mici, conţinutul acestora nu depăşeşte 0,02%. Microelementele care joacă un rol important în procesele biologice sunt următoarele: Fier (18 mg*) – intră în componenţa hemoglobinei. Se conţine în carne roşie, ouă, peşte, creveţi, tomate, măsline, linte. Zinc (11 mg*) – este un component al enzimei alcooldehidrogenaza, al hormonului insulina secretat de pancreas. Se conţine în ficat de viţel, carne roşie, fructe de mare (în special stridii), ciuperci, spanac, seminţe de dovleac. 11

Mangan (2.3 mg*) – este cofactor al enzimei arginaza. Se conţine în ananas, orez brun, usturoi, soia, vinete, spanac, zmeură, căpşune. Cupru (0.900 mg*) – intră în componenţa enzimelor oxidoreducătoare: citocromoxidaza, polifenoloxidaza. Se conţine în ciuperci, spanac, orz, nuci. Molibden (0.045 mg*) – este cofactor al unor enzime precum dinitrogenaza, sulfitoxidaza etc. Se conţine în tomate, ceapă, morcov. Iod (0.150 mg*) – este un component al hormonului tiroxina secretat de glanda tiroidă. Se conţine în fructe marine, sare iodată, ouă. Selen (0.055 mg*) – intră în componenţa enzimelor din familia glutation peroxidaza. Se conţine în peşte, ficat de viţel, muştar, ciuperci, orz, usturoi. Notă: * – necesitatea zilnică în macro- şi microelemente pentru adulţi

Toate elementele chimice menţionate se pot găsi sau în formă de ioni sau intră în componenţa substanţelor anorganice şi organice ale celulei.

Compuşi anorganici Cel mai răspândit compus anorganic este apa – H2O. Conţinutul apei constituie, în mediu, circa 70 − 80% din masa celulei. Rolul biologic al apei e determinat de particularităţile structurii moleculare. Deoarece atomii de hidrogen şi oxigen ai apei au mărimi diferite şi datorită asimetriei electrice, molecula de apă este neliniară şi polară. Molecula de apă este un dipol, cu un pol negativ şi unul pozitiv. Polaritatea permite fiecărei molecule de apă să formeze legături de hidrogen cu alte molecule de apă. Datorită polarităţii moleculei, în apă se dizolvă alte molecule polare: săruri, acizi, baze alcaline, alcooli, amine, glucide, proteine etc. În funcţie de Fig. 2.2. Structura moleculară a apei H 2O solubilitatea substanţelor în apă, deosebim:  substanţe hidrofile (săruri, glucide, proteine) – molecula lor conţine grupe de atomi capabili să intre în reacţie electrostatică cu molecula apei sau să formeze cu ele legături de hidrogen;  substanţe hidrofobe (grăsimi) – nu se dizolvă. Tabelul 2.1. Apa – compusul anorganic principal [1] Conţinutul apei în celulă ~ 70-80% Funcţiile apei    

    

în embrioni – 95%; la bătrâni – 60%; în celulele nervoase – 85%; în celulele osoase – 20%

   

este un solvent universal; reglează temperatura celulei; menţine structura celulei; asigură transportul substanţelor; menţine rigiditatea, turgescenţa şi volumul celulei; participă la reacţiile de hidroliză şi oxidare; este o sursă de oxigen în fotosinteză; este un agent de înmuiere pentru coloizi; este un mediu în care are loc fecundaţia

Sărurile minerale. Conţinutul sărurilor minerale în celulă este de 1,0 – 1,5%. Acestea se pot afla în celulă în stare disociată în ioni (cationi şi anioni) şi în stare legată. Sărurile minerale îndeplinesc următoarele funcţii:

12

   

menţin constant mediul intern (HPO42–, HCO3–), asigură stabilitatea valorii pH (K+, Na+, Cl–); menţin constant presiunea osmotică (NaCl); asigură potenţialul membranar de repaus şi cel de acţiune (K+, Na+, Cl–, Mg2+, Ca2+); au funcţii de susţinere Ca3(PO4)2 – pentru ţesutul osos şi Ca2CO3 – pentru cochiliile moluştelor).

Compuşi organici Compuşii organici constituie (20 – 30%) din masa totală a celulei şi joacă un rol fundamental în metabolismul celulelor (tab. 2.2). Tabelul 2.2. Conţinutul molecular al celulei animale [16] Compuşi chimici Anorganici Organici Apă – 70 – 80% Proteine –10 – 20 % Săruri minerale – 1,0 – 1,5% Glucide – 0,2 – 2,0 % Grăsimi – 1 – 5 % Acizi nucleici – 1,0 – 2,0 % ATP – 0,1 – 0,5 % Din această grupă de substanţe fac parte aminoacizi, peptide, proteine, enzime, hormoni, acizii nucleici, mono-şi poliglucide, lipide, substanţe fenolice, pigmenţi, compuşi macroergici, vitamine. În funcţie de originea celulelor conţinutul substanţelor organice este diferit: în celulele vegetale predomină cantitativ glucidele, în celulele animale – proteinele şi lipidele. Astfel de macromolecule precum acizii nucleici, proteinele, glucidele sunt substanţe biopolimere alcătuite din unităţi structuralfuncţionale mai simple (monomeri). Configuraţia macromoleculelor se poate modifica sub acţiunea factorilor externi fapt care le permite macromoleculelor să îndeplinească unele funcţii adecvate stării de moment a celulei. În figura 2.3. este prezentată ierarhia structurală în organizarea celulară. Unităţile monomere în acizi nucleici, proteine şi poliglucide se asociază între ele prin legături covalente. În complexele supramoleculare, macromoleculele se leagă prin interacţiuni necovalente, mult mai slabe, decât legăturile covalente. Printre aceste interacţiuni necovalente putem menţiona legăturile de hidrogen (între grupele polare), interacţiuni ionice (între grupe cu sarcină), interacţiuni hidrofobe (între grupe nepolare Fig. 2.3. Ierarhia structurală în organizarea celulară [6] în soluţii apoase) şi interacţiuni van der Waals. Un număr mare de interacţiuni de acest tip între macromolecule în complexele supramoleculare stabilizează aceste ansambluri, asigurând structura lor unică.

13

Nothing in biology makes sense except in the light of evolution. Theodosius Dobzhansky 2.3. EVOLUŢIA BIOCHIMICĂ Potrivit teoriei evoluţiei biochimice, fondată de Aleksandr Oparin (1924) şi John Haldane (1929), viaţa a apărut prin abiogeneză în condiţii speciale. Evoluţia biochimică cuprinde trei etape [4]: Etapa anorganică − este etapa apariţiei hidrocarburilor primare. Atmosfera terestră primară conţinea foarte puţin oxigen liber, fiind compusă în special din metan (CH4 − cea mai simplă hidrocarbură), vapori de apă, hidrogen şi amoniac. Combinaţia de carbon-hidrogen, a fost un material iniţial pentru formarea vieţii. Etapa organică − este reprezentată de apariţia substanţelor organice, proces realizat în lipsa oxigenului, sub acţiunea razelor ultraviolete în condiţii specifice. Astfel, cercetătorul american de la Universitatea Chicago din SUA, Stanley Miller a simulat în laborator, într-un sistem închis, condiţiile existente pe Pământ în perioada prebiotică. În acest sistem el a introdus un amestec de H2, CH4, NH3 şi vapori de H2O, care a fost supus timp de o săptămână unor descărcări electrice, generatoare de raze ultraviolete şi a obţinut 4 aminoacizi: glicina, alanina, acidul aspartic şi acidul glutamic. În condiţii similare alţi cercetători au obţinut şi alţi compuşi organici (acizi nucleici, monoglucide, grăsimi, acid cianhidric, acid formic, aldehidă formică, uree). Aceste experienţe au demonstrat că pe suprafaţa Pământului se putea acumula o cantitate mare de substanţe organice variate cu molecule relativ simple, fapt care a permis trecerea la etapă a treia ̶ biologică. Stanley Miller Etapele anorganică şi organică constituie perioada prebiologică a evoluţiei biochimice. Etapa biologică − a reprezentat pasul decisiv în procesul apariţiei vieţii, prin care substanţele proteice au dat naştere unor sisteme capabile de metabolism. Se presupune că macromoleculele precum polipeptidele, polinucleotidele ca urmare a concentrării în soluţii diluate au format complexe coacervate (din lat. acervo − a aduna la grămadă). Coacervatele reprezintă un început de structuri primitive, de sisteme individuale şi foarte instabile. În acelaşi timp, ele pot servi drept începutul materiei vii, deoarece posedă caracteristicile principale ale materiei vii: autoreproducerea şi autoreglarea. Apariţia primelor organisme simple a avut loc pe calea evoluţiei primelor molecule macromoleculare. Primul pas pe calea către viaţă trebuia să fie o moleculă capabilă de a produce copii proprii. În anul 1981 cercetătorul american Thomas Cech a descoperit că la protozorul Tetrahymena thermophila în ARNr precursor se află un intron (413 ribonucleotide), care realizează propria sa excizie, fără a interveni vreo enzimă care să catalizeze această reacţie. Acest tip de ARN care îndeplineşte funcţii catalitice a fost denumit ribozimă. În anul 1983 cercetătorul canadian Sidney Altman a descoperit că şi componenta ARN a enzimei RN-aza P de la bacteria E. coli are activitate enzimatică, funcţionând şi ea ca ribozimă [4]. Ribozimele sunt folosite ca instrumente de fragmentare a moleculelor de ARN în industria genică sau de clivare a ARN-ului viral în medicină. Pentru această descoperire savanţilor li s-a decernat premiul Nobel pentru Sidney Altman Thomas Cech chimie în 1989 [15]. Molecula de ADN a preluat funcţia ereditară de la ARN datorită structurii sale bicatenare şi a asigurat o păstrare mai bună a informaţiei genetice, o replicare mai exactă, o reparare mai eficientă a leziunilor apărute sub acţiunea factorilor mutageni.

14

2.4. CELULA EUCARIOTĂ Celula eucariotă, vegetală sau animală (fig. 2.4; 2.5), este constituită dintr-o masă de substanţă vie protoplasma, care conţine două componente fundamentale: citoplasmă şi nucleu. La exterior celula este înconjurată de o membrană, iar în interior, în afară de nucleu, se află diferite organite citoplasmatice, care au mărimi şi forme diferite, îndeplinesc funcţii specifice şi asigură activitatea celulei.

Fig. 2.4. Structura generală a celulei vegetale [13]

Organitele celulare pot fi divizate în trei grupe:  bimembranare – nucleul, mitocondriile, plastidele;  unimembranare – aparatul Golgi, reticulul endoplasmatic, lizozomii, peroxizomii, vacuola;  amembranare – ribozomii, centrozomul.

Fig. 2.5. Structura generală a celulei animale [9]

15

Tabelul 2.3. Structura şi funcţiile organitelor celulei eucariote [1, 2, 14] Compartimentarea Reprezentarea grafică Membrana plasmatică (membrana citoplasmatică, plasmalema) separă celula de mediul înconjurător şi realizează schimbul de substanţe dintre celulă şi mediul extern. Este constituită dintr-un strat dublu de molecule lipidice (fosfolipide, glicolipide, steroli). Proteinele membranare asigură transportul substanţelor, cataliza unor reacţii biochimice, recepţionarea semnalelor şi în funcţie de localizarea lor se numesc periferice şi transmembranare. La suprafaţa celulelor animale glicolipidele şi glicoproteidele formează un înveliş periferic – glicocalix, care asigură recunoaşterea şi Fig. 2.6. Membrana plasmatică adeziunea intercelulară. Nucleul este o structură prezentă în toate celulele eucariote cu excepţia eritrocitelor adulte. Nucleul depozitează majoritatea informaţiei genetice din celulă (conţine ≈ 98% din ADN-ul celular) şi controlează activitatea celulei. În nucleu are loc replicarea ADN-ului şi sinteza ARN-ului. Este înconjurat de o membrană dublă cu pori şi conţine suc nuclear (carioplasmă). Matricea nucleară reprezintă un schelet de natură proteică care menţine forma lui. În interfază, în carioplasmă este prezent nucleolul şi cromatina (material Fig. 2.7. Nucleul celular genetic despiralizat). Citoplasma reprezintă mediul intern al celulei, în care sunt localizate diferite organite. Este străbătută de citoschelet. În citoplasmă sunt prezente diferite incluziuni: substanţe de rezervă şi produse insolubile ale metabolismului. Citoplasma poate fi vâscoasă sau lichidă, fiind alcătuită din apă (60%), proteine, lipide, acizi graşi, glucide şi ioni. Este un sistem coloidal, în care se desfăşoară reacţii metabolice. Mitocondriile (M) sunt organite bimembranare celulare responsabile de conversiunea energiei eliberate din descompunerea compuşilor organici în legături macroergice ale ATP-ului. Constau din două membrane, spaţiu intermembranar şi matrice care conţine ADN, ARN, ribozomi. Membrana externă este netedă, cea internă formează criste. Pe criste se realizează fosforilarea oxidativă (oxidarea biologică). În mitocondrii are loc respiraţia aerobă (ciclul Krebs şi lanţul transportor de electroni) Mitocondriile au aparat propriu de biosinteză a proteinelor. Fig. 2.8. Structura mitocondriei

16

Plastidele (P) sunt organite bimembranare prezente numai în celulele vegetale. Membrana internă formează ramificaţii lamelare – tilacoide, care conţin clorofilă. În stroma (conţinutul intern) plastidei se conţine ADN, ribozomi şi enzime necesare pentru funcţionarea unui aparat propriu de biosinteză. P verzi, cloroplastele, conţin clorofilă şi participă la fotosinteză. Leucoplastele nu conţin pigmenţi şi au funcţia de depozitare a substanţelor organice (ex., a amidonului). P colorate, cromoplastele conţin pigmenţi xantofili şi carotenoizi (galben, oranj), care determină culoarea florilor, a frunzelor sau a pieliţei fructelor. Reticulul endoplasmatic (RE) reprezintă un sistem complex de membrane organizate în canale şi cisterne, care face legătura dintre membrana citoplasmatică şi cea nucleară. Funcţia principală a RE este cea de transportare a substanţelor. Deosebim două tipuri de RE: granulat – REG şi neted – REN. Pe suprafaţa REG sunt asociaţi ribozomii. Proteinele sintetizate pe ribozomi sunt stocate în vezicule şi transportate spre aparatul Golgi. REN participă la sinteza şi descompunerea glicogenului, sinteza lipidelor. În hepatocite REN participă la inactivarea substanţelor toxice. Aparatul Golgi (AG) reprezintă un sistem de membrane celulare sub formă de cisterne şi vezicule. Proteinele sintetizate în RE trec în AG pentru a fi prelucrate, sortate şi exportate. AG este sediul central al sintezei glucidelor şi al modificării specifice a proteinelor şi lipidelor (ex. fosforilări, glicolizări). Funcţional AG este format din trei compartimente distincte: cis (de intrare) – în care proteinele nou sintetizate sunt transferate din RE în AG; median – în care se realizează glicozilarea proteinelor şi lipidelor; trans – reprezintă poarta de ieşire a produselor procesate şi sortate. Ribozomi (R) sunt organite celulare sferice amembrane, alcătuite din ARN şi proteine, care se găsesc în citoplasmă în stare liberă sau sunt ataşaţi de membrana RE. Au un diametru de 25–30 nm [14]. La nivelul ribozomilor are loc sinteza proteinelor din aminoacizi pe o matrice de ARNm. În procesul de sinteză a proteinei, R protejează ARNm-ul şi proteina deja sintetizată de acţiunea enzimelor celulare. R eucariotelor au un coeficient de sedimentare 80 S (unităţi Svedberg) fiind constituiţi din două subunităţi: mare (60 S) şi mică (40 S).

Fig. 2.9. Structura cloroplastului

Fig. 2.10. Reticulul endoplasmatic

Fig. 2.11. Aparatul Golgi

Fig. 2.12. Ribozom

17

Lizozomii (L) sunt organite celulare care asigură descompunerea enzimatică a substanţelor chimice – proteine, acizi nucleici, lipide. Au o formă de veziculă, acoperită de o membrană şi umplută cu un lichid transparent – o soluţie de enzime hidrolitice (enzime de digestie), aproximativ 40 la număr (fosfataze, nucleaze, proteaze, glicozidaze, sulfataze, lipaze). Activitatea enzimelor se desfăşoară la un pH ~5,0. Vacuola (V) este un component celular, sub formă de veziculă acoperită cu o membrană. Este prezentă în celulele vegetale şi mai rar în celulele animale. V vegetală este acoperită de o membrană numită tonoplast. V sunt umplute cu suc celular: săruri minerale, pigmenţi, acizi organici, enzime, produsele finale ale metabolismului. De conţinutul vacuolei depind în mare măsură proprietăţile osmotice ale celulei.

Fig. 2.13. Lizozom

Fig. 2.14. Vacuolă vegetală

Peroxizomii sunt organite celulare sub formă de vezicule (asemănători cu lizozomii). Conţin enzime oxidative (ex., catalaza, care descompune peroxidul de hidrogen – H2O2). În cazul dacă H2O2 nu este descompus de catalază pot apărea radicali liberi cu efecte nocive pentru celulă. Au funcţie de protecţie şi sunt importanţi în întârzierea îmbătrânirii celulare. Centrozomul (centrul celular) este un component celular prezent la celulele animale, plantele inferioare, unele alge şi ciuperci. Este alcătuit din centrioli orientaţi perpendicular unul faţă de altul. Funcţia de bază a centrozomului constă în formarea microtubulilor în celulă, cu rol de organizator celular, format în scopul separării cromozomilor sau a cromatidelor la polii celulei în timpul diviziunii celulare. Fig. 2.15. Centrozom

Citoscheletul (C) este un sistem de filamente proteice celulare. C este alcătuit din 3 tipuri de structuri fibrilare: microfilamente (7 nm), filamente intermediare (8 – 12 nm) şi microtubuli (25 nm). Microfilamentele sunt polimeri bicatenari formaţi din proteina actină. Filamentele intermediare sunt formate din proteine fibrilare (ex. cheratina în celulele epiteliale), asigură rezistenţa mecanică şi joncţiunea celulelor. Microtubulii – cilindri lungi formaţi din tubulină, asigură distribuţia cromozomilor în mitoză sau meioză, motilitatea celulară.

Fig. 2.16. Structura citoscheletului

18

Peretele celular (PC) este un constituient scheletic rigid, caracteristic tuturor celulelor plantelor superioare, ciupercilor, algelor, bacteriilor. PC asigură celulei protecţie, suport, menţine turgescenţa celulei. La plantele superioare componentul de bază al PC este celuloza, se mai întâlneşte hemiceluloză, pectine şi lignină. La ciuperci PC este format din chitină, iar la bacterii – dintr-un poliglucid specific (mureina) şi proteine. PC conţine orificii numite plasmodesme, prin care circulă metaboliţi.

Fig. 2.17. Peretele celular

Deşi celulele eucariote sunt asemănătoare după structură şi compoziţia chimică, la celulele vegetale şi animale se atestă unele deosebiri (tab. 2.4). Tabelul 2.4. Analiza comparativă a structurii şi componenţei celulei vegetale şi animale [7] Caracteristicile celulei animale Celulele vegetale şi animale Caracteristicile celulei vegetale mod de nutriţie heterotrof În celulele animale se întâlnesc frecvent vezicule secretoare care conţin produse celulare de tipul hormonilor sau enzimelor Citoplasma celulelor animale este mai densă, conţine mai multe organite celulare Vacuolele sunt mici şi au caracter temporar. Pot fi implicate în digestie (de ex. în fagocitoză) sau în excreţie (vacuolele contractile pot îndepărta excesul de apă) Glicogenul reprezintă forma în care sunt stocate poliglucidele

au caracteristici comune legate de menţinerea vieţii Membrana celulară care înconjoară citoplasma asigură transportul substanţelor solubile şi separă conţinutul celulelor de mediul înconjurător Citoplasma conţine apă, substanţe solubile şi susţine organitele celulare. Atât în citoplasmă, cât şi în organitele celulare au loc diferite reacţii metabolice Informaţia genetică care controlează activităţile şi caracteristicile celulei este stocată în moleculele de ADN din nucleul şi mitocondriile celulei

mod de nutriţie autotrof Peretele celular celulozic oferă suport şi protecţie celulei împotriva leziunilor cauzate de pătrunderea apei în celulă pe seama presiunii osmotice Cloroplastele conţin pigmentul clorofila (care absoarbe lumina) şi enzimele necesare producerii de glucoză prin fotosinteză Vacuolă mare, cu caracter permanent, conţine apa necesară pentru a genera presiunea de turgescenţă şi este un depozit pentru ioni şi molecule Amidonul (în citoplasmă şi cloroplaste) este forma în care sunt depozitate poliglucidele

TESTE DE EVALUARE 1. Completaţi spaţiile libere din text. 1.1. Organitul amembranar care participă la formarea fusului de diviziune celulară se numeşte............... 1.2.....................sunt organite citoplasmatice specifice pentru celulele vegetale, care în funcţie de prezenţa sau lipsa unor pigmenţi, se divid în trei grupe: a)....................; b)....................; c)....................... 1.3. Biopolimerii sunt compuşi macromoleculari alcătuiţi din: a) acizii nucleici –...............................; b) proteinele –.............................................; c) poliglucidele –................................... 1.4. Magneziul intră în componenţa pigmentului........................................................................................ 1.5. Iodul intră în componenţa hormonului..................................................................................................

19

2. Alegeţi răspunsul corect din două variante alternative: Da / Nu. 2.1. Lizozomii sunt organite citoplasmatice care participă la digestia intracelulară. 2.2. Calciul şi fosforul se conţin în cantităţi mari în seminţele gramineelor. 2.3. Zincul intră în componenţa hormonului insulina. 2.4. Pentru celula animală este caracteristică prezenţa peretelui celular. 2.5. Reticulul endoplasmatic neted are ribozomi. 3. Alegeţi varianta sau variantele de răspuns corecte. 3.1. Bioelemente: a) C; b) H; c) Zn; d) Cu; e) S. 3.2. Biopolimeri: a) proteine; b) lipide; c) acizi nucleici; d) glucide; e) vitamine. 3.3. Organisme procariote: a) plante; b) virusuri; c) protozoare; d) animale; e) bacterii; f) alge albastre-verzi. 3.4. Rolul apei în celulă: a) mediu pentru desfăşurarea reacţiilor chimice; b) sursă de O2; c) solvent; d) reagent chimic. 3.5. Organite citoplasmatice caracteristice doar pentru celula vegetală: a) ribozomi; b) nucleu; c) lizozomi; d) mitocondrii; e) leucoplaste; f) cloroplaste. 4. Asociaţi. Tipul de organizare membranară la organitele celulare Organite celulare Tipul membranei 1. Ribozom 4. Centrozom A. Amembranar 2. Aparat Golgi 5. Nucleu B. Monomembranar 3. Lizozom 6. Mitocondrie C. Bimembranar 5. Selectaţi termenul care nu se încadrează în grupul tematic prezentat şi explicaţi de ce l-aţi separat. 5.1. K; Na; Cl; I; P; Fe; Ca. 5.2. Proteine; lipide; acizi nucleici; poliglucide; săruri minerale; vitamine; ATP. 5.3. Mitocondrie; reticul endoplasmatic; ribozom; nucleu; lizozom; cloroplast. 6. Completaţi tabelul. Celula animală / Celula vegetală Asemănări 1. 2. 3. 4. 5.

Deosebiri 1. 2. 3. 4. 5.

7. Scrieţi un referat la tema. 7.1. Celula organismelor eucariote. A. Celula − unitate structural-funcţională a materiei vii. B. Organitele celulare. C. Particularităţile celulelor vegetale. D. Particularităţile celulelor animale. 7.2. Nucleul celular. A. Structura şi părţile componente ale nucleului. B. Rolul biologic al nucleului celular.

20

7.3. Compoziţia chimică a celulei. A. Elementele chimice celulare. B. Compuşii anorganici ai celulei. C. Compuşii organici ai celulei. 7.4. Evoluţia biochimică. A. Etapele abiogenezei. B. Replicatorul originar. GLOSAR Abiogeneza – teoria care explică naşterea vieţii din materia anorganică. Alcooldehidrogenază – enzimă care catalizează reacţia de descompunere a alcoolului etilic în aldehidă acetică. Arginază – enzimă care catalizează ultima reacţie din cadrul ciclului ureei de transformare a argininei în ornitină şi uree. Arhebacterii – cele mai vechi forme de viaţă anaerobe de pe Terra, ocupă nişe ecologice speciale în care lipseşte oxigenul: fundul apelor stătătoare, mărilor, oceanelor, medii termale sulfuroase şi sărăturoase, intestinul animalelor. Autotrof – organisme capabile să sintetizeze substanţe organice din anorganice în cadrul proceselor de fotosinteză şi chemosinteză. Cofactor – component neproteic al enzimei. Citocromoxidază – enzimă care catalizează reacţii de transfer al electronilor pe oxigen în cadrul procesului de fosforilare oxidativă. Dinitrogenază – enzimă din familia nitrogenazelor, care catalizează reacţii chimice de fixare a azotului atmosferic N2 de unele bacterii. Glutation peroxidaza – familie de enzime cu activitate de peroxidază care protejează organismul de stresul oxidativ. Heterotrof – organisme capabile să sintetizeze substanţe organice doar din substanţe organice mai simple. Fagocitoză – proces de înglobare şi digestie a particulelor solide de către celule specializate fagocite. Fructe de mare – vieţuitoarele marine comestibile: alge, creveţi, languste, homari, crabi, stridii, midii, caracatiţe, calamari. Exocitoză – proces celular, caracteristic celulelor secretorii, de fuzionare a veziculelor intracelulare cu membrana celulară externă şi eliberare a conţinutului lor (proteine, hormoni) în mediul extracelular. Mezozomi – structuri ale membranelor bacteriene derivate din invaginarea şi secţionarea membranei celulare cu roluri multiple: intervin în replicarea ADN-lui, în diviziunea celulară, în fotosinteză, în producerea de energie. Micoplasme – sunt cele mai mici organisme procariote fără perete celular, parazite, se situează la hotarul evolutiv între virusuri şi bacterii. Micrometru, μm – unitate de măsură a lungimii, 1 μm = 10-6 m. Nanometru, nm – unitate de măsură a lungimii, 1nm = 10-9 m. Organite celulare – elemente structurale ale celulei, cu o compoziţie chimică specifică, care îndeplinesc anumite funcţii. Sulfitoxidază – enzimă necesară pentru metabolizarea în alimente a aminoacizilor care conţin sulf – cisteina şi metionina. Turgescenţă ̶ umflare locală a unui țesut, datorită acumulării de lichide.

21

BIBLIOGRAFIE 1. Alexeiciuc, A. Compendiu la biologie. – Chişinău, ARC, 2011.-238 p. 2. Cemortan, I., Capcelea, S., Ţaranov, L., Amoaşii, D. Curs de biologie moleculară. Chişinău, USMF, 2000.-243 p. 3. Duca, M. Fiziologie vegetală. – Chişinău, Ştiinţa, 2006.-287 p. 4. Gavrilă, L., Leşanu, M. Evoluţionismul. Note de curs. – Chişinău, CEP USM 2007.-390 p. 5. Neamţu, G., Cîmpeanu, G., Socaciu, C. Biochimie vegetală: (partea structurală). – Bucureşti: Editura didactică şi pedagogică, 1993.-347 p. 6. Nelson, D., Cox, M. Lehninger Principles of Biochemistry. Publisher: W. Freeman; 4th edition, 2004.-1110 p 7. Pickering, W. Biologie. Recapitulări prin diagrame. Vol. 1 şi 2. – Bucureşti, All Educational, 1998.128 p. 8. Vrabie T., Musteaţă G. Biochimie. − Chişinău, U.T.M., 2006.- 234 p. 9. http: Animal Cell // langlopress.net/homeeducation/resources/science/content/support/illustrations/ Cell Structures/Animal Cell.jpg 10. http: Bacterial cell //www.studyblue.com/notes/note/n/prokaryotes-intro/deck/5556549 11. http: Kingdom //en.wikipedia.org/wiki/Kingdom_biology 12. http: Macroelements //en.wikipedia.org/wiki/Macroelements 13. http: Plant Cell //langlopress.net/homeeducation/resources/science/content/support/illustrations/ Cell Structures/Plant Cell.jpg 14. http: Ribosome //en.wikipedia.org/wiki/Ribosome 15. http: The Nobel Prizes // www.nobelprize.org / nobel_prizes/ 16. http: Химический состав клетки //ru.wikipedia.org/wiki/Химический_состав_клетки

22

CAPITOLUL 3. ACIZII NUCLEICI 3.1. Rolul acizilor nucleici în ereditate 3.2. Nucleozidele şi nucleotidele 3.3. Acidul dezoxiribonucleic (ADN) 3.4. Acidul ribonucleic (ARN) 3.5. Codul genetic We have discovered the secret of life. Francis Crick 3.1. ROLUL ACIZILOR NUCLEICI ÎN EREDITATE Evoluţia cunoştinţelor despre acizii nucleici începe în anul 1869, atunci când biochimistul elveţian Friedrich Miescher pentru prima dată a izolat din nucleele leucocitelor umane un acid organic ce conţine fosfor şi proteine. Acest compus chimic a fost numit la vremea respectivă nucleină. Noţiunea de acid nucleic a fost introdusă de anatomistul german Richard Altmann în 1899. În prima jumătate a sec. XX biologii şi chimiştii erau în căutarea moleculei care reprezintă substratul material al eredităţii, moleculă responsabilă de păstrarea, transmiterea şi realizarea capacităţilor genetice ale organismelor. Savantul rus Nicolai Kolţov a exprimat aceste idei privind mecanismul care asigură continuitatea materialului ereditar prin expresia: Omnis molecula ex molecula – fiecare moleculă provine din altă moleculă [6]. Un prim pas în descoperirea substratului material al eredităţii a fost făcut în anul 1928 de către microbiologul englez Frederick Griffith, care a efectuat primele experimente de transformare genetică la bacteriile Diplococcus pneumoniae. El a injectat unor şoricei 2 suşe de pneumococi − tipul S, ale cărui celule sunt virulente şi au capsulă, şi tipul R ale cărui celule sunt avirulente şi fără capsulă. F. Griffith a observat că dacă şoriceilor li se injectează tipul S inactivat în prealabil prin căldură (65˚C) şi concomitent tipul R avirulent, aceştia pier. Prin urmare, tipul S virulent şi capsulat, deşi omorât prin căldură, a donat capacitatea de infecţie şi respectiv capacitatea de reproducere a pneumococilor virulenţi cu capsulă tipului viu R, deci în prezenţa tipului S inactivat, tipul R a fost transformat, devenind patogen (fig. 3.1). F. Griffith a numit factorul responsabil de transformarea bacteriană principiu de Fig. 3.1. Experimentul de transformare bacteriană realizat transformare (engl. − transforming principle). de către F. Griffith [1] Experienţa prin care cultura de pneumococi avirulenţi – R II – a fost transformată cu ajutorul ADN-ului extras de la pneumococii virulenţi – S III – poate fi considerată prima schiţă de inginerie genetică. În anul 1944 Oswald Avery, Colin McLeod, Maclyn McCarthy, au descoperit că factorul care a determinat transformarea pneumococilor, prin trecerea de la un tip avirulent la altul virulent, este acidul dezoxiribonucleic – ADN. Ei au stabilit că dacă în mediu de cultură se adăuga enzima dezoxiribonucleaza, care fragmentează specific moleculele de ADN, atunci transformarea n-are loc.

23

Înca un argument în sprijinul ideii că ADN-ul reprezintă substratul material al eredităţii au adus Alfred Hershey şi Martha Chase în 1952, care au studiat bacteriofagul T2, parazit al bacteriei E. coli. Ei au marcat cu fosfor (P) şi sulf (S) radioactiv componentele virusului – ADN-ul şi capsida proteică. S-a constatat că în cursul infecţiei în celula bacteriană pătrunde doar ADN, care e capabil să se autoreproducă şi să determine sinteza de proteine fagice (fig. 3.2). Astfel, s-a demonstrat ca ADN-ul reprezintă materialul genetic purtător al informaţiei ereditare la majoritatea organismelor. În 1955, Heinz Fraenkel-Conrat şi Robley Williams au descoperit că acidul ribonucleic este substratul material al Fig. 3.2. Experimentul lui Hershey-Chase de infecţie a bacteriei E. eredităţii la virusul care produce coli cu bacteriofagul T2 [9] mozaicul la tutun (TMV). La ribovirusuri ARN-ul conţine în structura sa atât informaţia genetică pentru propria sa sinteză, cât şi pentru sinteza proteinelor virale. Descoperirea rolului acizilor nucleici în ereditate a impus necesitatea de a stabili structura ADN-ului şi a ARN-ului, în scopul de a explica legătura dintre structura moleculelor şi prezenţa unor anumite caractere ereditare şi mecanismul prin care caracterele ereditare se transmit de la o generaţie la alta. 3.2. NUCLEOZIDELE ŞI NUCLEOTIDELE Acizii nucleici, ADN şi ARN, sunt substanţe polimere macromoleculare, alcătuite din unităţi structurale mai simple (monomeri) ̶ nucleotide. O nucleotidă este alcătuită din trei componente: o bază azotată, o monoglucidă şi un radical al acidului fosforic (o grupare fosfat). Bazele azotate pot fi purinice (au un nucleu purinic) – adenină (A) şi guanină (G) şi pirimidinice (au un nucleu pirimidinic) – citozină (C), timină (T) şi uracil (U) (fig. 3.3).

Fig. 3.3. A. Baze azotate purinice [12]

Fig. 3.3. B. Baze azotate pirimidinice [12]

Al doilea component al nucleotidelor este reprezentat de o monoglucidă cu 5 atomi de carbon (pentoză) dezoxiriboză sau riboză. În condiţii naturale, pentozele se găsesc sub formă ciclică. Atunci când se află în stare liberă au o structură piranozică, iar când se asociază cu alte componente pentru a forma o macromoleculă mai complexă, se găsesc în stare furanozică (cap. 6). În constituţia acizilor nucleici, pentozele se găsesc sub formă furanozică (fig. 3.4).

24

Fig. 3.4. Pentoze – componente ale nucleotidelor ARN şi ADN [12]

Fig. 3.5. Structura acidului fosforic [12]

Radicalul acidului fosforic (fig. 3.5) reprezintă al treilea component al nucleotidelor acizilor nucleici. Acidul fosforic are trei radicali H2PO4-, HPO42-, PO43-. Prin urmare, acidul fosforic are trei grupări OH libere ce pot fi esterificate. În cazul acizilor nucleici se esterifică două grupări OH, deci acizii nucleici sunt fosfodiesteri. Structura acidului fosforic îi conferă posibilitatea de a ataşa două nucleotide adiacente cu eliminarea unei molecule de H2O. Pe lângă aceasta, acidul fosforic asigură acizilor nucleici un puternic caracter acid precum şi prezenţa a numeroase sarcini negative. Datorită acestor sarcini negative, acizii nucleici sunt puternic ionizaţi. Dezoxiriboza, împreună cu o bază azotată, formează un nucleozid. Bazele azotate sunt legate de dezoxiriboză prin legături β-N-glicozil. Bazele pirimidinice se asociază de monoglucid cu atomul N1, iar bazele purinice − cu atomul N9. Pentru a deosebi numerotarea atomilor de carbon din pentoze de atomii de carbon din baze azotate, atomilor din dezoxiriboză li se adaugă prim (') – 1', 2', 3', 4' şi 5'. Monoglucida se ataşează de bazele azotate cu grupa -ОН a atomului de carbon din poziţia 1' (С1). Ataşarea restului fosforic la nucleozide se realizează la carbonul 5' al dezoxiribozei şi condiţionează formarea nucleotidelor. Denumirea nucleotidelor provine de la baza azotată şi numărul de resturi de acid fosforic. Nucleotidul se numeşte nucleozid monofosfat (de ex., dAMP – dezoxiadenozin monofosfat) dacă conţine un rest fosfat; nucleozidul difosfat (dADP – dezoxiadenozin difosfat) conţine două resturi fosfat; nucleozidul trifosfat (dATP – dezoxiadenozin trifosfat) conţine trei resturi fosfat (fig. 3.6). Resturile de acid fosforic se unesc la carbonul 5' al dezoxiribozei şi se numerotează cu literele greceşti α, β, γ. Nucleotidele se unesc între ele prin legături fosfodiesterice în urma înlăturării resturilor fosforice β şi γ. Fig. 3.6. Nucleozid fosfaţi [1] Radicalul fosforic realizează legătura între carbonul din poziţia 5' (C5) a unei nucleotide cu carbonul din poziţia 3' (C3) a unei alte nucleotide, astfel încât se formează un lanţ polinucleotidic prin legături fosfodiesterice 5'→3' sau 3'→5'. Secvenţa polinucleotidică a unei catene reprezintă structura primară a ADN-ului (fig. 3.7).

25

Fig. 3.7. Lanţ polinucleotidic al moleculei de ADN [1]

Fig. 3.8. Schema generală a metabolismului nucleotidelor [7]

Nucleotidele, pe lângă faptul că reprezintă elementele structurale ale acizilor nucleici, îndeplinesc rolul de sursă universală de energie în celula vie – adenozintrifosfat (ATP). Sub formă de nucleozid trifosfaţi – ATP, CTP, GTP şi UTP, nucleotidele joacă un rol central în metabolism. Nucleotidele îndeplinesc funcţia de cofactor, participă nemijlocit la reacţii chimice în calitate de acceptori de grupări chimice, atomi şi electroni, iar nucleotidele ciclice (cGMP and cAMP) participă la semnalizarea celulară [12]. Aşadar, nucleotidele îndeplinesc funcţii multiple. 1. Monomeri ai acizilor nucleici. Nucleozidtrifosfaţii reprezintă substratul material din care se sintetizează acizii nucleici ̶ ADN şi ARN. 2. Forme de stocare a energiei chimice. Principala formă de stocare a energiei chimice în celulă sunt moleculele de ATP, care se sintetizează în cadrul respiraţiei celulare. 3. Componente structurale ale unor coenzime. Coenzime precum NAD, NADP, FAD, FMN, Sadenozilmetionină, coenzima A au un rol major în metabolismul celular. Legarea acestora de partea proteică a enzimei se realizează prin intermediul AMP-ului. 4. Mediatori fiziologici ai unor procese metabolice. Molecula de cAMP funcţionează ca un mesager chimic în controlul hormonal al sintezei macromoleculelor, diviziunii celulare, coaguării sângelui. 5. Activatori moleculari. Pentru sinteza glicogenului, glicoproteidelor, fosfolipidelor, nucleotidele în formă mono-, di- sau trifosforilată (UDP, CMP, CTP, CDP) leagă molecule de glucoză, acid sialic, colină, gliceroli şi le transferă la locul sintezei. 6. Efectori alosterici. Multe căi metabolice sunt controlate de concentraţii intracelulare de nucleotide, inclusiv interconversiunile între purine şi pirimidine. În acest fel, nucleotidele participă la reglarea specifică a metabolismului celular. Căile metabolice majore din cadrul metabolismului nucleotidelor conduc la acidul uric, riboză1-fosfat sau malonil-CoA (fig. 3.8). 3.3. ACIDUL DEZOXIRIBONUCLEIC (ADN) Macromolecula de ADN rezultă din polimerizarea dezoxiribonucleotidelor. O dezoxiribonucleotidă este formată din trei componente: o bază azotată purinică sau pirimidinică, o dezoxiriboză şi o grupare fosfat. În structura ADN-ului intră două baze purinice, adenină (A), guanină (G) şi două pirimidinice, citozină (C) şi timină (T) (fig. 3.9). În constituţia acidului dezoxiribonucleic intră obligatoriu toate cele patru tipuri de baze azotate, însă ordinea şi proporţia în care se găseşte fiecare din acestea este o caracteristică de specie. 26

Fig. 3.9. A. Structura nucleotidelor purinice [1]

Fig. 3.9. B. Structura nucleotidelor pirimidinice [1]

Alături de aceste patru tipuri de baze, în ADN se pot găsi, în cazuri rare, şi alte baze azotate (minore): purinice – inozină, N6-metiladenină, N2-metilguanină, xantină, hipoxantină, 7-metilguanină, etc.; pirimidinice – 5-hidroximetilcitozină, 5-metilcitozină, 5-oximetilcitozină, etc [8]. Pentru prima dată o analiză amănunţită a structurii chimice a acizilor nucleici a fost efectuată de biochimistul austriac Erwin Chargaff în 1952, folosind metoda cromatografică. S-a stabilit că în moleculele de ADN conţinutul de adenină este egal cu conţinutul de timină (A = T), conţinutul de citozină este egal cu conţinutul de guanină (G = C), iar conţinutul bazelor purinice este egal cu conţinutul bazelor pirimidinice (A+G =T+C). Aceste legităţi chimice, care au primit ulterior denumirea de regulile lui Chargaff, au stat la baza descoperirii structurii bicatenare a ADN-ului. În acelaşi timp, raportul dintre (A+T) / (G+C) diferă şi este specific la diferite organisme [5]: Bacteriofagul T2 – 1,84; Escherichia coli – 0,97; Saccharomyces cerevisiae – 1,80; Homo sapiens – 1,40. În anul 1953 James Watson, Francis Crick şi Maurice Wilkins, folosind metoda difracţiei în raze X, au elaborat modelul de structură bicatenară a ADN-ului şi au postulat modelul semiconservativ de replicare a lui. Conform acestui model molecula de ADN este alcătuită din două lanţuri sau catene polinucleotidice complementare, Francis Crick James Watson Maurice Wilkins răsucite una în jurul celeilalte, formând un helix dublu, aceasta fiind structura secundară a ADN-lui (fig. 3.10). Pentru această descoperire savanţilor James Watson, Francis Crick şi Maurice Wilkins li s-a decernat premiul Nobel pentru fiziologie sau medicină în 1962 [14]. Spre exteriorul moleculei de ADN se află scheletul glucidofosforic, iar spre interiorul moleculei – bazele azotate complementare legate prin punţi de hidrogen. O nucleotidă cu adenină se asociază prin două legături de hidrogen cu o nucleotidă cu timină sau invers – A = T sau T = A, iar o nucleotidă cu guanină se leagă cu o nucleotidă cu citozină prin intermediul a trei legături de hidrogen sau invers – G = C sau C = G (fig. 3.10).

27

Fig. 3.10. A. Împerecherea bazelor azotate [11]

Fig. 3.10. B. Structura secundară a ADN-ului [11]

Diametrul spiralei duble a moleculei de ADN este de 2 nm, distanţa între două nucleotide vecine – 0,34 nm, iar o rotaţie completă a unei catene în jurul axului imaginar al moleculei cuprinde 10 perechi de nucleotide (pb). Rotirea unei catene în jurul alteia face ca dublul helix să conţină un şanţ mare (cu un diametru de ~22 Å) şi un şanţ mic (~12 Å) (fig. 3.10. B). Lungimea unei molecule de ADN se exprimă în kilobaze (kb), iar masa moleculară în daltoni (D). Structura bicatenară a macromoleculelor de ADN asigură transmiterea informaţiei ereditare din generaţie în generaţie. Acest proces se realizează datorită replicării moleculei mamă de ADN şi formării a două molecule fiice de ADN, care ulterior se repartizează în celule fiice în cadrul diviziunii celulare. Stabilitatea moleculei de ADN este asigurată prin cooperarea a trei categorii de forţe [3]:  legăturile de hidrogen ce asigură împerecherea bazelor care, deşi slabe, prin numărul lor mare contribuie la stabilitatea macromoleculei;  interacţiunile dintre electroni, respectiv legăturile van der Waals şi atracţiile dipol-dipol dintre planurile bazelor suprapuse care prezintă suprafeţe speciale de contact;  părţile hidrofile ale moleculei (glucid + fosfat) sunt îndreptate spre exteriorul elicei duble, iar cele hidrofobe (bazele azotate) sunt repliate spre interiorul elicei, conferind moleculei o stabilitate maximă.

Conformaţiile moleculare ale ADN-ului Cu ajutorul metodei difracţiei în raze X, s-a demonstrat că macromolecula de ADN poate prezenta mai multe tipuri conformaţionale, notate A, B, C, D sau Z (fig. 3.11). Acestea se deosebesc prin înclinarea bazelor azotate faţă de axa centrală, numărul de baze azotate într-o spiră completă, direcţia răsucirii catenelor şi printr-o serie de particularităţi fizice ale ADN-ului [3]. Moleculele de ADN se găsesc în stări conformaţionale diferite în funcţie de gradul de hidratare a moleculei, forţei ionice a mediului, tipul de cationi, precum şi de temperatură [8]. Conformaţia B este cea mai apropiată de modelul originar al lui Watson-Crick, prezentă în toate celulele. Este o dublă elice de dreapta, ale cărei catene au polaritate opusă. Conţine 10 pb pe tur de elice, dispuse perpendicular pe axul moleculei; cele două catene sunt menţinute prin legături de hidrogen între bazele complementare.

28

Tab. 3.1. Parametrii helixului la unele forme de ADN [2] Parametrii helixului Conformaţii moleculare A-ADN B-ADN Z-ADN Sensul helixului Dreapta Dreapta Stânga Numărul de baze în spiră 11 10 12 Distanţa dintre baze, (Å) 2,9 3,4 3,7 Diametrul moleculei, (Å) 25,5 23,7 18,4 Conformaţia A este asemănătoare primei numai că bazele sunt înclinate cu un unghi de 20° faţă de perpendiculara axului. Această configuraţie determină modificări în pasul elicei, în numărul de baze per tur de elice etc. Tranziţia de la conformaţia B la A se poate realiza in vivo sub acţiunea unor proteine, iar in vitro în prezenţa solvenţilor organici. Conformaţia C este tot de dreapta, iar diferenţele faţă de cele două tipuri conformaţionale ţin de pasul elicei, de numărul bazelor/tură, de înclinarea bazelor. Acest tip este caracteristic pentru unele genomuri virale. Conformaţia D este mai puţin cunoscută. Este o elice dublă de dreapta, cu un unghi mare de rotaţie (45°C), semănând cu helixul format de ADN glicolizat descris la fagul T2. Conformaţia Z corespunde unor molecule de ADN care se abat de la modelul clasic. A fost evidenţiată printr-o tehnică de difracţie în raze X: este o elice dublă răsucită spre stânga, care s-ar datora faptului că bazele G şi C ar fi legate la întâmplare, determinând aspectul în zig-zag.

Fig. 3.11. Conformaţiile moleculare principale ale ADN-ului [11]

Modificările conformaţionale joacă un rol important în procesele de reglare a activităţii celulare şi, în primul rând, în controlul expresiei genelor. Macromoleculele de ADN posedă proprietăţi specifice care sunt determinate de structura lor chimică [2]. 1. Absorbţia razelor ultraviolete. Prezenţa bazelor azotate purinice şi pirimidinice în structura ADN-ului îi conferă moleculei proprietatea de absorbţie a radiaţiilor ultraviolete cu lungimea de undă de 260 nm. Această proprietate poate fi folosită pentru determinarea cantitativă a ADN-ului. 2. Denaturarea şi renaturarea ADN-ului. Proprietăţile fizice ale moleculelor de ADN se pot modifica ca rezultat al acţiunii unor factori fizici (t°C) sau chimici (pH-ul, prezenţa în soluţie a alcoolilor şi a cetonelor). S-a demonstrat, că prin încălzire la temperaturi cuprinse între 63 ̶ 100°C, la moleculele de ADN se rup legăturile de hidrogen dintre bazele azotate, cele două catene se separă una de alta în soluţie, proces care se numeşte denaturare. Denaturarea termică este adesea însoţită de o fluidizare a soluţiei, fenomen denumit topire a ADN-ului [3]. După denaturare, dacă soluţia de ADN 29

este răcită brusc, cele două catene rămân în această stare, denaturarea devenind permanentă. Dacă răcirea este lentă, legăturile de hidrogen dintre cele două catene se pot restabili, având loc procesul de renaturare. 3. Replicarea ADN-ului. Reproducerea este una din însuşirile fundamentale ale materiei vii care se poate realiza la nivel de organism, celular şi molecular. Replicarea ADN este un proces molecular prin care se realizează copierea exactă a moleculelor de ADN. Sinteza ADN-ului este de tip semiconservativ, deoarece fiecare din cele două catene e folosită ca matrice pentru sinteza unei catene noi de ADN. 4. Reparaţia ADN-ului. Această proprietate se realizează prin mecanisme care asigură repararea în molecula de ADN a leziunilor produse de diferiţi factori ai mediului, previne apariţia mutaţiilor şi se bazează pe principiul complementarităţii bazelor azotate. 5. Spiralizarea şi despiralizarea ADN-ului. Proprietatea respectivă asigură trecerea macromoleculei de ADN de la o stare funcţională la alta. 6. Flexibilitatea ADN-ului. Această însuşire asigură trecerea ADN-ului de la o formă conformaţională la alta. Astfel, trecerea moleculei de la forma B la forma A se asociază cu activarea ADN-ului pentru transcripţie, trecerea moleculei de la forma B la forma Z – cu inactivarea secvenţei de ADN. Forma B a moleculei este caracteristică pentru ADN-ul în cadrul procesului de replicare, iar forma C a moleculei este caracteristică pentru organizarea ADN-ului în structuri supramoleculare. 7. Heterogenitatea secvenţelor de ADN. Anumite secvenţe de nucleotide se întâlnesc cu frecvenţă diferită de-a lungul moleculei de ADN. De exemplu, raportul dintre bazele azotate (A+T) / (G+C) este diferit la diverse organisme. 3.4. ACIDUL RIBONUCLEIC (ARN) Acidul ribonucleic (ARN) are o structură chimică asemănătoare cu cea a ADN-ului. Ribonucleotidele sunt alcătuite din 3 componente de bază: o bază azotată purinică sau pirimidinică, o riboză şi o grupare fosfat. În structura ARN-ului intră două baze purinice, adenină (A), guanină (G) şi două pirimidinice, citozină (C) şi uracil (U) (fig. 3.9). Spre deosebire de ADN, molecula de ARN este monocatenară (fig. 3.12).

Fig. 3.12. Deosebiri între moleculele de ARN şi ADN [1]

În dependenţă de funcţiile pe care le îndeplineşte ARN-ul în celulă se deosebesc: ARN viral şi ARN celular. ARN-ul viral este înzestrat cu funcţie de depozitare şi transmitere a informaţiei genetice în generaţiile virale succesive prin replicare. Se întâlneşte la unii ribovirusuri cum ar fi: virusul mozaicului tutunului (VMT), virusul gripei, virusul poliomelitei, unii bacteriofagi. ARN-ul celular îndeplineşte funcţii esenţiale în procesul de decodificare a informaţiei genetice în procesul de biosinteză a proteinelor. Se disting câteva tipuri principale de ARN celular: ARN mesager (ARNm), ARN de transport (ARNt), ARN ribozomal (ARNr) şi ARN nuclear mic (ARNsn).

30

ARN mesager (ARNm) se sintetizează pe una din catenele de ADN (3'-5' – matrice), transcrie şi transportă informaţia ereditară din nucleu în citoplasma celulei, la locul de sinteză a proteinelor – ribozomi. Ulterior, ARNm reprezintă o matrice pentru asamblarea lanţului polipeptidic al moleculei de proteină. Molecula de ARNm matur conţine, pe lângă secvenţa codificatoare, şi secvenţe reglatoare (fig. 3.13).

Fig. 3.13. Organizarea ARNm la eucariote [10]: CAP – (engl. cap – capac); UTR – secvenţe netranslate de ARNm (engl. untranslated regions); CDS (engl. coding sequence); Poly-A (engl. polyadenylation)

Capătul 5′ este protejat de o guanină metilată – 7-metilguanozină, structură care asigură o stabilitate a moleculei de ARN datorită unei legăturii nespecifice 5'-5' şi reprezintă un sit de recunoaştere pentru ribozomi în iniţierea translaţiei (fig. 3.14). Această secvenţă se numeşte CAP (engl. cap ̶ capac) şi este urmată de o secvenţă netranslată 5'-UTR (secvenţa lider). Secvenţa UTR este formată la om din circa 200 de nucleotide şi reprezintă un sit de legare a ARNm de ribozom. Secvenţa codificatoare controlează ordinea asamblării aminoacizilor în polipeptid. La începutul secvenţei codificatoare de ARNm 5′ este prezent codonul de start al translaţiei AUG, iar sfârşitul translaţiei este marcat de unul din codonii STOP – UAA, UAG, UGA. Codonul STOP este urmat de o secvenţă netranslată 3'-UTR alcătuită la om din aproape 800 de nucleotide [16]. Secvenţa netranslată coada Poly-A este formată din 100-200 de nucleotide cu adenină, asigură o stabilitate a capătului 3' al moleculei şi controlează transferul ARNm din nucleu în citoplasmă.

Fig. 3.14. Structura 5'-CAP [17]

Fig. 3.15. Structura ARNt [2]

ARN de transport (ARNt) transportă aminoacizii proteici la ribozomi – sediul de sinteză a proteinelor. Astfel, ARNt serveşte în calitate de translator al codului genetic de pe ARNm şi ca adaptor pentru aminoacizii proteici corespunzători. Fiecare moleculă este formată din ~70 ̶ 80 nucleotide care formează o structură secundară specifică – frunză de trifoi [15]. Molecula ARNt conţine în afară de cele patru baze majore A, U, G, C şi câteva baze minore: pseudouracil (ψ), dihidrouridina (D), timina (T) etc. În molecula de ARNt sunt prezente câteva regiuni funcţionale distincte (fig. 3.15):  braţul acceptor este un segment terminal monocatenar trinucleotidic CCA care are rolul de acceptor pentru aminoacidul specific activat;  bucla TψC este implicată în legarea de suprafaţa ribozomului;

31

 bucla D este responsabilă de legarea de enzima aminoacil ARNt-sintetaza;  bucla anticodon este formată dintr-un triplet de nucleotide cu o secvenţă complementară bazelor azotate dintr-un codon de ARNm, are proprietatea de a se împerechea cu codonul ARNm în baza principiului complementarităţii. ARN ribozomal (ARNr) repezintă circa 80 ̶ 85% din cantitatea totală de ARN celular. ARNr constituie circa 60%, iar proteinele – 40% din masa ribozomilor [13]. În fiecare subunitate a ribozomilor (la eucariote subunitatea mare – 60S, subunitatea mică – 40S) există o singură catenă de ARNr, care se sintetizează în nucleolul celular. Aşadar, ARNr are un rol structural şi participă la sinteza proteinelor, asigurând legătura dintre ribozom, ARNm şi ARNt. Tab. 3.2. Tipurile de ADNr [13] Tipul celulelor Procariote (E. coli) Eucariote (H. sapiens)

Mărimea, (S) 70S

Subunitatea mare a ribozomului (ARNr) 50S (5S : 120 nt; 23S : 2906 nt)

Subunitatea mică a ribozomului (ARNr) 30S (16S : 1542 nt)

80S

60S (5S:121 nt; 5.8S:156 nt; 28S:5070 nt)

40S (18S : 1869 nt)

ARN nuclear mic (ARNnm) este reprezentat de secvenţe de câteva zeci de nucleotide şi intră în componenţa enzimelor ce catalizează metabolismul acizilor nucleici (primaza, telomeraza, splicesomul). 3.5. CODUL GENETIC După descoperirea rolului genetic şi a structurii moleculare a acizilor nucleici, în 1954 ciberneticianul american George Gamow emite ipoteza, că în macromolecula de ADN este codificată biochimic informaţia genetică necesară sintezei moleculelor de proteine. Legătura dintre acizii nucleici şi proteine se realizează cu ajutorul codului genetic, un limbaj biochimic prin care o secvenţă de 3 nucleotide din ADN determină prezenţa unui anumit aminoacid în molecula proteică (fig. 3.16).

Fig. 3.16. Experimentul care demonstrează relaţia dintre ARNm − polipeptid [1]

Unitatea funcţională a codului genetic este codonul. Codul genetic, alcătuit din 64 de codoni, codifică 20 de aminoacizi proteici standard. Trei dintre codoni (UAA, UAG, UGA) se numesc STOP, nu codifică aminoacizi şi servesc ca semnale pentru terminarea sintezei catenei polipeptidice.

32

Acest alfabet al vieţii a fost descifrat de Marchall Nirenberg, Robert Holley şi Gobind Khorana în anii 60 ai secolului XX. Pentru această realizare savanţilor li s-a decernat premiul Nobel pentru fiziologie sau medicină în anul 1968 [14]. Prin urmare, în fiecare celulă, Robert Holley Gobind Khorana Marchall Nirenberg în moleculele de ADN este stocată toată informaţia genetică a organismului, care se realizează în cadrul procesului de biosinteză a proteinelor în ontogeneză. Codul genetic are următoarele proprietăţi. 1. Codul genetic este universal, cu mici excepţii. Aminoacizii proteici sunt codificaţi de aceeaşi codoni, indiferent de organismul în care se realizează biosinteza proteinelor. Universalitatea codului genetic impune ideea că toate organismele vii provin dintr-un singur strămoş, care a apărut în urma unui îndelungat proces de evoluţie a materiei. 2. Codul genetic este tripletar, un codon este alcătuit din 3 nucleotide (triplet). 3. Codul genetic este degenerat. Toţi aminoacizii, cu excepţia metioninei şi a triptofanului, sunt codificaţi de mai mulţi codoni. Această proprietate are o mare importanţă în stabilitatea transferului de informaţie genetică din generaţie în generaţie. Spre exemplu, codonii UCU, UCC, UCA, UCG codifică aminoacidul serina. Dacă al treilea nucleotid va fi înlocuit în urma unei mutaţii, structura proteinei va rămâne neschimbată. Tab. 3.3. Codul genetic însris în ARNm A doua literă

Prima literă

U Phe, F

U

C

A

G

C

UUU UUC Leu, L UUA UUG

UCU Ser, S UCC UCA UCG

Tyr, Y

CUU Leu, L CUC CUA CUG

CCU Pro, P CCC CCA CCG

His, H

AUU AUC AUA Met, M AUG

ACU Thr, T ACC ACA ACG

Asn, N

GUU Val, V GUC GUA GUG

GCU Ala, A GCC GCA GCG

Asp, D

Ile, I

G

A treia literă

UAU UAC UAA UAG

Cys, C UGU UGC Stop UGA Trp, W UGG

U C A G

CAU CAC CAA CAG

CGU Arg, R CGC CGA CGG

U C A G

AAU AAC AAA AAG

Ser, S

AGU AGC Arg, R AGA AGG

U C A G

GAU GAC GAA GAG

GGU Gly, G GGC GGA GGG

U C A G

A

Stop Stop

Gln, Q

Lys, K

Glu, E

4. Codul genetic este colinear. Succesiunea codonilor din molecula de ARNm matur este liniară cu succesiunea aminoacizilor din proteina sintetizată. 5. Codul genetic este specific. Unul şi acelaşi triplet codifică un aminoacid specific. De exemplu, UUU nu codifică aminoacidul serina, ci aminoacidul fenilalanina.

33

6. Codul genetic este nesuprapus. Codonii vecini din molecula de ARNm nu au nucleotide comune. Spre exemplu, secvenţa de ARNm matur, care se începe cu nucleotidele AUG/AGC/GCA, nu este citită AUG/UGA/GAG, ci strict pe triplete. 7. Codul genetic este fără virgule. Succesiunea de codoni din ARNm se citeşte secvenţial, codon după codon, fără semne de separare. În citirea mesajului genetic purtat de ARNm un rol important îl au 3 codoni − UAA, UGA, UAG – stop sau nonsens. Codonii stop nu codifică aminoacizi ci servesc ca semnale pentru terminarea sintezei unei catene polipeptidice. Dintre cei 61 de codoni sens 2 marchează inceputul sintezei unui lanţ polipeptidic – AUG şi GUG. TESTE DE EVALUARE 1. Completaţi spaţiile libere din text. 1.1. O nucleotidă este alcătuită din trei componente: a)....................; b).......................; c)....................... 1.2. ADN-ul stochează informaţia............................................................................................................. 1.3. Molecula de ARN este o structură....................................................................................................... 1.4. În componenţa acizilor nucleici intră monoglucida............................................................................ 1.5. Se cunsosc ...............tipuri de ARN celular:........................................................................................ 2. Alegeţi răspunsul corect din două variante alternative: Da / Nu. 2.1. Bazele azotate formează împreună cu monoglucidele dezoxiriboza şi riboza – nucleozide. 2.2. Nucleozidele purinice se hidrolizează mai greu decât nucleozidele pirimidinice. 2.3. ADN-ul este substratul material al informaţiei genetice. 2.4. În molecula de ADN conţinutul de A + T = G + C. 2.5. ADN-ul extranuclear este liniar. 3. Alegeţi varianta sau variantele de răspuns corecte. 3.1. Molecula de ARN: a) adenină; b) guanină; c) uracil; d) timină; e) citozină. 3.2. ADN-ul eucariotelor reprezintă: a) un lanţ polinucleotidic monocatenar; b) o spirală polinucleotidică monocatenară; c) un lanţ polinucleotidic bicatenar; d) o spirală polinucleotidică bicatenară. 3.3. Un segment bicatenar al moleculei de ADN conţine 2400 de nucleotide, dintre care 300 cu adenină. Câte nucleotide cu citozină conţine acest segment? A. 300. B. 750. C. 900. D. 1800. 3.4. Un segment bicatenar de ADN conţine 720 de nucleotide cu adenină şi timină (48% din numărul total de nucleotide). Determinaţi numărul total de nucleotide cu guanină în segmentul respectiv. A. 195. B. 390. C. 720. D. 360. 3.5. ADN-ul celular este localizat în: a) nucleu; b) reticulul endoplasmatic; c) mitocondrii; d) cloroplaste; e) aparatul Golgi; f) lizozomi.

34

4. Asociaţi. Celula umană 1. 46 molecule de ADN 2. 23 molecule de ADN 3. ADN liniar 4. ADN circular

A. Celule sexuale B. Aparat Golgi C. Celule somatice D. Mitocondrie E. Nucleu F. Ribozomi

5. Selectaţi termenul care nu se încadrează în grupul tematic prezentat şi explicaţi de ce l-aţi separat. 5.1. Adenină; guanină; dezoxiriboză; timină; citozină; riboză. 5.2. Timină; citozină; guanină; adenină, uracil. 5.3. ATP; ADN; ARN, proteină. 6. Completaţi tabelul. ADN/ARN Asemănări 1. 2. 3. 4.

Deosebiri 1. 2. 3. 4.

7. Scrieţi un referat la tema. 7.1. Proprietăţile fizico-chimice ale ADN-ului. 7.2. Structura şi funcţiile ADN-ului în celulă. 7.3. Structura şi funcţiile ARN-ului în celulă. 7.4. Proprietăţile codului genetic. GLOSAR Angstrom (Å) – unitate de măsură a lungimii egală cu 10-10 m sau 0,1 nm. Difracţia de raze X – (engl. XRD – X-Ray Diffraction) este o metoda de analiză nedistructivă a structurii atomice sau moleculare a cristalelor. Furanoză – monoglucidă ciclică (cu inel furanic) alcătuită din 5 atomi de carbon. Genă – un segment al macromoleculei de ADN care codifică un polipeptid, o moleculă de ARNt sau ARNr. Genom – totalitatea moleculelor de ADN în celulă. Mozaic ̶ viroză a plantelor, manifestată prin apariţia unor pete decolorate pe frunze, care alternează cu porțiuni colorate normal, având aspectul de mozaic. Piranoză − monoglucidă ciclică (cu inel piranic) alcătuită din 6 atomi de carbon. Transcripţie – proces de sinteză a unei molecule de ARN pe o catenă matrice de ADN 3'-5'. Translaţie – proces de sinteză a unui polipeptid pe o matrice de ARNm asociată cu ribozomii celulari. Pentoză – monoglucidă cu 5 atomi de carbon.

35

BIBLIOGRAFIE 1. Ardelean, A., Roşu, I., Istrate, C. Genetică. Atlas şcolar. Bucureşti, 2002. 2. Cemortan, I., Capcelea, S., Ţaranov, L., Amoaşii, D. Curs de biologie moleculară. Chişinău, USMF, 2000.-243 p. 3. Cornea, C., Vătafu, I., Barbu, A. Elemente de inginerie genetică. – Bucureşti, All Educational, 1998.-184 p. 4. Duca, M. Fiziologie vegetală. – Chişinău, Ştiinţa, 2006.-287 p. 5. Palii, A. Genetica. – Chişinău, Museum, 1998.-352 p. 6. Popa, N. Genetica. Curs de prelegeri. – Chişinău, Centrul Editorial al USM, 2000.-382 p. 7. Voet, D., Pratt, Ch., Voet, J. Principles of Biochemistry, 4th Edition International Student Version, 2012.-1208 p. 8. Титова, Н., Савченко, А., Замай, Т. Боровкова, Г., Субботина, Т., Инжеваткин, Е. Биохимия и молекулярная биология: конспект лекций – Россия, Красноярск, 2008. 9. http: Hershey – Chase experiment // en.wikipedia.org/wiki/ Hershey-Chase 10. http: Messenger RNA //en.wikipedia.org/wiki/Messenger_RNA 11. http: Nucleic acid structure //en.wikipedia.org/wiki/Nucleic_acid_structure 12. http: Nucleotides //en.wikipedia.org/wiki/Nucleotides 13. http: Ribosomal RNA //en.wikipedia.org/wiki/Ribosomal_RNA 14. http: The Nobel Prizes // www.nobelprize.org / nobel_prizes/ 15. http: Transfer RNA //en.wikipedia.org/wiki/Transfer_RNA 16. http: 3'-UTR //en.wikipedia.org/wiki/3'_UTR 17. http: 5'-CAP//en.wikipedia.org/wiki/Five_prime_cap

36

CAPITOLUL 4. AMINOACIZII, PEPTIDELE ŞI PROTEINELE 4.1. Aminoacizii 4.2. Peptidele şi polipeptidele 4.2. Clasificarea şi caracteristica generală a proteinelor 4.3. Organizarea structurală a proteinelor 4.4. Proprietăţile fizico-chimice ale proteinelor 4.5. Funcţiile proteinelor în celulă

4.1. AMINOACIZII Aminoacizii sunt compuşi organici care conţin în molecula lor cel puţin o grupare aminică NH2 şi o grupare carboxilică O=C–OH. Aminoacizii sunt substanţe solide, cristaline, solubile în acizi diluaţi şi în baze alcaline, predominant solubile în apă, greu solubile în alcooli şi insoluble în solvenţi organici. Aminoacizii au puncte de topire şi fierbere relativ ridicate, peste 250°C. Particularităţile proprietăţilor fizico-chimice ale aminoacizilor sunt determinate de prezenţa concomitentă în molecule a diferitor grupe funcţionale – aminice şi carboxilice. Datorită prezenţei acestora, aminoacizii sunt substanţe amfotere şi pot intra în reacţie ca amine şi ca acizi carbonici. 4.1. Formula generală a unui Aminoacizii având o formulă generală, se deosebesc prin structura α-aminoacid [11] radicalului (R), care determină proprietăţile specifice ale aminoacidului. De exemplu, aminoacidul alanina are un radical simplu – CH3, radicalul aminoacidului cisteina conţine sulf – CH2SH etc. Plantele superioare verzi sintetitizează toţi aminoacizii necesari din săruri de amoniu, nitraţi, cetoacizi sau oxiacizi. Animalele sintetizează majoritatea aminoacizilor din produse neazotate ale metabolismului şi azot amoniacal. Aminoacizii îndeplinesc următoarele funcţii biologice:  aminoacizii sunt elemente structurale ale peptidelor, proteinelor, acizilor biliari;  unii aminoacizi sunt transmiţători de semnale, precursori de neurotransmiţători şi hormoni;  aminoacizii au un rol central în metabolismul substanţelor azotoase, sunt donori de azot, participă la biosinteza purinelor, vitaminelor, alcaloizilor, sunt metaboliţi intermediari în ciclul ureei. În prezent se cunosc peste 400 de aminoacizi [5], iar în componenţa proteinelor celulare intră 20 de α-aminoacizi standard (proteici), în timp ce ceilalţi aminoacizi (neproteici) sunt prezenţi în celulă în formă liberă. Aminoacizii neproteici, de asemenea, au un rol metabolic şi structural important:  β-alanina – intră în structura coenzimei A;  acidul γ - aminobutiric (GABA) – este un mediator chimic la nivelul sistemului nervos central;  5- hidroxitriptofanul – este un precursor al serotoninei;  ornitina şi citrulina – sunt intermediari în sinteza ureei;  homocisteina şi homoserina – sunt intermediari în metabolismul unor aminoacizi.

Proprietăţile chimice ale aminoacizilor Aminoacizii fiind substanţe amfotere care dau reacţii caracteristice atât datorită prezenţei grupărilor aminice şi carboxilice, cât şi datorită prezenţei ambelor grupări în molecula lor.

37

1. Reacţii datorită grupării aminice. 1.1. Formarea de săruri cu acizi organici şi anorganici. Gruparea aminică are caracter bazic şi reacţionează cu acizii formând săruri – clorhidraţi, sulfaţi, azotaţi etc. (fig. 4.2).

Fig. 4.2. Reacţia unui α-aminoacid cu acid clorhidric [7]

1.2. Formarea de hidroxiacizi. Aminoacizii analog aminelor primare reacţionează cu acidul azotos şi formează hidroxiacizi (fig. 4.3).

Fig. 4.3. Reacţia unui α-aminoacid cu acid azotos [7]

Din volumul de azot care se degajă se poate stabili numărul grupărilor aminice din molecula aminoacidului. Această reacţie stă la baza dozării aminoacizilor prin metoda Van Slyke [3] 1.3. Formarea de baze Schiff. Aminoacizii reacţionează cu aldehidele şi formează prin reacţii de condensare baze Schiff (fig. 4.4). Acestea rezultă din combinarea unei amine sau a unor substanţe cu grupări aminice cu o aldehidă.

Fig. 4.4. Reacţia unui α-aminoacid cu o aldehidă [7]

Bazele Schiff ale aminoacizilor au caracter acid şi se utilizează pentru dozarea volumetrică a aminoacizilor la nivelul grupărilor carboxilice. 2. Reacţii datorită grupării carboxilice. 2.1. Formarea de săruri cu baze. Aminoacizii reacţionează cu baze la nivelul grupării carboxilice şi formează săruri (fig. 4.5).

Fig. 4.5. Reacţia unui α-aminoacid cu o bază [7]

2.2. Formarea de esteri. Aminoacizii reacţionează cu alcooli formând esteri (fig. 4.6).

Fig. 4.6. Reacţia unui α-aminoacid cu alcool etilic [7]

În rezultatul reacţiei aminoacizii din stare solidă se transformă în esteri lichizi, amestecul cărora se poate separa prin distilare fracţionată cu vid.

38

3. Reacţii datorită prezenţei ambelor grupe funcţionale în molecula aminoacizilor. 3.1. Formarea legăturilor peptidice. Prin eliminarea unei molecule de apă dintre gruparea carboxilică a unui aminoacid şi gruparea aminică a altui aminoacid se formează peptide. Legătura ce se formează între cei doi aminoacizi se numeşte legătură peptidică (–CO–NH–) (fig. 4.9). 3.2. Formarea sărurilor complexe. Aminoacizii formează cu metalele grele (Cu, Ni, Co, Pb, Fe, etc.) săruri complexe, colorate, numite chelaţi.

Clasificarea aminoacizilor În funcţie de poziţia grupei aminice în scheletul carbonic faţă de grupa carboxilică se deosebesc α-, β-, γ- aminoacizi. La α-aminoacizi gruparea aminică şi carboxilică sunt legate de acelaşi atom de carbon, la β-аminoacizi gruparea aminică este separată de gruparea carboxilică printr-un atom de carbon, la γ-aminoacizi gruparea aminică este separată de gruparea carboxilică prin doi atomi de carbon etc (fig. 4.7).

Fig. 4.7. Poziţia grupei NH2 în raport cu gruparea COOH

Sub aspectul structurii, după poziţia grupei NH2 faţă de atomii de carbon asimetrici din catena carbonică, aminoacizii pot aparţine configuraţiei L sau D. În natură predomină L-aminoacizii. Dacă gru pa aminică este situată la sânga în raport cu atomul asimetric de carbon, atunci aminoacidul are configuraţia L, dacă grupa aminică este situată la dreapta faţă de atomul asimetric de carbon − aminoacidul are configuraţia D (fig. 4.8). α-Aminoacizii au unul sau doi atomi de carbon asimetrici (cu excepţia glicinei) şi respectiv posedă activitate optică. Astfel, Fig. 4.8. Izomeri ai aminoacizilor sub aspect structural aminoacidul α-alanina poate fi prezent în două for me optic active: dextrogiri (+), deviază planul de polarizare a luminii în soluţii apoase spre dreapta sau levogiri (–), deviază planul de polarizare a luminii spre stânga. În natură se găseşte, de obicei, numai una din formele optic active, dextrogiră sau levogiră. Activitatea optică nu este dependentă de forma structurală D sau L. Aminoacizii obţinuţi prin sinteză sunt racemici. Clasificarea modernă a aminoacizilor proteinogeni se realizează în funcţie de polaritatea radicalilor chimici, capacitatea lor de a intra în reacţie cu apa la un pH = 7.0 [4]. 1) Aminoacizi cu radicali nepolari – alanină, valină, leucină, izoleucină, glicină, prolină, metionină. Acesti aminoacizi sunt compuşi hidrofobi. 2) Aminoacizi cu radicali polari fără sarcină electrică – serină, treonină, cisteină, asparagină şi glutamină. Aminoacizii respectivi sunt mai solubili în apă, mai hidrofili decât aminoacizii nepolari, întrucât conţin grupe funcţionale care formează legături de hidrogen cu apa. 3) Aminoacizi cu radicali aromatici – fenilalanină, tirozină şi triptofan. Radicalii acestor aminoacizi posedă compuşi ciclici, sunt relativ nepolari, pot participa la interacţiuni hidrofobe. 4) Aminoacizi cu radicali cu sarcină negativă – acid glutamic şi acid aspartic. Aminoacizii respectivi au o grupă carboxilică suplimentară, un caracter acid şi sunt hidrofili. 5) Aminoacizi cu radicali cu sarcină pozitivă – lizină, arginină, histidină. Aceşti aminoacizi au un caracter bazic şi sunt compuşi hidrofili.

39

Aminoacizii se clasifică şi în funcţie de proprietăţile chimice ale radicalilor (anexa 1) [2]: 1) alifatici – glicină, alanină, valină, leucină, izoleucină; 2) cu sulf – serină, metionină; 3) aromatici – fenilalanina, tirozina, triptofan; 4) iminoacizi – prolină; 5) neutri – serină, treonină, asparagină, glutamină; 6) acizi – acid glutamic, acid aspartic; 7) bazici – lizină, arginină, histidină. Pe lângă aminoacizi standard, în componenţa unor proteine intră şi aminoacizi specifici – selenocisteină (Sec) şi pirolizină (Pyl). Plantele verzi pot sintetiza toţi aminoacizii proteici. O parte din aminoacizi, 8 la număr, care se numesc esenţiali nu se sintetizează în organismul animalelor şi omului: triptofan, fenilalanină, metionină, lizină, valină, treonină, izoleucină, leucină. Nutriţia cu proteină săracă în aminoacizi esenţiali poate duce la o încetinire a creşterii, poate fi cauza unor dereglări de metabolism, stări de oboseală şi anxietate. 4.2. PEPTIDELE ŞI POLIPEPTIDELE Prezenţa concomitentă în moleculele de α-aminoacizi a grupării aminice şi carboxilice conferă aminoacizilor capacitatea de a intra în reacţii de policondensare şi formare a legăturilor peptidice dintre aminoacizi. În rezultatul unei astfel de reacţii se formează biopolimeri – peptide, polipeptide şi proteine. Numărul şi succesiunea aminoacizilor în lanţurile polipeptidice sunt strict specifice şi determină proprietăţile fizico-chimice ale proteinelor. Legătura ce se formează între gruparea carboxili că a unui aminoacid şi gruparea aminică a altui aminoacid se numeşte legătură peptidică –CO– NH– (fig. 4.9). Legăturile peptidice se formează prin eliminarea unei molecule de apă, proces care se numeşte condensare şi se rup în urma adiţionării unei molecule de apă – hidroliză. Peptidele şi polipeptidele sunt substanţe naturale care se găsesc în celulă în stare liberă sau ca produse intermediare în procesul de hidroliză a proteinelor. Astfel de peptide cu funcţii biologice precum: hormoni, toxine, neuropeptide, antibiotice se formează prin biosinteză. Peptidele au fost descoperite de către chimistul german Fig. 4.9. Formarea unui dipeptid [11] Hermann Fischer, laureat al premiului Nobel pentru chimie în 1902 [23]. Catenele peptidice diferă între ele prin numărul, natura şi ordinea aminoacizilor. În funcţie de numărul de aminoacizi din lanţul peptidic se poate face următoarea clasificare:  peptide – rezultă prin înlănţuirea unui număr de până la 50 de aminoacizi. Dintre acestea, oligopeptidele se formează din condensarea a 2 ̶ 10 aminoacizi, în timp ce polipeptidele rezultă din condensarea unui număr mai mare de 10 aminoacizi.  proteine – complexe moleculare care se formează prin înlănţuirea unui număr mai mare de 50 de aminoacizi. Peptidele posedă o activitate fiziologică înaltă şi reglează diferite procese biologice. În funcţie de acţiunea lor bioreglatoare, peptidele sunt substanţe cu o activitate hormonală (glucagon, oxitocină, vasopresină, etc.); cu efect analgezic (peptide opiacee); reglatoare de apetit (endorfine, neuropeptid-Y, leptină, etc.), tensiune arterială şi vasoconstricţie (anghiotensină II, bradichinină, etc.), activitate nervoasă superioară [25]. 40

Peptidele pot forma numeroşi izomeri în funcţie de tipul, numărul şi succesiunea aminoacizilor din lanţul polipeptidic. Teoretic din 4 aminoacizi diferiţi se pot forma 24 de peptide izomere, din 6 aminoacizi 720 de peptide izomere, iar din 10 aminoacizi diferiţi 3,600,000 de peptide izomere. Peptidele şi polipeptidele sunt substanţe solide, cristaline, solubile în apă şi insolubile în solvenţi organici. Soluţiile peptidelor şi polipeptidelor nu coagulează sub acţiunea căldurii. Soluţiile polipeptidelor superioare precipită prin adăugare de săruri ale metalelor grele. Peptidele şi polipeptidele sunt substanţe cu caracter amfoter şi posedă activitate optică. Sub aspect chimic ambele grupe de substanţe dau reacţii asemănătoare aminoacizilor, la nivelul grupărilor aminice şi carboxilice libere. Polipeptidele superioare dau reacţii de precipitare şi de culoare asemănătoare proteinelor. Toate peptidele şi polipeptidele hidrolizează în mediul acid, bazic sau sub influenţa unor enzime numite peptidaze. Unele peptide naturale sunt importante în industria alimentară. Printre acestea pot fi menţionate următoarele: glutationul, carnisina, anserina. Glutationul (γ-glutamil-cistenil-glicocol) este o tripeptidă formată din trei resturi de aminoacizi – acidul glutamic, cisteină, glicină, prezentă în aproape toate celulele vii. În cantităţi mari, glutationul se găseşte în boabele de grâu germinat (până la 0,45 % din masa uscată), carnea de vită şi pui, în levurile vechi, struguri, roşii, portocale, cartofi, spanac. Glutationul este o substanţă solidă, albă, solubilă în apă şi alcool, are 2 grupe carboxilice libere şi respectiv un caracter pronunţat acid (pH = 2,83). Datorită prezenţei grupării sulfhidrilice (–SH) glutationul are proprietăţi reducătoare puternice şi poate exista în două forme: redusă (G-SH) şi oxidată (G-S-S-G) (fig. 4.10). Forma oxidată este alcătuită din două molecule de glutation redus, legate printr-o legătură (-S-S-) disulfidică. Reducerea glutationului oxidat are loc pe baza surselor de hidrogen, formate în procesul metabolismului. Aceste forme trec uşor una în alta. Transformările reciproce ale formelor reduse şi oxidate ale glutationului au loc în prezenţa acidului dehidroascorbic care este acceptor de hidrogen şi sunt catalizate de enzima glutationreductaza. Datorită acestor transformări glutationul participă în numeroase procese de oxidoreducere în organism; este un transportor de hidrogen neenzimatic. Glutationul, fiind un reducător intracelular puternic, protejează grupele sulfhidrilice (–SH) ale proteinelor şi enzimelor de oxidare, participă la Fig. 4.10. a) Biosinteza glutationului; b) glutation redus descompunerea peroxizilor (Н2О2) şi reducerea şi oxidat [4] acidului ascorbic, are funcţie de coenzimă în unele enzime (glutationperoxidaze, catepsine, papaine), activează enzimele proteolitice de origine vegetală, care au în centrul activ gruparea –SH (enzime tiolice), are un rol în transportul aminoacizilor prin membrana celulară. Glutationul are importanţă în metabolism şi în calitate de moleculă hidrofilă care se ataşează de enzimele ficatului la substanţele toxice hidrofobe în procesul de biotransformare şi eliminare a lor din organism.

41

În seminţele germinate ale cerealelor se activează enzimele proteolitice care hidrolizează proteinele, formând astfel polipeptide şi aminoacizi. Astfel, la a patra zi de germinare a orzului, cantitatea de glutation în boabe creşte de 2,5 ori. Modificarea particularităţilor tehnologice şi de panificaţie ale boabelor cerealelor se explică prin faptul că creşte solubilitatea proteinelor în apă, se reduce conţinutul de proteine şi se măreşte conţinutul de compuşi azotaţi neproteici şi aminoacizi liberi. Glutenul grâului îşi pierde elasticitatea, devine lipicios, fragil, fapt care duce la schimbarea proprietăţilor aluatului. În panificaţie pentru a preveni distrugerea glutenului, glutationul redus se oxidează cu acid dehidroascorbic (vitamina C oxidată). 4.3. CLASIFICAREA ŞI CARACTERISTICA GENERALĂ A PROTEINELOR Proteinele (gr. proteinos – primar) sunt compuşi organici macromoleculari alcătuiţi din atomi de carbon, hidrogen, oxigen şi azot. O parte din proteine formează complexe cu molecule care conţin P, Fe, Cu, Zn. Proteinele reprezintă componente principale ale celulelor şi posedă:  un nivel înalt de organizare structurală;  o diversitate moleculară;  o specificitate tisulară şi de specie. În celulele de origine animală conţinutul de proteine poate să ajungă până la 50% din masa uscată. Proteinele se pot clasifica după o serie de criterii de bază – chimice, conformaţionale, funcţionale. În dependenţă de structura chimică proteinele se împart în două grupe mari: proteine simple − holoproteine şi proteine complexe − heteroproteine. În componenţa proteinelor simple intră doar resturi de aminoacizi, iar proteinele complexe sunt alcătuite dintr-o componentă proteică şi o componentă de natură neproteică − grupă prostetică.

Proteinele simple Proteinele simple se clasifică în funcţie de solubilitatea lor în diferite medii. Se cunosc următoarele clase de proteine: albumine, globuline, prolamine, gluteline, histone, protamine. Albuminele sunt solubile în apă, au caracter slab acid, au o masă moleculară relativ mică, coagulează prin încălzire la 70°C şi conţin toţi aminoacizii esenţiali. Sunt răspândite în organismele animale (ovalbumina din albuşul de ou, mioglobina din ţesutul muscular, serumalbumina din plasma sângelui, lactalbumina din lapte – urda preparată prin fierberea zerului, nu este altceva decât lactalbumina precipitată) şi vegetale, preponderent în seminţe (legumelina în seminţele plantelor leguminoase; leucozina din seminţele de cereale, faseolina în fasole). Fierberea produselor care conţin albumine determină apariţia unei spume albe care provine din coagularea albuminelor. Unele albumine vegetale precum ricina extrasă din ricin (Ricinus communis) sunt toxice, având proprietatea de a aglutina globulele roşii din sânge. Globulinele sunt solubile în soluţiile diluate de săruri. Din soluţii saline globulinele precipită prin adăugare de sulfat de amoniu sau prin diluare cu apă. Prin fierbere globulinele coagulează mai greu decât albuminele. Globulinele au masa moleculară mare şi au un caracter acid mai pronunţat decât albuminele, datorită conţinutului ridicat de acid aspartic şi acid glutamic. Dintre cele mai cunoscute globuline animale fac parte: serumglobulina din sânge, ovoglobulina din ou, fibrinogenul din sânge, lactoglobulina din lapte, miozina din muşchi. La plante globulinele se găsesc în cantitate mai mare în seminţe, fiind depozitate ca substanţe de rezervă. Din seminţele de plante au fost izolate: legumina din mazăre, faseolina din fasole, glicinina din soie, arachina din alune etc. Prolaminele sunt proteine vegetale solubile în soluţii alcoolice apoase; conţinutul ridicat de prolină (de unde le şi derivă numele), acid aspartic şi acid glutamic le conferă un caracter acid pronunţat. Prolaminele nu coagulează sub acţiunea căldurii şi au o valoare alimentară redusă deoarece 42

conţin în cantităţi foarte mici doi aminoacizi esenţiali – lizină şi triptofan. Principalii reprezentanţi ai prolaminelor unor graminee sunt: gliadina (din grâu), zeina (din porumb), hordeina (din orz), aveina (din ovăz). Glutelinele sunt proteine vegetale solubile în soluţii diluate de baze şi acizi. Prezenţa acidului glutamic (peste 20%) şi a acidului aspartic în structura glutelinelor le imprimă un caracter acid pronunţat. Glutelinele au o valoare alimentară mai mare decât prolaminele. Cele mai studiate gluteline sunt glutelina (din porumb), glutenina (din grâu) şi orizenina din (orez). Glutelinele împreună cu prolaminele sunt componentele principale ale glutenului. Proteinele din gluten, prin punţile -S-S-, conferă făinii de grâu proprietatea de a fi panificată. Glutenul imprimă pâinii porozitate, volum corespunzător şi un grad mare de digestibilitate. Faina de porumb şi orez nu conţine gluten, nu are proprietăţi panificabile, în comparaţie cu făina de grâu, secară şi orz. Histonele sunt proteine solubile în apă, au un caracter bazic determinat de conţinutul ridicat de arginină, lizină şi histidină. Se găsesc sub formă de proteine simple, predominant în regnul vegetal, în globulele roşii şi lapţii peştilor, dar mai ales sub forma de proteine asociate cu acizii nucleici în cromozomi. Protaminele sunt proteine solubile în acizi diluaţi, au caracter bazic accentuat datorită prezenţei aminoacizilor bazici (lizină, histidină, arginină) în proporţie de 60%. Sunt proteine cu o masă moleculară mică (până la 12.000 D) prezente doar în regnul animal, se găsesc în cantităţi mari în lapţii de peşte.

Proteinele complexe Componenta prostetică la heteroproteine poate fi reprezentată de glucide (glicoproteine), lipide (lipoproteine), acid fosforic (fosfoproteine), pigmenţi (cromoproteine), un metal (metaloproteine) sau de un acid nucleic (nucleoproteine). 1. Glicoproteinele au componenta prostetică reprezentată de monoglucide (glucoză, manoză, galactoză, acizi uronici, xiloză), diglucide sau poliglucide. Glicoproteinele sunt un component structural important al membranelor celulare animale şi vegetale. Din clasa glicoproteinelor fac parte anticorpii, interferonii, proteinele plasmei sangvine, laptelui, proteinele membranare, majoritatea hormonilor. Fasola uscată conţine o proteină de rezervă (vicilina) care conţine manoză şi Nacetilglucozoamină legate de aminoacidul asparagina. În seminţele de ricin şi în organele vegetale ale unor leguminoase (soia, fasole, mazăre) se găsesc glicoproteine toxice care determină aglutinarea eritrocitelor. 2. Lipoproteinele au o componentă prostetică reprezentată de fosfolipide, trigliceride, colesterol liber sau esterificat. Lipoproteinele se clasifică în două grupe:  structurale, insolubile în apă – lipoproteinele membranelor celulare animale, lipoproteinele învelişului fibrelor nervoase, lipoproteinele cloroplastelor şi mitocondriilor celulare;  libere, solubile în apă – lipoproteinele laptelui care au un rol energetic, lipoproteinele din ou cu rol în dezvoltarea embrionului, lipoproteinele plasmei sangvine care asigură transportul substanţelor liposolubile de la ficat la ţesuturile periferice şi în direcţie inversă (fosfolipide, colesterol, vitamine, hormoni, medicamente). În funcţie de densitate, lipoproteinele plasmei sangvine se clasifică în patru grupe. 2.1. Chilomicronii sunt micele lipoproteice care pot forma picături de lipide ce conţin 99% de grăsimi şi 1% proteine; transportă triacilglicerolii de la intestin la ficat, muşchi scheletici şi ţesut adipos; 2.2. Lipoproteinele cu densitate foarte mică (engl. VLDL – very low density lipoproteins) conţin 80% grăsimi, 7% fosfolipide, 8% colesterol, 2% proteine, transportă colesterolul de la ficat în celulele corpului;

43

2.3. Lipoproteinele cu densitate mică (engl. LDL – low density lipoproteins) conţin 43% colesterol, 10% grăsimi, 22% fosfolipide, transportă colesterolul de la ficat în celulele corpului şi este cunoscut sub denumirea de colesterol rău; 2.4. Lipoproteinele cu densitate mare (engl. HDL – high density lipoproteins) conţin 45 − 50% proteine, componenta lipidică este reprezentată de 30% fosfolipide şi 18% colesterol, colectează colesterolul din celulele corpului şi îl transportă din nou la ficat fiind numit colesterol bun. Lipoproteinele LDL (datorită conţinutului crescut de colesterol) şi VLDL (datorită procentului mare de trigliceride) exercită efecte negative asupra aparatului cardiovascular şi determină apariţia aterosclerozei, iar lipoproteinele HDL fiind bogate în fosfolipide au un rol de protecţie a organismului. 3. Nucleoproteinele au o componentă prostetică reprezentată de acizi nucleici şi sunt de două tipuri. 3.1. Ribonucleoproteine (nucleoproteine cu ARN) sunt principalele componente ale ribozomilor şi moleculelor de ARN nuclear mic; 3.2. Dezoxiribonucleotide (nucleoproteine cu ADN – fig. 4.11) se gasesc în cantităţi mari în toate nucleele celulare, iar în cantităţi mai mici – mitocondrii, cloroplaste, citoplasmă; Fig. 4.11. Dezoxiribonucleotide – nucleoproteine cu ADN în dezoxiribonucleotidele reprezintă cea mai mare [12] parte din masa cromozomilor. 4. Fosfoproteinele au componenta prostetică reprezentată de acidul fosforic esterificat cu grupările -OH ale serinei, treoninei şi sunt prezente în organismele tinere vegetale şi animale. Acidul fosforic se găseşte, de obicei, în fosfoproteine sub forma sărurilor de K+ sau Ca2+. Din această categorie fac parte:  cazeina reprezintă în jur de 80% din proteinele laptelui;  ovovitelina furnizează fosforul şi aminoacizii necesari embrionului sau organismelor tinere;  pepsina este o enzimă din sucul gastric. 5. Metaloproteinele au gruparea prostetică reprezentată de metale (Fe2+, Fe3+, Cu2+, Mg2+, Zn2+, 2+ Co , Mn2+ , Ni2+). Metaloproteinele au roluri diferite în celule: enzimatic, transport şi depozitarea proteinelor. O serie de enzime şi unii hormoni necesită pentru activitatea lor prezenţa obligatorie a unui metal. Metalele în combinaţie cu proteinele formează chelaţi. Dintre metaloproteine şi metaloenzime putem menţiona următoarele:  feritina constituie rezerva de fier a organismelor, reprezintă un complex proteic globular prezent în ficat, splină, măduva osoasă; în organismul uman conţinutul de feritină este de 2 ̶ 4 g;  transferinele sunt o clasă de proteine a plasmei sangvine care asigură transportul fierului – ovotransferina, lactoferina transportă fierul în ou (albuş) şi respectiv, lapte;  ureaza conţine Ni2+, catalizează hidroliza ureei până la dioxid de carbon şi amoniac;  alcooldehidrogenaza conţine Zn2+, catalizează oxidarea alcoolilor până la aldehide;  citocromoxidaza conţine Zn2+, catalizează etapa finală a transportului de electroni pe O2 în cadrul procesului de oxidare a fosforilării oxidative;  ADN-polimeraza necesită prezenţa ionilor de Mg2+ în calitate de cofactor, participă la replicarea moleculei de ADN;  glutationperoxidaza conţine Se2–, catalizează reducerea peroxidului de hidrogen până la apă.

44

6. Cromoproteinele au gruparea prostetică reprezentată de o substanţă care le imprimă culoare; sunt prezente atât în organismele vegetale, cât şi animale. Au un rol esenţial în procesele vitale fiind biocatalizatori ai proceselor biochimice importante (fotosinteza şi reacţiile de oxido-reducere). Majoritatea cromoproteinelor posedă în gruparea prostetică un atom de metal. În funcţie de grupa prostetică, cromoproteinele pot fi: porfirinice (cu structură tetrapirolică) şi neporfirinice. După rolul îndeplinit în organism, ambele tipuri se pot împărţi la rândul lor în: cromoproteine cu funcţie respiratorie şi cromoproteine fără funcţie respiratorie. Cromoproteine porfirinice cu rol respirator sunt:  hemoglobina (pigmentul respirator al vertebratelor) prezentă în eritrocite şi care transportă oxigenul din plămâni la ţesuturi şi dioxidul de carbon din ţesuturi la plămâni (fig. 4.12);  citocromii au componente prostetice asemănătoare hemului din hemoglobine, intră în structura unor enzime oxidoreducătoare şi joacă un rol important în procesul de respiraţie tisulară;  mioglobina este pigmentul din muşchi care asigură rezerva de oxigen pentru scurt timp.

Fig. 4.12. Hem B – gruparea prostetică a hemoglobinei [16]

Fig. 4.13. Structura hemoglobinei umane: roşu – lanţurile α; albastru – lanţurile β; verde – hemul [17]

Un exemplu de cromoproteină porfirinică fără rol respirator este cloroglobina localizată în cloroplaste; componenta prostetică este reprezentată de clorofilă, iar componenta proteică de plastină. Clorofilele sunt pigmenţi coloraţi ai frunzelor verzi, cu rol în procesul de fotosinteză; în plantele superioare se găsesc clorofila a şi clorofila b, iar în alge şi bacterii sunt răspândite şi clorofilele c şi d. Din grupa cromoproteinelor neporfirinice fac parte:  flavinenzimele nu conţin un nucleu porfirinic, ci un compus din clasa flavinelor, care îndeplineşte în organism un rol enzimatic;  carotenoproteinele au componenta prostetică formată din compuşi din clasa carotenoidelor; din această clasă fac parte pigmenţii vizuali, cu rol important în procesul vederii. În funcţie de conformaţie (forma macromoleculei) se deosebesc proteine globulare, fibrilare şi membranare. 1. Proteinele globulare (sferoproteine) (fig. 4.13) – au o formă ovală, mai rar sferică, sunt mai mult sau mai puţin solubile în apă unde formează soluţii coloidale. Din această categorie fac parte: albuminele, globulinele, prolaminele, glutelinele, histonele, protaminele. 2. Proteinele fibrilare (scleroproteine) se găsesc preponderent în organismele animale, iar la plante s-au identificat în stratul aleuronic din seminţe, sunt insolubile în apă, soluţii saline, acizi şi baze diluate, solvenţi organici neutri. Proteinele sunt formate din lanţuri polipeptidice răsucite sau pliate aranjate paralel, de-a lungul unei singure axe. Distanţele dintre fibrele proteice sunt mici. Au o mare rezistenţă la acţiunea hidrolizantă a factorilor chimici şi a enzimelor. În organism îndeplinesc un rol de

45

protecţie şi rezistenţă mecanică, nu joacă nici un rol în procesele de nutriţie. Principalele tipuri de scleroproteine sunt următoarele: colagenul (fig. 4.14) formează ţesutul conjunctiv din cartilaje, ligamente, tendoane; keratina formează ţesuturile protectoare din corp (epidermă şi derivaţii epidermici: păr, piele, unghii, lână); elastina prezentă în vasele sangvine sau ligamente; fibroina prezentă în fibrele produse de viermele-de-mătase sau Fig. 4.14. Colagen – proteina fibrilară a ţesutului conjunctiv păianjen este alcătuită predominant din 3 aminoacizi (Gly, Ala, Ser). [13] 3. Proteinele membranare îndeplinesc funcţii structurale, receptoare, realizând transmiterea semnalelor şi transportul transmembranar al substanţelor (cap. 2, fig. 2.6). Proteinele membranare sunt fie înglobate în membrana lipidică (transmembranare), fie asociate suprafeţei acesteia (proteine membranare periferice):  proteinele transmembranare se pot extrage din structura membranelor doar cu detergenţi, rămân asociate permanent cu lipide, sunt insolubile în apă;  proteinele periferice se extrag în soluţii saline, sunt hidrofile, după extracţie nu poartă lipide asociate şi îşi păstrează solubilitatea în apă. 4.4. ORGANIZAREA STRUCTURALĂ A PROTEINELOR Primele rezultate experimentale cu privire la structura spaţială a moleculelor de proteină au fost obţinute în anii 50 ai sec. XX. Biochimistul englez Max Perutz a perfecţionat metoda de analiză Roentgen şi a studiat pentru prima dată nivelurile de organizare structurală a moleculei de hemoglobină [20]. Pentru această realizare ştiinţifică savanţilor Max Perutz şi John Kendrew li s-a decernat premiul Nobel pentru chimie în anul 1962 [23]. Au fost identificate patru niveluri structurale ale moleculelor proteice: primară, secundară, terţiară şi cuaternară. 1. Structura primară a proteinelor reprezintă o secvenţă de aminoacizi într-un lanţ polipeptidic. Numărul, tipul şi succesiunea aminoacizilor legaţi prin legături peptidice în molecula de proteină este specific şi este determinat genetic. În perioada anilor 1944–1954 biochimistul englez Frederick Sanger a elaborat metoda de secvenţiere a proteinelor şi a stabilit pentru prima dată structura primară a insulinei [14]. Aceste realizări au stat la baza elaborării metodelor de obţinere pe cale sintetică a insulinei şi a altor hormoni. Frederick Sanger este unicul savant laureat al premiului Nobel de două ori: în 1958 pentru determinarea structurii primare a insulinei şi în 1980 pentru elaborarea metodei de secvenţiere a acizilor nucleici [23]. Frederick Sanger 2. Structura secundară a proteinelor se formează datorită legăturilor de hidrogen (între hidrogenul grupei –NH– şi oxigenul grupei –C=O), determinând existenţa a două forme principale de molecule (fig. 4.15):

46

 modelul α-helix (spiralat), cel mai răspândit, care presupune răsucirea în formă de spirală a catenei polipeptidice, cu orientarea pasului spiralei predominant spre dreapta; catenele laterale sunt orientate spre exterior. Legăturile de hidrogen se formează intracatenar. Modelul α-helix cu structură spiralată este caracteristic proteinelor globulare (albumine şi globuline din ou, lapte etc.) sau fibrilare (miozina, elastina etc.); Fig. 4.15. Elementele principale ale structurii secundare ale proteinelor [22]  modelul β-structură (foaie pliată) reprezintă o conformaţie stabilizată prin legături de hidrogen (între grupele –NH– şi –C=O) realizate intercatenar, între elementele legăturilor peptidice din lanţuri paralele diferite. Legăturile de hidrogen din structura secundară β pliată sunt aproape perpendiculare pe axa lanţului peptidic (spre deosebire de structura α-helix). Elementele principale ale structurii secundare a proteinelor – α-helix şi β-structură – au fost descoperite de chimistul american Linus Pauling căruia i-a fost decernat premiul Nobel pentru chimie în 1954 [19, 23]. 3. Structura terţiară a proteinelor redă gradul de împachetare a lanţului polipeptidic (cu structuri α-helix sau structuri β-pliate), pentru a forma conformaţii compacte (de proteină globulară), cât mai stabile energetic. Menţinerea structurii terţiare a proteinelor se realizează printr-o serie de legături:  legături de hidrogen între grupările peptidice, precum şi între lanţurile laterale ale resturilor de aminoacizi; au un rol important în stabilizarea modelelor spiralate sau pliate;  legături disulfidice (–S–S–), stabilite între grupele –SH ale aminoacizilor cisteina şi metionina;  legături ionice, realizate între resturile carboxilice ale aminoacizilor dicarboxilici şi resturile aminice ale diaminoacizilor (grupele ionice de sens contrar);  legături realizate prin forţe Van der Waals, interacţiuni slabe de tip dipol-dipol;  interacţiuni hidrofobe realizate între resturile hidrocarbonate ale catenelor laterale ale aminoacizilor (Ala, Val, Leu, Ile, Phe, Trp). Acest nivel de organizare tinde să orienteze, în mediu apos, catenele laterale polare ale proteinelor spre suprafaţă, în timp ce catenele hidrofobe sunt distribuite în interiorul moleculei (menţinute prin forţe Van der Waals).

47

4. Structura cuaternară, specifică numai anumitor proteine, este cel mai înalt nivel de organizare. Această structură se caracterizează prin asamblarea a câteva catene polipeptidice cu structură proprie (primară, secundară, terţiară) într-o singură moleculă proteică. Catenele polipeptidice numite protomeri, formează un ansamblu denumit oligomer. În funcţie de numărul protomerilor, structura cuaternară este formată din: dimeri, trimeri, tetrameri. Structrura cuaternară este determinată de legături de hidrogen, hidrofobe şi ionice. Un exemplu tipic de structură cuaternară este cea a hemoglobinei, un tetramer alcătuit din patru lanţuri polipeptidice – Fig. 4.16. Organizarea structurală a insulinei [2] două lanţuri α şi două lanţuri β, fiecare cu structura sa primară, secundară şi terţiară, unite între ele prin legături diferite (legături de hidrogen, legături prin forţe Van der Waals). Acest tip de organizare structurală este caracteristic şi pentru insulină, alcătuită dintr-un lanţ α şi unul β (fig. 4.16). 4.5. PROPRIETĂŢILE FIZICO-CHIMICE ALE PROTEINELOR Fără cunoaşterea proprietăţilor fizico-chimice ale proteinelor nu este posibilă dirijarea raţională a proceselor tehnologice în multe ramuri ale industriei alimentare. Proprietăţile proteinelor depind de:  numărul şi succesiunea aminoacizilor în lanţul polipeptidic;  organizarea structurală a moleculelor;  proprietăţile radicalilor chimici ai aminoacizilor;  numărul de grupe funcţionale libere, inclusiv aminice şi carboxilice, care nu au fost utilizate la formarea legăturilor peptidice. 1. În ceea ce priveşte relaţia proteinelor cu apa, există mari diferenţe, comparativ cu alte clase de compuşi (glucide, lipide). Astfel, se pot distinge proteine uşor solubile în apă (albumine, globuline) care posedă pe suprafaţa moleculei grupe hidrofile libere (–OH, –NH2, –COOH etc.). Solubulitatea proteinelor în apă depinde atât de tipul proteinei, cât şi de pH mediului. În mediu acid se dizolvă mai bine proteinele cu proprietăţi acide (prolamine, gluteline), iar în mediu bazic se dizolvă mai bine proteinele bazice (protamine, histone). Proteinele fibrilare şi transmembranare sunt insolubile în apă. 2. La dizolvarea în apă şi soluţii hidrosaline proteinele formează soluţii coloidale care leagă activ apa. Aceste soluţii posedă o viscozitate înaltă şi o presiune osmotică redusă. Mărimea particulelor coloidale variază de la 1 ̶ 0,1 μm. Moleculele de proteină sunt incapabile de a pătrunde prin membranele artificiale semipermeabile (celofan, pergament), precum şi prin biomembranele animale şi vegetale. 3. Proteinele posedă capacitate de umflare. Procesele de umflare a proteinelor au un rol important în industria alimentară: umflarea boabelor la înmuiere, condiţionare şi germinare, umflarea proteinelor făinii la prepararea aluatului etc. 4. Proteinele sunt substanţe amfotere, le sunt caracteristice toate proprietăţile acizilor şi bazelor, datorită prezenţei grupelor libere –NH2 şi –СООН. 5. Proteinele posedă activitate optică, sunt substanţe capabile de a roti unghiul de polarizare a luminii care trece prin ele, deoarece sunt alcătuite din aminoacizi care sunt izomeri optici – enantiomeri. 48

6. Toate proteinele, de regulă, absorb lumina ultravioletă. Pe această proprietate se bazează metoda spectrofotometrică de determinare cantitativă a proteinelor (după intensitatea absorbţiei la 280 nm). Această proprietate a proteinelor este determinată de prezenţa în componenţa proteinelor a aminoacizilor aromatici – Trp, Tyr, Phe. O unitate de densitate optică la 280 nm corespunde unei concentraţii de proteină egală cu 1mg/ml (la o grosime a cuvei de 1 cm). 7. Soluţiile de proteină au însuşirea de a emite lumină, un timp foarte scurt, atunci când sunt iradiate cu radiaţii de o anumită lungime de undă. Substanţele fluorescente din componenţa proteinei sunt aminoacizii aromatici Trp, Tyr, Phe. La meduza Aequorea victoria a fost descoperită şi izolată proteina fluorescentă verde – GFP (engl. GFP – green fluorescent protein), care emite lumină în diapazonul verde la iradierea cu lumină albastră [6]. Pentru această realizare savanţilor Osamu Shimomura, Martin Chalfie, Roger Osamu Shimomura Martin Chalfie Roger Tsien Tsien li s-a decernat premiul Nobel pentru chimie în 2008 [23]. În prezent gena proteinei GFP este utilizată pe larg în biologia moleculară şi celulară. Au fost obţinute animale transgenice fluorescente, spre exemplu şoareci şi porci, la care gena GFP se transmite stabil prin ereditate. Specialiştii din biologia moleculară au creat vectori virali cu gena GFP folosiţi la transferul genelor transgenice de interes în genomul animalului gazdă şi studierea expresiei in vivo a proteinei transgenice. Pe lângă aceasta, proteina GFP poate fi folosită, în calitate de marker fenotipic, la studierea modului de dezvoltare a celulelor embrionare stem transplantate [24].

Fig. 4.17. A. Meduze fluorescente Aequorea victoria, GFP [15]

Fig. 4.17. B. Porci fluorescenţi, GFP [15]

Fig. 4.17. C. Maimuţa macaque, GFP [15]

rhesus

8. O proprietate constantă a moleculelor de proteină este punctul izoelectric – pI. În soluţiile apoase proteinele au proprietăţi slab acide sau slab bazice, în funcţie de conţinutul predominant de aminoacizi acizi (cu radicali chimici cu sarcină negativă) sau aminoacizi bazici (cu radicali cu sarcină pozitivă). Prezenţa sarcinii pe suprafaţa moleculei stabilizează proteina în soluţie. Modificând concentraţia ionilor de hidrogen în mediu (adăugând acid sau bază) se poate realiza un echilibru între sarcinile pozitive şi negative pe suprafaţa moleculei proteice şi atinge o stare izoelectrică. Concentraţia ionilor de hidrogen (pH) la care molecula de proteina nu posedă sarcină electrică şi se află în stare izoelectrică se numeşte punct izoelectric. La un pH apropiat de punctul izoelectric, solubilitatea, capacitatea de umflare şi viscozitatea proteinelor este minimă, moleculele de proteină se alipesc şi precipită. Punctul izoelectric al majorităţii proteinelor de origine animală variază în diapazonul 5,5 – 7,0, fapt care denotă predominarea în moleculele de proteină a aminoacizilor acizi. În acelaşi timp în natură se întâlnesc proteine la care punctele izoelectrice ating valori extreme: la pepsină (enzima sucului gastric) pI = 1, iar la salmină (proteina lapţilor la somon) pI = 12.

49

9. Proteinele sunt compuşi macromoleculari. Masa moleculară a diferitor proteine variază într-un diapazon larg – de la 6.000 până la câteva milioane de daltoni (1 dalton = 1,67×10-24g ̶ masa unui atom de carbon) [8]. Metodele fizico-chimice principale de determinare a masei moleculare a substanţelor sunt ultracentrifugarea şi electroforeza în gel. Metoda de ultracentrifugare utilizată la separarea particulelor coloidale din soluţii a fost elaborată de chimistul suedez Theodor Svedberg. Pentru realizările sale ştiinţifice lui T. Svedberg i s-a acordat premiul Nobel pentru chimie în 1926 [23]. Masa moleculară a compuşilor chimici este calculată după viteza de sedimentare a moleculelor. Unitatea de măsură a raportului vitezei de sedimentare la mişcarea centrifugă a fost numită Svedberg în cinstea savantului. 10. Proteinele posedă o mobilitate în câmp electric. După realizarea metodei de disc-electroforeză în prezenţa detergentului dodecilsulfat de sodiu (SDS) se desenează un grafic al raportului dintre masa moleculară a proteinelor de calibrare şi mobilitatea electroforetică a componentelor proteice în gel de poliacrilamidă (fig. 4.18). În funcţie de mobilitatea electroforetică după grafic se determină masa moleculară a proteinei analizate. Prin urmare, Fig. 4.18. Metoda de SDS- electroforeza este o metodă de separare a macromoleculelor în gel electroforeză [2] sub acţiunea curentului electric. 11. Factori fizici (t°, presiunea, radiaţia ultravioletă) sau chimici (acizi, baze, solvenţi organici, ioni ai metalelor grele) pot modifica structura proteinelor. Fenomenul de distrugere a organizării structu rale a moleculei proteice se numeşte denaturare (fig. 4.19). Procesul de denaturare este ireversibil dacă se distruge structura primară a proteinelor. Denaturarea proteinelor este însoţită de pierderea activităţii biologice şi modificarea proprietăţilor fizico-chimice ale proteinelor − micşorarea solubilităţii, mărirea viscozităţii, schimbarea formei şi a mărimii moleculelor etc. În procesele tehnologice din Fig. 4.19. Denaturarea ireversibilă industria alimentară cel mai des se întâlneşte denaturarea termică a proteinelor, de exemplu la uscarea pastelor făinoase, laptelui, a ovalbuminei la încălzire legumelor, coacerea pâinii, fabricarea conservelor etc. Procesul de denaturare este reversibil atunci când structura primară a proteinelor rămâne neschimbată. Dacă are loc restabilirea condiţiilor normale ale mediului, are loc refacerea completă a organizării structurale a proteinelor, proces care se numeşte renaturare. Această proprietate a proteinelor de a-şi restabili structura se foloseşte la prepararea unor preparate farmaceutice, precum antibiotice, vaccinuri, seruri, enzime, la obţinerea concentratelor alimentare care îşi păstrează în stare uscată un timp îndelungat proprietăţile nutritive. Unele forme de proteine sunt rezistente la denaturare. Astfel de proteine sunt agenţi infecţioşi lipsiţi de orice tip de acid nucleic şi poartă denumirea de prioni. Termenul îşi trage originea de la cuvintele englezeşti protein şi infection şi a fost propus de medicul american Stanley Prusiner. Pentru descoperirea prionilor şi studierea mecanismelor lor de acţiune savantului i s-a decernat premiul Nobel pentru fiziologie şi medicină în 1997 [23]. Prionii rezistă la acţiunea multor factori fizico-chimici, precum: formol 10% (timp de 28 de luni), caldură (rezistă la fierbere timp de 3 ore), factori inhibitori ai acizilor nucleici, precum şi la acţiunea radiaţiilor UV (activitate infecţioasă 100%) [1]. Prionii sunt proteine cu o structură terţiară anormală, capabile să catalizeze conversiunea unei proteine normale, sintetizată în mod natural în creierul tuturor mamiferelor (PrPc), într-una mutantă, 50

anormală (PrPSc). De regulă, la trecerea proteinei normale în stare prionică elementele α-helixurilor se transformă în straturi β-pliate (fig. 4.20). Prionii cauzează un grup de maladii neurodegenerative atât la om, cât şi la animale (fig. 4.16). La om, cele mai cunoscute sunt – maladia Creutzfeld-Jacob (CJD), sindromul Gerstmann-Straussler-Scheinker (GSS), insomnia fatală familială (FFI), maladia Kuru şi sindromul Alpers (întâlnit numai la copii), iar la animale – scrapie (la oi şi capre), Fig. 4.20. A. Proteină Fig. 4.20. B. Prion – PrP-Sc encefalopatia spongiformă bovină (BSE) sau boala vacilor nebune, encefalopatia [21] normală – PrPc spongiformă a felinelor, etc. În funcţie de factorul care induce conversiunea PrPc în PrPSc, natura acestor afecţiuni poate fi genetică (în cazul unei mutaţii a genei pentru PrP), infecţioasă (ca urmare a consumului alimentelor contaminate, a folosirii unor instrumente chirurgicale nesterile, injectării unor hormoni derivaţi din hipofiza prelevată de la cadavre), Fig. 4.21. A. Preparat Fig. 4.21. B. Vacuole cu aspect sau sporadică (datorată unor citologic dintr-un ţesut spongiform dintr-un ţesut afectat de prioni [21] mutaţii spontane ale genei PrP, care sănătos [21] intensifică rata transformării proteinei prionice, cât şi unor factori necunoscuţi). 4.6. FUNCŢIILE PROTEINELOR ÎN CELULĂ Proteinele se pot clasifica în dependenţă de funcţiile biologice pe care le îndeplinesc în celulă. 1. Proteinele structurale intră în componenţa membranelor celulare şi a organitelor citoplasmatice, formează ţesuturile epidermice şi conjunctive: α-keratina este prezentă în piele, pene, unghii, copite; fibroina – în gogoşile viermilor de mătase; colagenul formează ţesutul conjunctiv fibros (tegumente, oase, cartilaje); elastina formează ţesutul conjunctiv elastic (ligamente, vase sangvine); mucoproteinele formează secreţii mucoase etc. 2. Enzimele catalizează reacţiile chimice care se desfăşoară în celulă: hexokinaza fosforilează glucoza; chimozina este enzima proteolitică din stomacul animalelor tinere; pepsina este enzimă proteolitică din sucul gastric. 3. Proteinele reglatoare reglează metabolismul celular: insulina reglează metabolismul glucozei; hormonul uman de creştere (HGH) reglează creşterea şi dezvoltarea organismului; proteinkinazele sunt proteine receptoare transmembranare care transmit semnale din exterior în interiorul celulei; proteine cu masă moleculară mică de tipul kinazelor sunt transductori intracelulari de semnale; factorii proteici de transcripţie (TFIIA, TFIIB, TFIID etc.) şi translaţie (IF, EF, RF etc.) reglează biosinteza proteinelor. 4. Proteinele de rezervă reprezintă substraturi de nutriţie, asigură creşterea organismelor: ovalbumina este proteina din albuşul de ou; cazeina – proteina din lapte; feritina – depozitează fierul în splină; gliadina – proteina din seminţele de grâu; zeina – proteina din seminţele de porumb. 5. Proteinele de transport asigură transportul ionilor, gazelor şi al substanţelor chimice în organism: hemoglobina transportă O2 şi CO2 în sângele vertebratelor; mioglobina – O2 în ţesutul muscular; albumina serică – acizii graşi în sânge; ceruplasmina – ionii de Cu2+ în sânge; transferina ̶ 51

ionii de Fe3+ în sânge. Proteinele de transport sunt localizate şi în membranele celulare, asigurând transportul substanţelor din mediu în celulă şi în direcţie inversă. 6. Proteinele contractile participă la toate tipurile de mişcare: separarea cromozomilor în cadrul diviziunilor celulare, mişcarea frunzelor; contracţia muşchilor la animalele multicelulare – miozina şi actina. 7. Proteinele protectoare (anticorpi sau imunoglobuline – Ig) sunt molecule ale sistemului imunitar produse de celule ale plasmei sangvine (celule B). Anticorpii identifică şi neutralizează proteine străine, agenţi patogeni. Proteinele protectoare (fibrinogenul şi trombina) participă la procesul de coagulare a sângelui. 8. Proteinele toxice exercită o acţiune negativă asupra celulelor: ricina este o toxină vegetală din seminţele de ricin (Ricinus communis) şi are proprietatea de a aglutina globulele sângelui; faloidina este o proteină toxică din ciuperca Amanita phalloides care se leagă specific de microfilamentele de actină. Faloidina marcată cu un colorant flurescent este folosită pentru colorarea microfilamentelor de actină din celulele vii pentru studierea lor ulterioară la microscop [26]. TESTE DE EVALUARE 1. Completaţi spaţiile libere din text. 1.1. Aminoacizii sunt compuşi care conţin în molecula lor......................................................................... 1.2. Legătura peptidică se formează între grupările.................................................................................... 1.3. Proteine globulare sunt substanţe solubile.......................................................................................... 1.4. Proteinele fibrilare sunt caracteristice pentru...................................................................................... 1.5. Proteinele complexe se clasifică în funcţie de.................................................................................... 2. Alegeţi răspunsul corect din două variante alternative: Da / Nu. 2.1. Aminoacidul alanina are un inel benzenic. 2.2. Glicina este un aminoacid optic activ. 2.3. Gliadina este o proteină de rezervă a bobului de grâu. 2.4. Fenomenul de distrugere a structurii proteinelor se numeşte denaturare. 2.5. Prionii sunt agenţi patogeni care provoacă boli gastrointestinale. 3. Alegeţi varianta sau variantele de răspuns corecte. 3.1. Numărul de aminoacizi proteinogeni standard: а) 4; b) 20; c) 64; d) 100; e) 220. 3.2. Aminoacizii cu sulf: a) leucină; b) treonină; c) metionină; d) glicină; e) cisteină; f) acid glutamic. 3.3. Proteinele de rezervă: a) albumină; b) cazeină; c) miozină; d) insulină; e) ricină; f) prolamină; g) ovalbumină. 3.4. Proteinele fibrilare: a) cheratină; b) histone; c) gluteline; d) colagen; e) elastină; f) prolamine; g) albumine. 3.5. Funcţiile proteinelor în celulă: a) catalitice; b) stocare a informaţiei genetice; c) structurale; d) energetice; e) transport; f) protecţie.

52

4. Asociaţi. Funcţiile proteinelor 1. Hemoglobină 2. Insulină 3. Cheratină 4. Anticorp 5. Lactază

A. Catalitice B. Structurale C. Reglatoare D. Transport E. Protecţie

5. Selectaţi termenul care nu se încadrează în grupul tematic prezentat şi explicaţi de ce l-aţi separat. 5.1. Fenilalanină; arginină; triptofan; tirozină. 5.2. Cheratină; actină; miozină; amilază; colagen; elastină. 5.3. Albumine; globuline; cazeine; prolamine; gluteline. 6. Completaţi tabelul. Proteine / Acizi nucleici Asemănări 1. 2. 3. 4.

Deosebiri 1. 2. 3. 4.

7. Scrieţi un referat la tema. 7.1. Clasificarea aminoacizilor şi a proteinelor. 7.2. Proprietăţile chimice ale aminoacizilor. 7.3. Organizarea structurală a moleculelor de proteină 7.4. Valoarea nutritivă a proteinelor. 7.5. Proprietăţile fizico-chimice ale aminoacizilor şi proteinelor. 7.6. Funcţiile proteinelor în celulă.

GLOSAR Glutationperoxidaze – familie de enzime care protejează organismul de stresul oxidativ, catalizează reacţiile de reducere a peroxizilor lipidelor în alcooli şi a peroxidului de hidrogen până la apă. Peptida-C – (engl. connecting peptide) – moleculă biologic activă care se formează la degradarea proinsulinei de către enzime peptidaze. Racemic – substanţă chimică organică care este optic inactivă. Serotonină – amină biogenă, neurotransmiţător, intervine în procese mintale şi afective, în funcţii motorii, hormonale, în termoreglare, în reglarea presiunii arteriale.

53

BIBLIOGRAFIE 1. Apostol, P., Raicu, F., G Bordeianu, G., Moanţă, I., Cimponeriu, D., Popa, L. Etiologia maladiilor prionice. http://ebooks.unibuc.ro/biologie/ProgreseVolumul2/, 2003. 2. Koolman, J., Roehm, K. Color Atlas of Biochemistry. Second edition, revised and enlarged, Stuttgart, New-York, 2005.-476 p. 3. Neamţu, G., Cîmpeanu, G., Socaciu, C. Biochimie vegetală: (partea structurală). – Bucureşti: Editura didactică şi pedagogică, 1993.-347 p. 4. Nelson, D., Cox, M. Lehninger Principles of Biochemistry. Publisher: W. Freeman; 4th edition, 2004.- 1110 p. 5. Oprică, L. Biochimia produselor alimentare. – Iaşi: Tehnopresss, 2011.-384 p. 6. Shimomura, O. The discovery of aequorin and green fluorescent protein. Journal of Microscopy 217, 3–15, 2005. 7. Vrabie T., Musteaţă G. Biochimie. − Chişinău: U.T.M., 2006.- 234 p. 8. Григорча, П., Глижин, А. Технологическая биохимия. Лабораторные работы. – Кишинев, CEP USM, 2004.-247 с. 9. Титова, Н., Савченко, А., Замай, Т. Боровкова, Г., Субботина, Т., Инжеваткин, Е. Биохимия и молекулярная биология: конспект лекций – Россия, Красноярск, 2008. 10. http: Aequorea_victoria //en.wikipedia.org/wiki/Aequorea_victoria 11. http: Aminoacids //en.wikipedia.org/wiki/Aminoacids 12. http: Chromosome //www.genome.gov/Glossary/resources/chromosome_lg_adv.jpg 13. http: Collagens & Elastins // www.mun.ca / biology / desmid / brian / BIOL2060 / BIOL2060-17/ CB17.html 14. http: Frederick Sanger //en.wikipedia.org/wiki/Frederick_Sanger 15. http: Glowing Animals: Beasts Shining for Science // news.nationalgeographic.com / news / 2009 / 05 / photogalleries /glowing-animal-pictures 16. http: Heme //en.wikipedia.org/wiki/Heme 17. http: Hemoglobin //en.wikipedia.org/wiki/Hemoglobin 18. http: Insulin //en.wikipedia.org/wiki/Insulin 19. http: Linus Pauling //en.wikipedia.org/wiki/Linus_pauling 20. http: Max Perutz //en.wikipedia.org/wiki/Max_Perutz 21. http: Prions //www.sussex.ac.uk/Users/ctf20/dphil_2005/Thesis/Chapter1/prions.htm 22. http: Secondary Structure of Proteins // biology-pictures.blogspot.com / 2013 / 06/secondarystructure-of-proteins.html 23. http: The Nobel Prizes // www.nobelprize.org / nobel_prizes/ 24. http: Зелёные светящиеся поросята // ru.wikipedia.org / wiki / Зелёные_светящиеся_поросята 25. http: Пептиды //ru.wikipedia.org/wiki/Пептиды 26. http: Фаллоидин //ru.wikipedia.org/wiki/Фаллоидин

54

CAPITOLUL 5. ENZIMELE 5.1. Aspecte generale 5.2. Constituienţii şi organizarea structurală a enzimelor 5.3. Specificitatea enzimelor 5.4. Mecanismul şi cinetica reacţiilor enzimatice 5.5. Mecanismele de reglare a activităţii enzimatice 5.6. Nomenclatura şi clasificarea enzimelor 5.1. ASPECTE GENERALE Enzimele sunt substanţe organice complexe, prezente în toate celulele ţesuturilor şi organelor, care accelerează viteza reacţiilor chimice. În 1833 chimistul francez Anselme Payen a descoperit prima enzimă – amilaza, care catalizează descompunerea amidonului în maltoză [11]. Câteva decenii mai târziu, Louis Pasteur a studiat procesul de degradare a zahărului în alcool şi a tras concluzia că fermentaţia este indusă de o forţă vitală din interiorul drojdiei, pe care a numit-o ferment. El a postulat că aceşti fermenţi sunt inseparabili de celula vie de drojdie. În biologie acest curent ştiinţific a primit denumirea de vitalism [2]. Apoi, în 1897 chimistul german Eduard Buchner a descoperit că extractele din drojdii pot fermenta zahăr până la alcool. Astfel, s-a demonstrat că fermentaţia este indusă de molecule, care sunt funcţionale după izolarea acestora din drojdii şi că prezenţa drojdiilor vii nu este un factor obligatoriu pentru realizarea fermentaţiei [2]. Moleculele izolate din drojdii au fost denumite în 1877 de către fiziologul german Wilhelm Kuhne enzime (din greacă en – în, zyme-zima − levură). Izolarea enzimelor din drojdii şi studierea proprietăţilor lor a constituit un prim pas în apariţia biochimiei tehnice, iar în 1907 lui Eduard Buchner pentru lucrările sale în domeniul fermentaţiei i s-a decernat premiul Nobel pentru chimie. În prezent sunt cunoscute cca 3 700 de enzime [6]. Biocatalizatorii se caracterizează printr-o serie de proprietăţi generale. 1. Enzimele, de regulă, sunt proteine cu structură terţiară care se sintetizează pe ribozomi în conformitate cu codul genetic. Unele enzime reprezintă molecule de ARN (ribozime). Spre exemplu, ARNr 23S din subunitatea mare a ribozomului, prezent în toate celulele vii, acţionează în calitate de ribozimă – peptidiltransferaza ARNr 23S [19], catalizând formarea legăturii peptidice între aminoacizi. 2. Intervin doar în reacţiile care sunt posibile din punct de vedere termodinamic. 3. Nu se consumă şi nu se transformă în reacţiile catalizate. 4. Posedă o specificitate care se manifestă la nivel de substrat şi tip de reacţie. 5. Au un randament de ≈ 100%, participă doar la cataliză şi nu formează produse secundare. 6. Activitatea enzimelor este controlată atât la nivel genetic, cât şi de anumiţi factori externi – substrat, produsele reacţiilor, factori proteici, t°, pH, condiţii de oxido-reducere. 7. Sunt capabile să catalizeze reacţii în cantităţi extrem de mici; astfel, o moleculă de catalază descompune 44 000 molecule de H2O2 timp de 1 s [24] 8. Viteza reacţiei catalizate este direct proporţională cu cantitatea de enzimă. Enzimele, precum şi proteinele, posedă un şir de proprietăţi caracteristice pentru compuşii macromoleculari: sunt substanţe amfotere, posedă mobilitate electroforetică, nu pătrund prin membrane semipermeabile, masa lor moleculară variază într-un diapazon de zeci de mii – câteva mln. daltoni (D), au structură primară, secundară, terţiară şi cuaternară. Activitatea enzimatică se exprimă cantitativ folosind următoarele unităţi de măsură [5]:  unitatea enzimatică (U) reprezintă cantitatea de enzimă care catalizează transformarea unui micromol (1M = 10-6 mol) de substrat în timp de 1 minut, la 25°C, în condiţii optime de pH şi de concentraţie de substrat;  katalul (Kat) reprezintă cantitatea de enzimă care catalizează transformarea substratului cu viteza 1mol (M) /s; 55

 activitatea specifică reprezintă numărul de Kat care corespunde cu 1 g de proteină a preparatului enzimatic;  activitatea enzimatică molară reprezintă numărul de molecule de substrat transformate de către o moleculă de enzimă timp de 1 min (Kat/mol). 5.2. CONSTITUIENŢII ŞI ORGANIZAREA STRUCTURALĂ A ENZIMELOR În funcţie de structura lor enzimele se clasifică în 2 clase: enzime simple (monocomponente) şi enzime complexe (bicomponente). Enzimele simple sunt alcătuite doar din resturi de aminoacizi. Enzimele complexe sunt constituite dintr-o parte proteică (apoenzimă) şi o parte neproteică (cofactor). Complexul apoenzimă ̶ cofactor este denumit holoenzimă şi este activ din punct de vedere catalitic. Prin îndepărtarea cofactorului rămâne componenta proteică inactivă în formă liberă. Apoenzima fiind de natură proteică, manifestă proprietăţile generale ale proteinelor:  este termolabilă;  stabileşte legătura enzimei cu substratul;  manifestă grade diferite de afinitate pentru cofactor;  îşi poate modifica conformaţia. După natura chimică şi modul lor de legare la apoenzimă, cofactorii se clasifică în: coenzime, grupări prostetice, ioni metalici. Coenzimele sunt compuşi organici – majoritatea derivaţi de la vitamine care se ataşează temporar la apoenzimă prin legături necovalente şi care sunt uşor disociabili de aceasta. Ele pot trece uşor de la o apoenzimă la alta, pot participa la transformarea altor molecule de substrat după terminarea unei anumite reacţii. Dintre acestea fac parte derivaţi ai nucleotidelor – NAD+, NADP+, ATP, CTP. Grupările prostetice sunt substanţe organice fixate pe apoenzimă şi care disociază greu de aceasta deoarece sunt asociate prin legături covalente. Dintre aceste grupări se pot menţiona derivaţi ai vitaminelor – FAD, FMN, TPP, piridoxalfosfatul, hemul. Gruparea prostetică participă la transportul de electroni, de grupări -NH2, acetil etc. De exemplu, hemul cu ionul Fe2+, este o componentă a citocromilor legată strâns prin legături covalente de apoenzimă. Ionii metalici sunt indispensabili pentru exercitarea funcţiei catalitice a unor enzime, participând în calitate de cofactori sau de componente structurale ale acestora. Aceste enzime se numesc şi metalenzime iar printre ionii care îndeplinesc rol de cofactor se pot menţiona [2]: Cu2+ – polifenoloxidaza, citocromoxidaza; Fe2+ sau Fe3+ – citocrom oxidaza, catalaza, peroxidaza; K+– piruvatkinaza; Mg2+– piruvatcarboxilaza, hexokinaza, glucozo-6-fosfataza; Mn2+– arginaza, ribonucleotid reductaza; Mo2+ – dinitrogenaza; Ni2+– ureaza; Se – glutationperoxidaza; Zn2+– alcooldehidrogenaza, carboxipeptidaza A şi B. Cofactorii se caracterizează printr-un şir de proprietăţi:  participă la cataliză;  asigură contactul între enzimă şi substrat;  stabilizează apoenzima;  n-au specificitate la nivel de substrat;  determină tipul şi viteza reacţiei catalizate;  au o masă moleculară relativ mică şi sunt termostabili. În interacţiunea dintre enzimă şi substratul său, enzima participă cu o porţiune limitată din structura sa. Regiunea enzimei care realizează nemijlocit cataliza se numeşte centru activ (catalitic). La enzimele monocomponente centrul activ reprezintă totalitatea radicalilor unor anumiţi aminoacizi. La enzimele bicomponente centrul activ este alcătuit din două subunităţi [6]: de contact – este responsabilă de recunoaşterea şi legarea substratului în centrul activ al enzimei; catalitică – realizează nemijlocit cataliza reacţiei.

56

Centrul activ se află în partea internă hidrofobă a moleculei proteice. În componenţa centrului activ al enzimei complexe intră şi cofactorul. Substanţa transformată în cadrul reacţiei poartă denumirea de substrat. Molecula substratului interacţionează cu centrul activ al enzimei şi formează cu acesta un produs intermediar, instabil, care se descompune, formând produse finale ale reacţiei. Structura enzimei corespunde cu substratul conform modelului cheie-lacăt (fig. 5.1).

Fig. 5.1. Schema generală a modului de acţiune a enzimei [11]

O serie de enzime conţin în molecula lor pe lângă centrul activ şi un centru alosteric (fig. 5.2), care interacţionează cu proteine reglatoare specifice – efectori. Efectorii se fixează în centrul alosteric, modifică structura terţiară a enzimei, conformaţia centrului activ şi respectiv activitatea enzimatică. În funcţie de organizarea lor structurală, enzimele se încadrează în următoarele grupe principale: enzime monomere, enzime oligomere, izoenzime. Enzimele monomere au o structură constituită dintr-un singur lanţ polipeptidic în care este inclus situl catalitic. Sunt într-un număr restrâns, nu pot fi disociate în subunităţi şi posedă Fig. 5.2. Structura enzimei alosterice mase moleculare relativ mici (13 000 – 35 000). [11]

Enzimele oligomere sunt agregate moleculare constituite din două sau mai multe subunităţi (protomeri) asociate într-o structură compactă cu proprietăţi catalitice. Au mase moleculare mari, cuprinse între 35 000 şi câteva sute de mii. Marea majoritate a enzimelor sunt enzime oligomere. Izoenzimele reprezintă forme moleculare multiple ale unei enzime care catalizează aceeaşi reacţie, au originea în aceeaşi celulă, ţesut sau lichid biologic, dar diferă ca structură (configuraţie spaţială) şi proprietăţi fizico-chimice (pH optim de acţiune, cinetică de reacţie, mobilitate electroforetică). Izoenzimele apar datorită diferenţelor la nivelul structurilor cuaternare, respectiv combinărilor variate ale unor subunităţi structurale de natură polipeptidică. De exemplu, enzima lactatdehidrogenaza din muşchi este un tetramer care are două lanţuri polipeptidice, notate H şi două notate M. Dat fiind faptul că asocierea lanţurilor este diferită, lactatdehidrogenaza are 5 forme izomere: HHHH; HHHM; HHMM; HMMM; MMMM [8]. 5.3. SPECIFICITATEA ENZIMELOR Prin specificitatea unei enzime se înţelege proprietatea sa de a acţiona preferenţial doar asupra unui anumit substrat sau unui grup de substraturi cu caractere chimice comune. Specificitatea enzimatică se poate manifesta la nivelul tipului de reacţie catalizată şi la nivelul substratului. Specificitatea de reacţie (de acţiune) se manifestă asupra unui singur substrat de către mai multe enzime, fiecare catalizând o anumită reacţie. Astfel, un α-aminoacid poate fi substratul de reacţie pentru mai multe enzime care catalizează reacţii specifice, spre exemplu, de transformare a acestuia în 57

produse de reacţie diferite (fig. 5.3). Fiecare enzimă manifestă o anumită specificitate de acţiune, catalizând un anumit tip de reacţie biochimică. Specificitatea de substrat se referă la activitatea enzimelor faţă de anumite substraturi.

Fig. 5.3. Acţiunea diferitor enzime asupra aceluiaşi substrat [8]

Fig. 5.4. Reacţia de hidroliză a argininei [8]

1. Specificitate absolută. Unele enzime nu acţionează decât asupra unui singur substrat fiind inactive faţă de alte substanţe cu structură asemănătoare. De exemplu, enzima arginaza hidrolizează doar aminoacidul arginina (fig. 5.4). 2. Specificitate de grup. Enzimele care posedă o specificitate de grup acţionează asupra unui şir de substanţe apropiate ca structură chimică. Astfel, pepsina hidrolizează toate tipurile de proteine; amilaza degradează amidonul, dextrinele, glicogenul; hexokinaza catalizează fosforilarea unui şir de hexoze în prezenţă de ATP. 3. Stereospecificitate. Unele enzime au stereospecificitate faţă de izomeria cistrans. Astfel, enzima fumaraza acţionează asupra acidului fumaric (izomer trans ̶ fig. 5.5), şi nu acţionează asupra acidului maleic (izomerul cis). În cazul substanţelor Fig. 5.5. Reacţie catalizată de enzima fumaraza [8] optic active, enzimele manifestă o acţiune specifi că faţă de o anumită formă stereoizomeră a substratului. De exemplu, L-aminoacid-oxidazele nu recunosc decât L-aminoacizii, iar pentru transformarea D-aminoacizilor este necesară prezenţa Daminoacid-oxidazelor. Unele enzime fac distincţie între conformaţiile α şi β din legăturile glicozidice. Maltaza, de exemplu, hidrolizează numai legătura (1→4) α-glicozidică din molecula de maltoză, şi nu acţionează asupra legăturii (1→4) β-glicozidice din celobioză. 5.4. MECANISMUL ŞI CINETICA REACŢIILOR ENZIMATICE În general, pentru ca o reacţie să se realizeze cu o viteză optimă, moleculele reactanţilor trebuie să fie activate. Enzima are capacitatea de a coborî nivelul energetic necesar ca o reacţie să poată avea loc. Această scădere a energiei de activare se datorează formării unui complex activat între enzimă şi substrat (ES) care apoi se transformă cu viteză mare în produse finale de reacţie şi enzimă, ultima fiind capabilă să se combine cu o altă moleculă de substrat. La formarea complexului activat, substratul se fixează pe centrul catalitic al enzimei. Între centrul catalitic şi molecula substratului există complementarităţi conformaţionale şi chimice (ipoteza lacăt-cheie) care permit asamblarea lor (fig. 5.1). Aşadar, rolul complexului enzimă-substrat în procesele de cataliză enzimatică este de a micşora energia de activare a reacţiei. În prezenţa enzimei însă, prin formarea complexului enzimă-substrat este

58

nevoie de o energie de activare mult mai mică (E2) pentru transformarea substratului. Energia eliberată în ambele reacţii este însă aceeaşi ̶ ΔE (fig. 5.6).

Fig. 5.6. Nivelurile de energie ale moleculelor în cursul unei reacţii fără enzimă (E1) şi cu enzimă (E2) [11]

Cinetica reacţiilor enzimatice este un compartiment al chimiei fizice care studiază legităţile desfăşurării reacţiilor în timp, influenţa factorilor externi asupra vitezei reacţiilor şi mecanismele transformărilor chimice. Cinetica chimică este influenţată de o serie de factori: concentraţia enzimei, concentraţia substratului, temperatură, pH, efectori enzimatici. 1. Concentraţia enzimei. În condiţiile în care concentraţia substratului este constantă, viteza de reacţie (V) este direct proporţională cu concentraţia enzimei (fig. 5.7). 2. Concentraţia substratului. Dacă cantitatea de enzimă se menţine constantă, iar concentraţia substratului se măreşte, atunci are loc o creştere a vitezei de reacţie până la o limită (Vmax). Odată cu creşterea în continuare a concentraţiei substratului viteza de reacţie rămâne constantă, ceea ce denotă că la concentraţii mari de substrat, toate siturile catalitice ale moleculelor de enzimă sunt Fig. 5.7. Influenţa concentraţiei complet saturate cu substrat şi nu mai există enzimă funcţională. enzimei asupra vitezei de reacţie [4] Dependenţa vitezei unei reacţii enzimatice de concentraţia substratului a fost studiată iniţial de savanţii Leonor Michaelis şi Maud Menten pornindu-se de la ecuaţia generală: E + S ↔ ES → E + P Aplicând legea maselor şi făcând unele transformări se ajunge la ecuaţia lui Michaelis-Menten, care se prezintă grafic printr-o hiperbolă. V S  v = max K m  S  în care: v – este viteza reacţiei la timpul t; Vmax – viteza maximă de reacţie corespunzătoare saturării enzimei cu substrat; [S] – concentraţia substratului; Km – constanta Michaelis (moli/l)

59

Această ecuaţie reprezintă expresia matematică care defineşte relaţia cantitativă dintre viteza de reacţie enzimatică şi concentraţia substratului (fig. 5.8). Valoarea vitezei de reacţie (v) este egală cu jumătate din valoarea vitezei maxime de reacţie (v = Vmax/2) şi corespunde cu concentraţia substratului (constanta Michaelis ̶ Km). Parametrul respectiv (Km) reprezintă concentraţia de substrat pentru care viteza de reacţie corespunde la jumătate din viteza maximă de reacţie. Aşadar, pentru v = Vmax/2, Km = [S]. Constanta Michaelis (Km) reprezintă un indicator al afinităţii enzimei pentru substrat; cu cât Km are o valoare mai mare, cu atât afinitatea enzimei pentru substrat este mai scăzută şi invers. Astfel, Km constituie un parametru cinetic operaţional care reflectă acţiunea enzimei în raport cu substratul.

Fig. 5.8. Influenţa concentraţiei substratului asupra vitezei de reacţie [4]

Fig. 5.9. Influenţa temperaturii asupra vitezei de reacţie [4]

3. Influenţa temperaturii. Viteza de reacţie creşte cu mărirea temperaturii în anumite limite. Dacă se reprezintă grafic variaţia vitezei de reacţie în funcţie de temperatură se obţine o curbă (fig. 5.9) din care se observă că la început viteza reacţiei creşte până la o anumită valoare (temperatură optimă). Pentru cele mai multe enzime temperatura optimă este de 30 ̶ 40°C. Dacă temperatura optimă creşte, se înregistrează o diminuare progresivă a vitezei de reacţie până la o anumită valoare (temperatură de inactivare). Majoritatea enzimelor se inactivează la temperatura de 70°C. 4. Influenţa pH-ului. Toate reacţiile enzimatice sunt puternic influenţate de pH-ul mediului. Reacţia are o viteză maximă pentru o anumită valoare a pH-ului. Abateri de la aceste valori produc o scădere bruscă a vitezei de reacţie. Reprezentând grafic variaţiile vitezei în funcţie de pH se obţine o curbă în formă de clopot îngust (fig. 5.10). Valoarea pH-ului optim la diferite enzime coincide în general cu pH-ul lichidelor din organism unde ele îşi exercită acţiunea. De exemplu, pH-ul optim al pepsinei este 1,5 ̶ 2,5 identic cu pH-ul din sucul gastric; al tripsinei este de 8 ̶ 11, identic cu pH-ul sucului pancreatic. Majoritatea enzimelor din celulele vegetale acţionează la un pH ~ 6 ̶ 7, pH-ul optim la care îşi exercită enzimele activitatea în celulele umane este de ~ 7,5 (fig. 5.10). Fig. 5.10. Influenţa pH-ului asupra vitezei de reacţie [4] 5. Efectori enzimatici. Activitatea enzimelor este influenţată de substanţe numite efectori. Substanţele capabile să mărească viteza unei reacţii se numesc activatori enzimatici, în timp ce substanţele ce reduc viteza unei reacţii ̶ inhibitori enzimatici. Activatorii enzimatici îşi exercită acţiunea pe căi diferite, în funcţie de natura lor chimică.  Ionii metalici (K +, Ca2+, Mg2+, Zn2+, etc.) activează unele enzime. De exemplu, enzimele fosfotransferaze sunt activate de ionii Mg2+ sau K+ şi inhibate de Ca2+ sau Na+.

60

 Activatori ai unor proenzime acţionează prin înlăturarea unor fragmente din molecula inactivă a unor enzime. De exemplu, enterokinaza din intestin, înlătură 6 aminoacizi din molecula de tripsinogen şi o transformă în tripsină activă.  Substanţele reducătoare care posedă grupări tiolice –SH (cisteina, glutationul) au proprietatea de a inactiva ionii metalelor grele, care blochează activitatea enzimei. Inhibitori enzimatici. Activitatea enzimatică poate fi blocată de unele metale grele (mercur, plumb) sau de proteine specifice. Astfel, globulina leguminoaselor uscate inhibă activitatea enzimei tripsina. Inhibitorii reduc activitatea unei enzime prin două mecanisme majore:  se combină cu enzima şi o inactivează;  se combină cu substratul şi îl fac nonfuncţional pentru transformare. Sunt două clase principale de inhibitori: reversibili şi ireversibili. Se deosebesc mai multe tipuri de inhibiţie enzimatică reversibilă: competitivă, necompetitivă şi mixtă. 1. Inhibiţie competitivă. Acest tip de inhibiţie este realizată de substanţele care au o structură asemănătoare cu cea a substratului (fig. 5.11). În acest caz centrul catalitic al enzimei (E) se poate combina atât cu substratul (S) cât şi cu inhibitorul competitiv (I). La mărirea concentraţiei substratului există posibilitatea de a scoate enzima din combinaţia cu inhibitorul (EI), astfel încât la o concentraţie adecvată de substrat acţiunea inhibitorului poate fi stopată [8]. Un exemplu de inhibiţie competitivă îl constituie reacţia de dehidrogenare a acidului succinic la acid fumaric, catalizată de enzima succinatdehidrogenază. Acidul malic, diferă de acidul succinic numai prin existenţa unei grupe hidroxilice în locul unui hidrogen la una din grupările metilenice, şi poate să se lege de centrul activ al succinatdehidrogenazei. Fracţiunea de succinatdehidrogenază combinată cu acidul malic poate fi recuperată prin simpla creştere a concentraţiei de substrat.

Fig. 5.11. Inhibiţie competitivă [2]

Fig. 5.12. Inhibiţie necompetitivă [2]

2. Inhibiţie necompetitivă. Inhibitorii necompetitivi se fixează pe enzimă pe alt loc decât centrul activ (nu există competiţie cu substratul), dar centrii activi ai enzimei îşi reduc capacitatea de a reacţiona cu substratul datorită unui fenomen de împiedicare sterică. Inhibitorii de acest tip se ataşează doar de complexul enzimă-substrat (ES) nou format (fig. 5.12). În cazul inhibiţiei necompetitive mărirea concentraţiei substratului nu anulează influenţa inhibatorului asupra activităţii enzimatice. Astfel de inhibitori necompetitivi sunt cianurile care se combină cu unele metale necesare pentru activitatea enzimei. Acidul etilendiamino-tetraacetic (EDTA) leagă Mg2+ şi alţi cationi bivalenţi inhibând astfel necompetitiv unele enzime. 3. Inhibiţie mixtă. În acest caz inhibitorul se poate combina atât cu complexul enzimă-substrat (ES), cât şi cu centrul activ al enzimei (fig. 5.13).

61

F. Influenţa radiaţiilor. Activitatea enzimelor mai poate fi influenţată de radiaţii. Lumina vizibilă nu influenţează asupra activităţii enzimelor. Radiaţiile ultraviolete (UV) fiind absorbite de substanţele proteice în domeniul 260-280 nm pot să determine denaturarea moleculelor şi inactivarea enzimelor. Radiaţiile ionizante în doze mici acţionează indirect asupra enzimelor prin radicalii liberi care se formează la descompunerea apei şi a oxigenului dizolvat în apă. Astfel de radiaţii acţionează asupra enzimelor cu grupe –SH. Prin introducerea unor antioxidanţi (glutation redus, cisteină, acid ascorbic) în mediul de reacţie, se Fig. 5.13. Inhibiţie mixtă [2] pot proteja grupările –SH din centrul catalitic al enzimelor. 5.5. MECANISME DE REGLARE A ACTIVITĂŢII ENZIMATICE Viteza reacţiilor chimice este influenţată de concentraţia enzimelor, a substratului, de pH, temperatură etc. Aceste reacţii nu se desfăşoară independent unele de altele, ci sunt grupate, se succed formând căi metabolice care funcţionează simultan şi în mod coordonat atât sub aspect calitativ, cât şi cantitativ. La nivel celular, se cunosc diferiţi factori care reglează activitatea enzimelor. 1. Activitatea genelor. Biosinteza enzimelor în celulă este determinată genetic. Reglajul genetic al biosintezei enzimelor a fost studiat pentru prima dată la operonul lac al bacteriei E. coli. Cercetătorii francezi Jacques Monod şi François Jacob au elaborat teoria reglajului genetic al genelor la procariote şi pentru această realizare ştiinţifică au primit în anul 1965 premiul Nobel pentru fiziologie sau medicină [21]. La bacteria E. coli posibilitatea utilizării lactozei din mediu se realizează datorită activităţii a trei enzime. Operonul e alcătuit din promotor, operator şi 3 gene structurale aranjate în următoarea ordine (fig. 5.14): 1) lacZ – codifică enzima β-galactozidaza, care scindează lactoza în glucoză şi galactoză; 2) lacY – determină sinteza enzimei β-galactozid permeaza, localizată în membrana celulară, care asigură pătrunderea din mediu a lactozei; 3) lacA – controlează sinteza enzimei β-galactozid transacetilaza, care transferă grupa acetil de la acetil-CoA la β-galactozide. Unul din mecanismele de control constă în inactivarea genelor printr-o proteină represor, care este sintetizată de o genă reglatoare, situată în afara operonului. Represorul se cuplează cu operatorul şi împiedică deplasarea enzimei ARN-polimerazei pe catena de ADN, blocând astfel procesul de transcripţie. Dacă represorul este inactivat operatorul şi promotorul iniţiază transcripţia şi biosinteza enzimelor. Inactivarea represorului se realizează în rezultatul interacţiunii acestuia cu lactoza (inductor). Astfel, în lipsa lactozei, genele structurale care determină sinteza enzimelor sunt inactive (fig. 5.14 B). Dacă în mediu se adaugă lactoză, aceasta blochează represorul, operonul devine funcţional, genele structurale sunt transcrise, se începe rapid sinteza enzimelor şi lactoza poate fi metabolizată (fig. 5.14 C).

62

Fig. 5.14. Tip de reglaj genetic la operonul lac al bacteriei E. coli

2. Mediul intracelular. La nivelul mediului intracelular pot interveni o serie de factori care să regleze activitatea enzimelor. 2.1. Electroliţii şi pH-ul pot avea un efect inhibitor sau activator asupra activităţii enzimelor. Ionii de Ca2+ exercită un rol reglator aupra procesului de glicoliză. Astfel, concentraţii mari de Ca2+ inhibă acţiunea enzimei piruvatkinaza fapt care duce la acumularea de fosfoenolpiruvat. 2.2. Hormonii acţionează asupra sintezei sau activităţii enzimelor. Astfel, hidrocortizonul măreşte de 25 ori activitatea enzimei α-cetoglutarat transaminaza, iar insulina inhibă biosinteza enzimelor care catalizează reacţii ale gluconeogenezei. 2.3. Concentraţia intracelulară a cofactorilor (NAD+, NADP+, ATP etc.) acţionează asupra activităţii enzimelor. Spre exemplu, metabolismul acidului piruvic depinde de concentraţia de NAD+. Dacă în celulă există O2 disponibil, NAD+ va fi produs în cantitate suficientă şi ca urmare, acidul piruvic va fi metabolizat prin ciclul Krebs. Dacă în celulă este prezent puţin O2, atunci NADH + H+ nu se oxidează de NAD+ şi în acest caz acidul piruvic este redus la acid lactic. 3. Membranele celulare. În celulă există un sistem specific de transport celular reglat de enzime permeaze prezente în membranele celulare. De asemenea, membranele intracelulare (lizozomale, mitocondriale etc.) au o permeabilitate selectivă pentru diferite substraturi care permite funcţionarea normală a celulei. 4. Mecanismul de reglare alosterică. La baza reglării alosterice a enzimelor stă legarea Fig. 5.15. А – Activarea enzimei cu o proteină activator; B – efectorilor de centrul alosteric al enzimei (fig. 5.15). Inhibiţia enzimei cu o proteină inhibitor [11] 5. Mecanismul de reglare de tip retroinhibiţie sau feed-back. Este cel mai răspândit mecanism de reglare enzimatică, în cadrul căruia acumularea produsului final al unei căi metabolice determină 63

inactivarea enzimelor necesare pentru sinteza lui (fig. 5.16). În majoritatea cazurilor produsul final inactivează prima enzimă a căii metabolice.

Fig. 5.16. Schema reglării activităţii enzimelor prin retroinhibiţie [11]

6. Modificările covalente. Activitatea unor enzime este reglată prin modificări covalente [4]. Unele enzime, care funcţionează în tubul digestiv, se sintetizează sub forma de precursori inactivi – proenzime sau zimogene. Hidroliza unui număr limitat de legături peptidice în molecula proenzimelor duce la conversiunea lor în enzime active. De exemplu, proenzima chimotripsinogenă din tubul digestiv sub acţiunea tripsinei se transformă în enzima activă chimotripsină. Modificarea covalentă a unor enzime se poate realiza şi prin inserţia de grupări micromoleculare în moleculele lor. De exemplu, enzima sintezei glicogenului se activează prin inserţia de grupări fosforice la resturi de serină, proces care se numeşte fosforilare. 5.6. NOMENCLATURA ŞI CLASIFICAREA ENZIMELOR Identificarea unui număr tot mai mare de enzime a impus necesitatea unei nomenclaturi. Astfel, în 1961 Comisia de Enzimologie a Uniunii Internaţionale de Biochimie a stabilit un sistem de nomenclatură şi clasificare pentru enzime. Denumirea unei enzime este constituită din trei părţi [8]:  denumirea substratului (sau a substraturilor);  tipul de reacţie;  sufixul – ază. De exemplu, enzima care catalizează reacţia de transformare a acidului lactic în acid piruvic se numeşte lactat dehidrogenază. În funcţie de tipul reacţiilor catalizate, enzimele se clasifică în 6 clase mari (fig. 5.17). Oxidoreductazele, enzimele din I clasă, catalizează reacţii de oxido-reducere care stau la baza oxidării biologice. Transferazele, enzimele din clasa II, catalizează reacţii de transfer a unor atomi sau a unor grupări de atomi de pe un substrat donator pe un substrat acceptor. Hidrolazele, enzimele din clasa III, catalizează reacţii de scindare hidrolitică a legăturilor chimice. Liazele, enzimele din clasă IV, catalizează reacţii de scindare nehidrolitică a legăturilor chimice cu formarea în molecule a legăturilor duble. Izomerazele, enzimele din clasa V, catalizează reacţii de izomerizare sau rearanjări moleculare ale legăturilor duble şi ale grupelor fosfat pe lanţul carbonic.

64

Fig. 5.17. Clasificarea enzimelor [1]

Ligazele, enzimele din ultima clasă – a VI-a, catalizează reacţii de formare a legăturilor chimice între două molecule pe baza energiei ATP-ului.

5.6.1. Clasa oxidoreductazelor Oxidoreductazele catalizează reacţii de oxidoreducere ce se manifestă prin transfer de electroni de la un donor (agent reducător) către un acceptor (agent oxidant). Transferul de electroni în multe reacţii are loc prin transferul atomilor de hidrogen; astfel dehidrogenarea are ca echivalent oxidarea, iar hidrogenarea – reducerea. În celula vie oxidoreductazele formează sisteme – aşa numitele lanţuri de enzime oxido-reducătoare, în care are loc un transfer în trepte al atomilor de hidrogen sau al electronilor de la primul substrat la acceptorul final, care, de regulă, este oxigenul. În final, atomii de hidrogen sunt transferaţi pe oxigen şi se formează H2O. Oxidoreductazele care transferă atomii de hidrogen sau electronii direct pe atomii de oxigen se numesc dehidrogenaze aerobe sau oxidaze. Spre deosebire de acestea, oxidoreductazele care transferă atomii de hidrogen şi electronii de la un component al lanţului de oxidare la altul fără a-i ceda oxigenului, se numesc dehidrogenaze anaerobe. Dacă enzima catalizează reacţia luând hidrogen direct de la substanţa ce se oxidează (primul substrat), atunci ea se numeşte dehidrogenază primară. Dacă enzima accelerează prelucrarea atomilor de hidrogen de la al doilea substrat, care a primit atomii de hidrogen prin intermediul dehidrogenazei primare (al doilea substrat poate fi chiar oxidoreductaza primară), atunci aceasta se numeşte dehidrogenază secundară. Oxidoreductazele îşi exercită acţiunea lor catalitică în prezenţa unor coenzime diferite: nicotinamidice, flavinice, heminice care se comportă ca acceptori intermediari între substratul primar şi acceptorul final. 65

1. Oxidoreductaze NAD+ sau NADP+-dependente. Aceste enzime denumite şi dehidrogenaze piridinice catalizează reacţii de oxidoreducere prin transfer, în general reversibil, de hidrogen de pe un donor pe un acceptor. Au un caracter anaerob deoarece acceptorul de hidrogen este altul decât oxigenul. Cofactorii enzimelor sunt derivaţi ai vitaminei B5 – nicotinamidadenindinucleotidă (NAD+), şi nicotinamidadenindinucleotidfosfat (NADP+). Dehidrogenazele anaerobe servesc ca acceptori şi donori ai hidrogenului conform reacţiei: NADP+ + 2 [H] ↔ NADPH + H+ * – NADP − forma oxidată (acceptor de hidrogen ionic); NADPH+ H+ − forma redusă (donor de hidrogen ionic) +

Mecanismul de acţiune al dehidrogenazelor este determinat de tipul de cofactor, NAD+ sau NADP . Funcţia de acceptor de protoni şi electroni o îndeplineşte nucleul piridinic al acestor coenzime conform reacţiei: În cadrul acestei reacţii, un atom de hidrogen se leagă de molecula coenzimei (în poziţia 4 a nucleului piridinic), iar al doilea atom de hidrogen îi dă electronul coenzimei şi se transformă în proton H+ care este absorbit de capacitatea tampon a mediului de reacţie. Oxidoreductazele NAD+-dependente intervin în procese metabolice oxidative (ciclul Krebs, catena de respiraţie celulară), iar cele NADP+dependente – în procese reductive de sinteză (biosinteza extramitocondrială a acizilor graşi, a steroizilor etc.). Tabelul 5.1. Exemple de dehidrogenaze anaerobe [8] Enzima Denumirea Coenzima prescurtată 1. Lactatdehidrogenaza LDH NAD+ 2. Alcooldehidrogenaza ADH NAD+ 3. Glicerofosfatdehidrogenaza GPDH NAD+ 4. Malatdehidrogenaza MDH NAD+ sau NADP+ 5. D-izocitricdehidrogenaza ICDH NADP+ 6. Glutationreductaza NADP+ +

1.1. Lactatdehidrogenaza catalizează reacţia de dehidrogenare a acidului lactic în acid piruvic (fig. 5.18). Lactatdehidrogenaza se găseşte în muşchi, plămâni, ficat şi în alte ţesuturi animale.

Fig. 5.18. Reacţia de dehidrogenare a acidului lactic [8]

Fig. 5.19. Reacţia de transformare a alcoolului etilic în aldehidă acetică [8]

1.2. Alcooldehidrogenaza catalizează reacţia de transformare a alcoolului etilic în aldehidă acetică (fig. 5.19). Reacţia reprezintă o etapă a fermentaţiei alcoolice. Aldehida acetică se reduce devenind acceptor de hidrogen şi se formează alcool etilic. Enzima se găseşte în ţesuturile animale, vegetale şi microorganisme. 1.3. Glicerofosfatdehidrogenaza catalizează dehidrogenarea reversibilă a α-glicerofosfatului în dioxiacetofosfat (fig. 5.21). Enzima glicerofosfatdehidrogenaza este prezentă în drojdii, celulele animale şi vegetale, intervine în etape ale fermentaţiei alcoolice şi ale glicolizei.

66

1.4. Malatdehidrogenaza catalizează reacţia de oxidare a acidului malic în acid oxaloacetic (fig. 5.20). Enzima malatdehidrogenaza face parte din sistemul enzimatic al ciclului Krebs şi este prezentă în toate organismele.

Fig. 5.20. Reacţia de oxidare a acidului malic [8]

Fig. 5.21. Reacţia de dehidrogenare a α-glicerofosfatului [8]

1.5. D-izocitricdehidrogenaza este o enzimă importantă în ciclul Krebs, catalizează transformarea acidului D-izocitric în acid oxalsuccinic (fig. 5.22). Activitatea enzimei necesită prezenţa Mg2+ sau Mn2+, iar reacţia de dehidrogenare este urmată de una de decarboxilare.

Fig. 5.22. Reacţia de transformare a acidului D-izocitric [8]

Fig. 5.23. Reacţia de oxidoreducere a glutationului [8]

1.6. Glutationreductaza participă la oxidoreducerea glutationului (fig. 5.23). În urma reacţiei este refăcut glutationul redus necesar pentru menţinerea în formă activă a conformaţiei unor enzime ce conţin grupări –SH. 2. Oxidoreductaze FAD sau FMN dependente (flavinenzime). Flavinenzimele catalizează reacţii de oxidoreducere transferând hidrogen sau electroni fie direct de la substrat, fie de la formele reduse ale coenzimelor piridinice la oxigenul molecular. În cazul enzimelor flavinice cu caracter aerob acceptorul de hidrogen este oxigenul molecular, iar produsul de reacţie este apa oxigenată. Enzimele flavinice cu caracter anaerob sunt o parte componentă a lanţului reacţiilor de oxidoreducere ale respiraţiei celulare şi au funcţia de a transporta hidrogenul substratului, preluat iniţial de NAD +, la citocromi. Transferul hidrogenului de către aceste enzime se realizează prin intermediul cofactorilor lor, derivaţi ai vitaminei B2 – flavinadeninmononucleotidă (FMN) şi flavinadenindinucleotidă (FAD). FMN şi FAD se deosebesc de NAD+ şi NADP+ prin faptul că sunt strâns legate de apoenzimă, de care se despart doar printr-o hidroliză acidă. Toate nucleotidele flavinice conţin riboflavină al cărei nucleu izoaloxazinic conţine legături duble conjugate ce conferă funcţia dehidrogenazică (fig. 5.24).

Fig. 5.24. Structura nucleotidelor flavinice [8]

Unele flavinenzime conţin în molecula lor metale (Cu2+, Fe3+ sau Mo2+), ceea ce le conferă un rol dublu, fiind şi transportoare de electroni. Dintre cele mai importante flavinenzime putem menţiona următoarele. 2.1. Glucozoxidaza catalizează reacţia de oxidare a glucozei în acid gluconic cu formare de H2O2. Preparatele enzimatice care conţin glucozoxidază, obţinute din culturi de diferite mucegaiuri, 67

sunt utilizate şi în industria alimentară pentru îndepărtarea glucozei şi a oxigenului din diverse produse. Îndepărtarea glucozei este necesară pentru a se evita desfăşurarea reacţiei Maillard în unele alimente ( ex. din albuşul de ou întreg la obţinerea prafului de ouă). Consumarea oxigenului rezidual din alimente în prezenţa excesului de glucoză şi a glucozoxidazei evită procesele oxidative care afectează calităţile produselor. Îndepărtarea enzimatică a oxigenului se aplică pentru conservarea maionezei, laptelui praf, prafului de ouă, cafelei prăjite, untului, produselor din carne. Preparatul enzimatic introdus în pungi de polietilenă permeabilă la aer şi impermeabilă la apă, se închide în ambalaj odată cu alimentul, iar oxigenul din acesta difuzează prin membrană şi este consumat de glucozoxidază. Apa oxigenată formată este descompusă de enzima catalaza. De asemenea, la oxidarea β-glucozei, sub acţiunea glucozoxidazei, se formează δgluconolactonă utilizată în industria preparatelor de carne pentru menţinerea culorii roşii caracteristice acestor produse. 2.2. D-aminoacidoxidazele realizează oxidarea formelor D ale aminoacizilor după reacţia generală (fig. 5.25).

Fig. 5.25. Reacţia generală de oxidare a aminoacizilor [8]

Aceste enzime se găsesc în rinichi, prezintă o specificitate în raport cu configuraţia aminoacizilor (formele L nu sunt oxidate), iar reacţiile de acest tip constituie sursa principală de peroxid de hidrogen în sistemele metabolice. Coenzima lor este FAD. Formele L ale aminoacizilor sunt oxidate de L-aminoacid-oxidaze ce au drept cofactor FMN. 2.3. Citocrom-c-reductaza este o enzimă prezentă în ficat, inimă, drojdii şi acţionează sinergic cu enzimele NAD+ dependente, după mecanismul enzimelor flavinice de tip anaerob. 2.4. Xantinoxidaza este o enzimă ce conţine molibden şi care catalizează oxidarea bazelor purinice – xantina şi hipoxantina până la acid uric (fig. 5.26). Xantinoxidaza se găseşte în lapte, precum şi în ţesuturile animale şi vegetale. 3. Oxidazele sunt enzime care catalizează reacţiile directe dintre substraturile lor şi oxigenul molecular, transferând hidrogen sau electroni de la substrat la O2. În funcţie de mecanismul de acţiune, oxidazele, se împart în: oxidaze transportoare de electroni, dioxigenaze, monooxigenaze, catalaze şi Fig. 5.26. Reacţia de oxidare a bazelor purinice [8] peroxidaze. 3.1. Oxidazele care transportă electroni catalizează reacţii în care electronii substratului sunt transferaţi pe O2. Din această categorie de enzime fac parte ascorbatoxidaza, fenoloxidazele etc.

68

Ascorbatoxidaza este o enzimă cu cupru care catalizează oxidarea acidului ascorbic în acid dehidroascrbic (fig. 5.27). Ascorbatoxidaza este răspândită pe larg în celulele vegetale. În unele plante această enzimă are rol de oxidază finală în sistemul enzimatic oxidoreducător al glutationului. Dacă ţesutul este vătămat, reacţia de oxidare devine enzimatică datorită prezenţei O2, nu mai este reversibilă şi ca urmare are loc o scădere a conţinutului de acid Fig. 5.27. Reacţia de oxidare a acidului ascorbic [8] ascorbic. Ascorbatoxidaza poate fi inactivată prin încălzire la 100°C şi inhibată prin introducerea în mediu a SO2 sau prin modificarea pH-ului. În acest sens, opărirea fructelor şi legumelor tăiate, menţinerea lor în soluţii acide sau cu SO2 constituie modalităţi de blocare a acţiunii ascorbatoxidazei şi evitarea pierderilor de vitamină C la prelucrarea acestor produse. Fenoloxidazele sunt enzime prezente în toate ţesuturile organismelor superioare şi la microorganisme catalizând oxidarea monofenolilor şi a polifenolilor. Din punct de vedere chimic, fenoloxidazele sunt enzime cu cupru care reacţionează direct cu oxigenul molecular. Tirozinaza este o fenoloxidază care oxidează monofenolii şi o-difenolii. Este prezentă în ţesuturile plantelor, în ciuperci şi în unele ţesuturi animale. Tirozinaza transformă fenolul şi ο-difenolul în chinone colorate în brun (fig. 5.28).

Fig. 5.28. Reacţia de oxidare a mono-şi difenolilor [8]

În regnul animal tirozinaza catalizează reacţia de oxidare a tirozinei şi formare a melaninelor [23]. Într-o primă etapă, tirozina este oxidată la dioxifenilalanină (DOPA), care la rândul său este oxidată în melanină [3] (fig. 5.29).

Fig. 5.29. Reacţia de formare a melaninelor [8]

Fig. 5.30. Baiat albinos [7]

O mutaţie în gena tirozinazei duce la albinism. La persoanele afectate de această boală părul este nepigmentat, pielea are o culoare roz, irisul este translucid, iar pupilele roşii (fig. 5.30). Polifenoloxidaza este un tetramer cu 4 atomi de Cu2+ per moleculă, cu un sit de legare pentru doi compuşi aromatici şi oxigen, care catalizează ο-hidroxilarea monofenolilor la ο-difenoli şi oxidarea acestora în ο-chinone [17]. Prin acţiunea polifenoloxidazei se explică închiderea la culoare a cartofilor 69

sau merelor tăiate, a sucurilor de fructe sau a vinurilor. Materia primă vegetală la contactul cu oxigenul din aer se îmbrunează din cauza polimerizării oxidative a ο-chino nelor şi producerii pigmenţilor de culoare neagră, cafenie sau roşie (polifenoli). Fenomenul este cunoscut sub denumirea de îmbrunare enzimatică. Deasemenea, această enzimă i-a parte la oxidarea substanţelor tanante în timpul fermentării frunzelor de ceai şi la brunificarea fructelor şi legumelor în timpul uscării. Polifenoloxidaza este prezentă în ciuperci, frunze de ceai, boabe de cacao, cafea, cereale, tuberculi de cartofi şi diferite fructe: mere, struguri, pere, banane, gutui. În celulele sau ţesuturile intacte, fenoloxidazele nu oxidează polifenolii deoarece lipseşte oxigenul molecular. Prevenirea formării chinonelor şi brunificării enzimatice se poate face prin inactivarea termică a polifenoloxidazelor (opărire) sau pe cale chimică (dioxidul de sulf – SO2, metabisulfit de potasiu – K2S2O5, acid ascorbic). În industria alimentară dioxidul de sulf se foloseşte în calitate de conservant E220 [10]. 3.2. Dioxigenazele sunt enzimele care catalizează reacţii în care ambii atomi de oxigen molecular se regăsesc în produsele de reacţie. Reacţia generală se prezintă sub forma: A + O2→AO2 Lipooxigenaza este o enzimă cu fier care catalizează reacţia de dioxigenare (adiţia a doi atomi de oxigen) a acizilor graşi polinesaturaţi (linoleic, linolenic şi arahidonic), pigmenţii carotenoizi şi vitamina A. Diferite tipuri de lipoxigenaze au fost identificate în plante, animale şi ciuperci. În cantităţi mari, lipoxigenaza se găseşte în plantele leguminoase şi oleaginoase. Schema generală a reacţiei catalizate este următoarea [13]: Acid gras + O2 = hidroperoxid al acidului gras Reacţia catalizată de lipoxigenază este cauza principală a râncezirii grăsimilor nesaturate în timpul păstrării lor, a scăderii conţinutului de pigmenţi carotenoizi sau a vitaminei A. Pentru prevenirea acţiunii lipoxidazei se folosesc inhibitori (antioxidanţi) care blochează formarea radicalilor liberi. Totuşi, sunt şi efecte pozitive ale lipoxigenazei pentru calitatea unor produse alimentare. Astfel, lipoxigenaza grâului determină albirea aluatului şi îmbunătăţirea proprietăţilor sale reologice. Datorită decolorării pigmenţilor făinii, lipoxigenaza conduce la obţinerea pâinii cu miez deschis la culoare. 3.3. Monooxigenazele sunt o grupă numeroasă de enzime care catalizează reacţii de adiţie la substrat doar a unui atom de oxigen care este regăsit în noua grupare hidroxilică a substratului. Al doilea atom de oxigen este utilizat la oxidarea agenţilor reducători participanţi la reacţie – NADH + H+ sau NADPH + H+. Aceste enzime, care se mai numesc hidroxilaze, sunt active în microzomii glandelor suprarenale ale mamiferelor unde participă la oxidarea produselor intermediare ale metabolismului hormonilor steroizi. 3.4. Catalazele şi peroxidazele catalizează reacţii de descompunere a peroxidului de hidrogen (H2O2) care se formează în cadrul oxidării biologice. Acumularea de H2O2, care este un oxidant puternic, este dăunătoare pentru celulă. În reacţiile catalizate de aceste enzime H2O2 îndeplineşte funcţia de acceptor de hidrogen: H2O2 + 2H+ + 2e →2H2O Catalaza este un tetramer constituit din patru lanţuri polipeptidice, alcătuite din peste 500 de aminoacizi, conţine patru grupări porfirinice cu hem care asigură interacţiunea enzimei cu peroxidul de hidrogen [9]. Enzima este prezentă în toate organismele, protejează celulele vii de stresul oxidativ provocat de forme reactive de oxigen (engl. reactive oxygen species – ROS). Reacţia după care catalaza descompune apa oxigenată este următoarea: 2H2O2 → 2H2O + O2

70

În prezenţa peroxidului de hidrogen, catalaza oxidează alcooli cu masă moleculară mică şi nitriţii. Preparatele enzimatice de catalază obţinute din ficat de bovine sau prin sinteză microbiologică sunt utilizate în industria alimentară pentru degradarea apei oxigenate folosite pentru pasteurizarea ouălor, conservarea laptelui, stabilizarea culturilor producătoare de acid lactic. Peroxidaza este o cromoproteidă cu hem care descompune peroxizii după reacţia [16]: ROOR' + donor de electron (2 e-) + 2H+ → ROH + R'OH În care ROOR' este peroxidul de hidrogen (H2O2) sau oricare alt peroxid. Pentru descompunerea peroxidului este necesară prezenţa unui donor de hidrogen. Acesta poate fi reprezentat de fenoli, aminoacizi, amine. În celulele animale se atestă o activitate peroxidazică slabă. În eritrocite este prezentă enzima glutationperoxidaza care oxidează specific glutationul redus. Peroxidazele din ţesuturile vegetale lezate folosesc drept donori de hidrogen polifenoli pe care-i oxidează în chinone.

5.6.2. Clasa transferazelor Transferazele catalizează reacţii de transfer, prin care o parte din molecula unui substrat numit donor (Z) este cedată unui alt substrat, numit acceptor (Y). Mecanismul general al reacţiilor catalizate de transferaze se prezintă astfel: X-Z + Y ↔ X+Y-Z În cadrul acestor reacţii se formează un complex intermediar enzimă-grupă transferabilă, care va reacţiona ulterior cu acceptorul, fixând pe acesta gruparea activată. Denumirea enzimelor din această clasă se face după regula: donor-acceptor ca prefix, urmată de denumirea grupării transferate, după care se adaugă cuvântul transferază. În funcţie de natura grupării transferate, transferazele se împart în mai multe subclase: aminotransferaze, fosfotransferaze, metiltransferaze, aciltransferaze, glicoziltransferaze. 1. Aminotransferazele (transaminazele) sunt enzime la care componenta prostetică este piridoxalfosfat-ul. Acestea catalizează transferul unei grupări aminice NH2 de pe un α-aminoacid pe un α-cetoacid. Acest transfer se realizează în mai multe etape, care includ o serie de rearanjări intramoleculare şi formarea unui aminoacid şi a unui cetoacid nou (fig. 5.31).

Fig. 5.31. Reacţia generală de transaminare [22]

Fig. 5.32. Reacţia catalizată cetoglutarattransaminază [8]

de

alanin-α-

În procesul de transaminare, aminoacizii dicarboxilici (acidul glutamic şi acidul aspartic) joacă un rol central fiind donorii principali de grupări NH2. Acceptori de grupări aminice, cel mai frecvent, sunt cetoacizii: acizii piruvic, oxaloacetic sau α-cetoglutaric. Activitatea transaminazelor este favorizată de unii ioni metalici cu care enzima formează chelaţi, înlesnind astfel legătura enzimă-substrat. Reacţiile de transaminare au o importanţă deosebită în metabolismul intermediar. Cu ajutorul lor se pot sintetiza aminoacizii proprii organismului, utilizând

71

aminoacizii şi cetoacizii în exces din celulă. Tot cu ajutorul acestor reacţii se stabileşte conexiunea între metabolismul proteic şi cel glucidic. Din această subclasă fac parte enzimele: 1.1. Alanin-α-cetoglutarattransaminaza catalizează reacţia de transaminare reversibilă de pe alanină pe acid α-cetoglutaric (fig. 5.32). 1.2. Glutamat-oxaloacetattransaminaza (GOT) catalizează reacţia de transaminare reversibilă dintre acizii glutamic şi oxalacetic (fig. 5.33).

Fig. 5.33. Reacţia catalizată oxaloacetattransaminază [8]

de

glutamat-

Fig. 5.34. Reacţia piruvattransaminază [8]

catalizată

de

glutamat-

1.3. Glutamat-piruvattransaminaza (GPT) sau alaninaminotransferaza (ALT) transferă reversibil gruparea aminică NH2 a acidului glutamic pe acidul piruvic (fig. 5.34). Aminotransferazele sunt prezente în toate organele, însă reacţiile de transaminare se desfăşoară cel mai activ în inimă şi ficat. Metoda de determinare a conţinutului de transaminaze (alaninaminotransferaza – ALT şi aspartataminotransferaza – AST) în sânge este utilizată în diagnosticul bolilor de inimă şi ficat. 2. Fosfotransferazele (kinazele) catalizează reacţiile de transfer a grupării fosfat de la un donor la un acceptor specific, conform reacţiei generale: R-PO3H2+R'-H→ R'-PO3H2+R-H Compuşii fosforilaţi participă întotdeauna la schimbări energetice importante. Energia care rezultă din reacţiile oxidative este folosită în mare măsură pentru sinteza compuşilor organici fosforilaţi pe seama fosfatului anorganic. Din această subclasă fac parte următoarele enzime: hexokinaza, piruvatkinaza şi creatinkinaza. 2.1. Hexokinaza catalizează prima reacţie din procesul glicolizei în care are loc un transfer de grupare fosfat de la ATP la glucoză (fig. 5.35). Fosfohexokinaza catalizează fosforilarea mai departe a fosfohexozelor (fig. 5.36).

Fig. 5.35. Reacţia de transfer de grupare fosfat de la ATP la glucoză [8]

Fig. 5.36. Reacţia de fosforilare a fosfohexozelor [8]

2.2. Piruvatkinaza catalizează reacţia de transfer a unei grupe de pe acidul fosfoenolpiruvic pe ADP cu formare de ATP (fig. 5.37).

Fig. 5.37. Reacţia de transfer de grupare fosfat de pe acidul fosfoenolpiruvic pe ADP [8]

Fig.5.38. Reacţia de transfer a grupării fosfat de pe ATP pe creatină [8]

72

2.3. Creatinkinaza participă la transferul grupei fosfat de pe ATP pe creatină cu formare de creatinfosfat şi ADP (fig. 5.38). 3. Metiltransferazele catalizează transferul grupării metil de pe un donor pe un acceptor. Mai mult de 40 de reacţii metabolice necesită transferul grupării metil (CH3) de la donorul ̶ S-adenozil metionină (SAM) la diferite substraturi ̶ acizi nucleici, proteine şi lipide [20]. 3.1. ADN-metiltransferaze reprezintă o grupă de enzime care catalizează transferul grupei metil pe molecula de ADN. Toate ADN-metiltransferazele cunoscute folosesc S-adenozil metionina (SAM) în calitate de donor de grupări metilice. În cadrul procesului de metilare S-adenozil metionină este convertită în S-adenozil homocisteină (SAH). Enzima citozin (C5)-ADN-metiltransferaza catalizează reacţia de transfer a grupei metil de la donor la baza azotată citozina a ADN-ului (fig. 5.39).

Fig. 5.39. Schema generală a unei reacţii de transfer a grupării metil [15]

Metilarea ADN-ului duce la modificarea proprietăţilor şi a conformaţiei ADN-ului, la reglarea activitatăţii genelor. 3.2. Histone-metiltransferaze (HMT) sunt enzime care catalizează reacţii de metilare a histonelor, spre exemplu histonă-lizină N-metiltransferază (fig. 5.40) sau histonă-arginină Nmetiltransferază. Enzimele respective catalizează transferul a una, două sau trei grupe metil la resturile de lizină şi arginină a proteinelor histonice (predominant H3 sau H4).

Fig. 5.40. Schema generală a reactiei catalizată de lizin-histonă metiltransferază [15]

4. Glicoziltransferazele catalizează transferul unui rest de monoglucidă de la un donor la un acceptor, de regulă un alcool. Prin reacţii de transfer ale grupei glicozil are loc biosinteza de 73

monoglucide, glicozide, oligoglucide, poliglucide, glicoproteine, precum şi glicolipide. Atunci când acceptorul grupelor glicozil este o moleculă de proteina, sunt supuse modificărilor resturile de tirozină, serină, treonină şi asparagină. Unele glicoziltransferaze pot transfera resturi de fosfor anorganic sau apă. Pe lângă glucide, donori de grupări glicozidice sunt şi derivaţii glucidici ai nucleotidelor: UDPglucoza, UDP-galactoza, UDP-N-acetilglucozoamină, UDP-N-acetilgalactozamină, UDP-xiloza, GDP-manoza, GDP-fucoza, UDP-acid glucuronic, CMP-acid sialic. În funcţie de tipul reacţiei catalizate glicoziltransferazele se clasifică în 3 grupe principale [12]. 4.1. Hexoziltransferazele catalizează reacţia de transfer a unui rest de hexoză ̶ glucoziltransferaze, galactoziltransferaze, fucoziltransferaze, manoziltransferaze etc; 4.2. Pentoziltransferazele asigură transferul unui rest de pentoză ̶ ADP-riboziltransferaza, fosforiboziltransferaza etc; 4.3. Sialiltransferazele transferă un rest de acid sialic ̶ β-galactozid-α-2,6-sialiltransferaza etc. Sistemul grupelor sangvine AB0 este determinat de tipul glicoziltransferazelor prezente în membrana eritrocitului. Gena care determină sinteza glicoziltransferazelor are 3 variante (alele). Alela A codifică enzima care transferă N-acetilgalactozamină, alela B ̶ galactoză, iar alela 0 conţine o mutaţie care inactivează enzima [12]. 5. Aciltransferazele catalizează reacţiile de transfer a radicalilor acil (R-CO-) cu ajutorul coenzimei A (CoA-SH) care reprezintă gruparea prostetică a enzimelor. Reacţia generală de transfer este următoarea [8]: R-CO-R'+ R''-H → R'-H + R-CO-R''

Fig. 5.41. Schema generală de activare a acizilor organici [8]

Donori de radicali acil sunt acilderivaţii coenzimei A ̶ forme activate ale acizilor organici Activarea acizilor organici prin transformarea în acil-derivaţi ai CoA se face cu participarea ATP-ului ca furnizor de energie. După activare, radicalul acil este

trecut pe un acceptor specific (fig. 5.41). În acest transfer, între CoA şi grupa acil se stabileşte o legătură mercaptoacil-macroergică – fapt ce explică denumirea de formă activată a acidului organic. În legătura mercaptoacil, coenzima participă cu gruparea sa –SH. Reacţia generală de activare, catalizată de enzima tionkinaza, se prezintă astfel: R-COOH + CoA-SH + ATP → R-CO~SCoA + AMP + PPi acil derivat al CoA

Reacţia generală de transfer a grupării acil, catalizată de enzima aciltransferaza este următoarea: R-CO~SCoA + R''-H → CoA-SH + R-CO-R'' Acetil-CoA reprezintă un compus prin care se stabilesc corelaţii între diferite căi metabolice. Activarea acetatului sub formă de acetil-coenzimă A (acetat activat) este o reacţie catalizată de enzima acetiltionkinaza: CH3-COOH + CoA-SH + ATP → CH3-CO~SCoA + AMP + PPi acetil-CoA

Unul din cei mai importanţi formatori de grupări acetil este acidul piruvic, care în cea mai mare parte, provine din glucoză. Transformarea acidului piruvic în acetil-CoA se realizează printr-o reacţie

74

Fig. 5.42. Transformarea acidului piruvic în acetil-CoA [8]

de decarboxilare oxidativă sub acţiunea unui complex enzimatic la care, în afară de CoA, mai participă NAD+, FAD, TPP şi acidul lipoic (fig. 5.42).

5.6.3. Clasa hidrolazelor Hidrolazele catalizează scindarea legăturilor chimice cu fixarea componentelor apei la produsele rezultate după următorul mecanism: R1 – R2 + HOH  R1 – OH + R2 – H Din această clasă fac parte enzimele care hidrolizează proteinele până la aminoacizi (proteaze), poliglucidele până la monoglucide (glicozidaze) şi lipidele până la acizi graşi şi glicerol (lipaze). Reacţiile catalizate de hidrolaze se produc cu degajare de energie liberă mică, deci ele nu constituie o sursă energetică importantă pentru organism. Hidrolazele au totuşi un rol deosebit în metabolismul substanţelor deoarece ele descompun moleculele mari care intră în compoziţia alimentelor, în molecule simple uşor de asimilat. În general, reacţiile de hidroliză enzimatică sunt reversibile, iar principalele legături chimice care pot fi scindate sunt: legătura peptidică, legătura glicozidică, legătura ester. În funcţie de tipul legăturii asupra căreia acţionează, hidrolazele se împart în mai multe subclase. 1. Proteazele (peptidazele, proteinazele sau enzimele proteolitice) sunt enzime care catalizează scindarea legăturilor peptidice (-CO-NH-) din moleculele proteinelor şi ale produselor lor de degradare (polipeptide şi oligopeptide) până la aminoacizi. În funcţie de poziţia internă sau terminală a legăturii peptidice scindate, proteazele se împart în exopeptidaze şi endopeptidaze. 1.1. Exopeptidazele (exoproteinazele) acţionează doar asupra legăturilor peptidice terminale, situate la capetele lanţului polipeptidic, adiacent grupărilor α-aminice şi α-carboxilice terminale. Aceste enzime se sintetizează în celulele intestinului subţire (aminopeptidaze, dipeptidaze), în pancreas (carboxipeptidaza) şi funcţionează în celulelele epiteliale ale intestinului [26]. În funcţie de modul de acţiune exopeptidazele se grupează în: aminopeptidaze, carboxipeptidaze şi dipeptidaze. Aminopeptidazele sunt enzime cu Zn2+, scindează legătura peptidică adiacentă unui aminoacid terminal cu o grupă aminică liberă, eliberând acest aminoacid (fig. 5.43).

Fig. 5.43. Schema de acţiune a aminopeptidazelor [8]

Produsele de hidroliză care se obţin prin acţiunea aminopeptidazelor sunt aminoacizii şi oligopeptidele. Aminopeptidaze sunt prezente, de asemenea, în drojdii, bacterii şi mucegaiuri. Carboxipeptidazele sunt enzime cu Zn2+ care scindează legătura peptidică ce se găseşte lângă o grupare carboxil liberă (fig. 5.44).

Fig. 5.44. Schema de acţiune a carboxipeptidazelor [8]

75

Produsele de hidroliză care se obţin prin acţiunea carboxipeptidazelor, de asemenea, sunt aminoacizii şi oligopeptidele. Dipeptidazele catalizează scindarea hidrolitică a dipeptidelor în aminoacizi liberi. Sunt prezente în plante, drojdii, mucegaiuri, la animale în mucoasa intestinală, în rinichi. Activitatea catalitică necesită diferiţi ioni metalici. Prezintă specificitate în funcţie de aminoacizii constituenţi ai substratului. 1.2. Endopeptidazele (endoproteinazele) hidrolizează legăturile peptidice din interiorul lanţului polipeptidic al moleculei de proteină. Ca urmare a acţiunii lor, proteinele se transformă în polipeptide şi aminoacizi liberi. Endopeptidazele se sintetizează sub formă de proenzime, care sunt activate ulterior printr-o proteoliză selectivă. Astfel, celulele secretoare de endopeptidaze îşi protejează proteinele proprii de degradare. În funcţie de grupele centrului activ, se disting 6 grupe de endopeptidaze [18]: serinproteaze, treoninproteaze, cisteinproteaze, aspartatproteaze, glutamicacidproteaze, metaloproteaze (de regulă conţin Zn2+). Cele mai importante endopeptidaze sunt pepsina, tripsina, renina, chimotripsina, papaina. Pepsina este enzima proteolitică care hidrolizează legăturile peptidice ale aminoacizilor aromatici. Pepsina este o proteină globulară cu o masă moleculară de 34500, alcătuită din 340 de aminoacizi care conţine 3 legături disulfidice (-S-S-) şi acid fosforic [25]. Enzima este secretată de celulele stomacului sub formă inactivă de pepsinogen. Acidul clorhidric activează pepsinogenul şi pune în libertate pepsina activă şi un polipeptid. Pepsina are un pH optim de 1,5 – 2,5 care variază în funcţie de natura substratului. Pepsina desface legăturile peptidice formate între gruparea aminică a tirozinei şi gruparea carboxilică a unui aminoacid dicarboxilic (acid aspartic, acid glutamic). Enzima scindează o mare varietate de proteine, iniţiind astfel procesul de digestie a acestora. Produsele rezultate din hidroliza substanţelor proteice sub acţiunea pepsinei sunt albumoze şi peptone, substanţe cu greutate moleculară relativ mare, solubile în apă. Această endopeptidază posedă şi o activitate de coagulare a laptelui. Un preparat enzimatic de pepsină se obţine industrial prin macerarea stomacului de porcine cu acid clorhidric de 0,5 %. Soluţia obţinută se purifică prin dializă, se concentrează în vid şi se utilizează pentru coagularea laptelui în industria brânzeturilor. Tripsina este o enzimă proteolitică care acţionează la un pH alcalin, cel optim fiind de 8 ̶ 9. Enzima acţionează hidrolitic asupra compuşilor rezultaţi în urma acţiunii pepsinei şi formează polipeptide şi peptide; scindează preferenţial legăturile peptidice la care participă arginina sau lizina. Tripsina este secretată de pancreas sub formă de precursor inactiv denumit tripsinogen. Activarea tripsinogenului se face în intestin sub acţiunea autocatalitică a tripsinei precum şi a enzimei proteolitice enterokinaza secretată de mucoasa intestinală. Trecerea proenzimei la forma activă este accelerată de ionii de Ca2+ şi H+ şi constă în desprinderea de la moleculă a unui hexapeptid. Renina (chimozina) este o endopeptidază secretată de stomacul animalelor tinere, acţionează la pH=4,0 şi are proprietatea de a coagula laptele, transformând cazeina solubilă în cazeinat de calciu insolubil. Pentru mărirea activităţii sale în coagularea laptelui sunt necesari ioni de Ca2+. Cheagul format este apoi digerat de către pepsină. În felul acesta este prevenită trecerea rapidă a laptelui prin stomac şi se favorizează staţionarea proteinelor sale precipitate pentru a putea fi digerate. Preparatele de renină, comercializate sub formă de cheag sunt obţinute prin macerarea stomacului animalelor tinere şi sunt utilizate la scară industrială pentru fabricarea brânzeturilor. Chimotripsina este o proteinază secretată de pancreas sub formă de proenzimă denumită chimotripsinogen. Sub acţiunea tripsinei, chimotripsinogenul se transformă complet în proteinază activă – chimotripsina. Proteinazele secretate de pancreas rămân inactive până când ajung în curentul intestinului subţire şi vin în contact cu enzima enterokinaza. Aceasta activează tripsinogenul în tripsină, care la rândul său activează tripsinogenul şi chimotripsinogenul. Activarea zimogenului şi transformarea enzimei în forma sa activă necesită cantităţi foarte mici de activatori. Astfel, activarea chimotripsinogenului cristalin are loc în prezenţa a 0,001 mg de tripsină. Chimotripsina scindează hidrolitic proteine native şi denaturate, albumoze, peptone, acţionând asupra legăturilor peptidice 76

stabilite între un aminoacid aromatic şi unul alifatic. Produsele sale de hidroliză sunt polipeptide şi peptide. Are un pH optim de 8,0 ̶ 9,0. Papainele sunt endopeptidaze ce se găsesc în ţesuturile plantelor şi în drojdii. Acţionează asupra proteinelor native, asupra peptidelor şi polipetidelor eliberând aminoacizi. Domeniul optim de acţiune al acestor enzime este slab acid, neutru sau slab alcalin, în funcţie de natura substratului. Molecula de papaină conţine în centrul său activ trei punţi disulfidice, o grupare –SH şi un rest de histidină. Papaina, ca şi alte enzime proteolitice de origine vegetală, este activată de acidul cianhidric şi compuşii ce conţin grupări –SH, precum cisteina şi glutationul redus. În papaină există un sistem reversibil, care este alcătuit dintr-o enzimă oxidată şi o enzimă redusă (forma activă). Prin urmare, oxidarea papainei conduce la diminuarea sau inhibarea activităţii hidrolitice. În seminţele plantelor, papainele au o acţiune redusă datorită cantităţii mici de apă. La umectarea seminţelor cerealelor, leguminoaselor sau la umectarea făinurilor şi crupelor obţinute din acestea, papainele îşi amplifică activitatea şi descompun proteinele existente în mediu. Acţiunea papainelor este foarte intensă, de asemenea, în seminţele germinate, eliberându-se aminoacizii necesari dezvoltării plantei. 2. Amidazele sunt enzime care catalizează hidroliza unor legături C-N, altele decât cele peptidice. 2.1. Ureaza scindează hidrolitic legăturile amidice din uree cu producere de amoniac şi dioxid de carbon, conform reacţiei: CH4N2O + H2O → NH3 + CO2 Se găseşte în plante, mucegaiuri şi unele bacterii (urobacterii) care participă la circuitul azotului în natură. 2.2. Asparaginaza şi glutaminaza sunt enzimele care catalizează hidroliza asparaginei şi glutaminei în acid aspartic, respectiv acid glutamic şi amoniac. Aceste hidrolaze se găsesc în ţesuturile animalelor, în mucegaiuri, în drojdii, în bacterii şi plante. Zona optimă de acţiune a asparaginazei şi glutaminazei este în jur de pH=8,0. Asparaginaza şi glutaminaza au un rol important în metabolismul azotului la plante deoarece catalizează transformarea amidelor aminoacizilor dicarboxilici care se acumulează în cantităţi mari în plante şi care constituie produse intermediare de metabolism. 2.3. Arginaza este enzima care catalizează descompunerea hidrolitică a L-argininei în ornitină şi uree, conform reacţiei: L-arginină + H2O → ornitină + uree Se găseşte în ficatul mamiferelor. Arginaza face parte din sistemul enzimatic care catalizează ciclul ornitinei. Zona optimă de acţiune a enzimei este pH = 10. 2.4. Nucleozidazele sunt enzime care catalizează hidroliza legăturii C-N din nucleozide, formând o bază azotată şi o pentoză. Sunt prezente în plante, animale şi microorganisme. Acţionează la un pH de 7 ̶ 8. 3. Glicozidazele sunt enzime care catalizează scindarea hidrolitică a legăturilor glicozidice din oligo-şi poliglucide precum şi din diferite glicozide. După natura substratelor metabolizate glicozidazele se pot clasifica în: oligozidaze, care catalizează hidroliza oligoglucidelor şi glicozidelor şi poliozidaze care hidrolizează poliglucidele (amidon, celuloză, glicogen, substanţe pectice etc.). Glicozidazele prezintă specificitate în funcţie de tipul de monoză legată glicozidic (glucozidaza, galactozidaza), de natura acestei legături (α, β), de stereoizometrie (D- sau L-glicozide). 3.1. Oligozidazele posedă o specificitate redusă de grup catalizând hidroliza unui număr mare de substraturi înrudite între ele prin natura restului glicozil şi prin tipul legăturii glicozidice. Specificitatea acestor enzime este determinată de natura inelului componentei glicozil (piranozic sau furanozic), de configuraţia sterică a atomilor de hidrogen şi a grupelor OH din inel, de natura legăturii glicozidice (α sau β).

77

Maltaza sau α-glucozidaza este enzima care scindează legătura α-glicozidică din molecula de maltoză (fig. 5.45). Se găseşte în organismele animale (intestinul subţire), plante, mucegaiuri, drojdii, bacterii. Maltaza din intestin, activă la un pH=6,5, participă la digestie. Cantităţi deosebit de mari de maltază se găsesc în Fig. 5.45. Reacţia de descompunere a maltozei [8] seminţele de cereale germinate aşa cum este malţul obţinut prin germinarea orzului, utilizat la producerea mustului de bere. Maltază este prezentă şi în făina de grâu. În timpul fermentării aluatului, maltaza transformă maltoza făinii în glucoza necesară întreţinerii procesului fermentativ. Preparatele enzimatice de maltază obţinute prin biosinteză microbiologică, în combinaţie cu preparate de α-amilază, se utilizează în industria alimentară la obţinerea glucozei din amidon. Zaharaza sau β-fructofuranozidaza este enzima care scindează hidrolitic legătura β-glicozidică din molecula de zaharoză cu formare de β-fructoză şi α-glucoză (fig. 5.46). Enzima se mai numeşte şi invertază deoarece prin această hidroliză rezultă zahăr invertit.

Fig. 5.46. Reacţia de hidroliză a zaharozei [8]

Zaharaza se găseşte în plante, microorganisme şi în sucurile digestive ale animalelor. Deosebit de activă este zaharaza din drojdii, din care, de regulă, se obţin preparate enzimatice active şi stabile în timp, utilizate în industria almentară. Astfel, preparatele de invertază se utilizează la fabricarea bomboanelor de ciocolată cu miez moale. Invertaza se omogenizează în siropul de zahăr şi în timpul depozitării produselor la rece, enzima asigură hidrolizarea lentă a zaharozei, determinând formarea unei creme moale în miez. Preparatele de invertază se folosesc şi pentru obţinerea zahărului invertit destinat producerii băuturilor nealcolice, îngheţatei, lichiorurilor. Lactaza sau β-galactozidaza este enzima care catalizează hidroliza lactozei cu formare de βgalactoză şi β-glucoză (fig. 5.47).

Fig. 5.47. Reacţia de hidroliză a lactozei [8]

Lactazele sunt produse de unele plante, microorganisme şi de mucoasa intestinală a animalelor. Preparatele enzimatice de lactază, obţinute prin sinteză microbiologică se folosesc la fabricarea unor produse lactate. Hidroliza lactozei face posibilă consumarea laptelui de către persoanele cu intoleranţă la lactoză. Totodată, îngheţata fabricată cu lapte smântânit tratat cu lactază este hipocalorică şi posedă calităţi organoleptice superioare. 3.2. Poliozidazele sunt enzimele care catalizează scindarea hidrolitică a poliglucidelor. Prezintă o specificitate în raport cu tipul legăturii a cărei scindare o realizează. Printre poliozidaze, cea mai mare 78

importanţă o au amilazele – enzimele care hidrolizează amidonul şi glicogenul. Cele mai active amilaze se găsesc în salivă şi în sucul pancreatic al omului şi animalelor, în mucegaiuri, în cerealele încolţite. 4. Esterazele sunt enzime care catalizează reacţia reversibilă de scindare a legăturilor esterice cu formarea acizilor şi alcoolilor corespunzători. Reacţia generală a procesului respectiv se prezintă astfel: R1-COOR + HOH ↔ R1-COOH + R-OH În funcţie de natura chimică a acidului care participă la formarea legăturilor ester se cunosc mai multe tipuri de esteraze: lipaze, fosfolipaze, pectaze, fosfoesteraze, dezoxiribonucleaze etc. 4.1. Lipazele catalizează hidroliza gliceridelor după reacţia generală: Trigliceridă + H2O ↔ Digliceridă + Acid gras Lipazele sunt răspândite pe larg în natură. În organismul animal lipazele sunt prezente în sucul pancreatic, ficat, sânge, limfă şi în lapte. Lipaze foarte active se conţin în plantele oleaginoase (ricin, soia, floarea soarelui). O serie de mucegaiuri şi bacterii, de asemenea, reprezintă surse bogate în lipaze, fiind folosite pentru obţinerea preparatelor enzimatice. Acţiunea lipazelor are o mare importanţă pentru păstrarea alimentelor, mai ales a celor ce conţin cantităţi mari de lipide. Prin acţiunea acestor enzime, în timpul depozitării produselor alimentare se produce o descompunere rapidă a gliceridelor în acizi graşi şi glicerol, ceea ce conduce la o creştere a acidităţii şi la deprecierea calităţii produselor. 4.2. Fosfolipazele catalizează reacţia de scindare hidrolitică a acizilor graşi din glicerofosfolipide. 4.3. Pectinesterazele sau pectazele realizează hidroliza substanţelor pectice. Acţiunea specifică a pectazei se manifestă în hidroliza legăturilor esterice dintre acidul poligalacturonic şi alcoolul metilic conform reacţiei: Pectină + nH2O → Acid poligalacturonic + CH3-OH Pectinesterazele se găsesc în rădăcinile, frunzele, fructele plantelor, precum şi în bacterii, mucegaiuri, drojdii. Aceste enzime sunt folosite în industria sucurilor, conservelor, vinurilor. 4.4. Fosfoesterazele catalizează scindarea hidrolitică a esterilor acidului fosforic cu formare de alcool. Aceste enzime sunt deosebit de importante, deoarece substratul lor participă la metabolismul intermediar al glucidelor, lipidelor, nucleotidelor. Clasificarea fosfoesterazelor are drept criteriu substratul asupra cărora acţionează. Glucozo-6-fosfataza este enzima specifică de scindare Fig. 5.48. Reacţia catalizată de enzima glucozo-6-fosfataza [8] a esterului glucozo-6-fosfat (fig. 5.48). 4.5. Dezoxiribonucleazele catalizează scindarea hidrolitică a ADN-ului cu formare de dezoxiribonucleotide. 5. Polifosfatazele sunt enzime care catalizează scindarea radicalilor fosfat şi au un rol important în schimburile energetice ale celulei. Enzimele din această subclasă sunt deosebit de importante datorită substraturilor asupra cărora acţionează: ATP, ADP, NAD+, FAD. 5.1. ATP-aza sau ATP-fosfohidrolaza catalizează scindarea hidrolitică a legăturii fosfat terminale din molecula de ATP. ATP + H2O →ADP + Pi* *

Pi ̶ ortofosfat anorganic

5.2. ATP-difosfohidrolaza catalizează eliberarea a două molecule de acid fosforic din ATP. ATP + H2O →AMP + PPi PPi ̶ pirofosfat anorganic

*

79

5.6.4. Clasa liazelor Liazele catalizează reacţiile de descompunere nehidrolitică a compuşilor organici prin scindarea legăturilor chimice C-C, C-N, C-O etc. În cadrul acestor reacţii se elimină molecule de CO2, H2O, NH3 etc. şi se formează frecvent legături duble. Unele dintre aceste reacţii sunt reversibile. 1. Carbon-oxigenliazele (C-O-liazele) catalizează reacţia de scindare a legăturii C−O cu formarea unor compuşi nesaturaţi. În această categorie sunt incluse hidroliazele care accelerează reacţia de hidratare şi deshidratare a compuşilor organici. Fumarathidrataza sau fumaraza catalizează transformarea acidului fumaric în acid L-malic prin adiţie de H2O la legătura dublă (fig. 5.49). Fumaraza este o enzimă foarte răspândită în ţesuturile animale, ale plantelor şi microorganismelor; face parte din sistemul enzimatic implicat în ciclul Krebs. Fig. 5.49. Reacţia catalizată de enzima fumaraza [8] 2. Carbon-carbon liazele (C-C-liazele) reprezintă una din cele mai importante subclase de liaze. Decarboxilazele catalizează reacţiile de decarboxilare a α-cetoacizilor. Se cunosc şi decarboxilaze care au drept substrat aminoacizi pe care-i transformă în amine corespunzătoare. Decarboxilazele sunt enzime a căror grupare prostetică este reprezentată de esterii fosforici ai vitaminelor hidrosolubile: tiaminpirofosfatul (TPP) pentru decarboxilazele α-cetoacizilor şi piridoxalfosfatul (pirid-CHO) pentru cele ale aminoacizilor. 3. Carbon-azot liazele (C-N-liazele) catalizează reacţia de scindare a legăturii C−N. Un reprezentant al acestei grupe este aspartaza ce transformă acidul aspartic în acid fumaric şi amoniac (fig. 5.50).

Fig. 5.50. Reacţia catalizată de enzima aspartaza [8]

Fig. 5.51. Reacţia cisteinsulfhidraza [8]

catalizată

de

enzima

În urma reacţiei, aminoacizii se transformă în acizi nesaturaţi datorită dezaminării. Această enzimă este caracteristică pentru bacterii şi plante. 4. Carbon-sulf liazele (C-S-liazele) catalizează scindarea legăturii C−S. Astfel, enzima cisteindesulfhidraza degradează aminoacidul cisteina în acid piruvic, NH3 şi H2S (fig. 5.51).

5.6.5. Clasa izomerazelor Izomerazele catalizează transformarea intramoleculară a unui compus dintr-o formă izomeră în altă formă izomeră. Aceste transformări constau din transferul intramolecular al hidrogenului, grupelor fosfat sau acil, în modificarea distribuţiei spaţiale a atomilor unor grupări, în deplasarea dublelor legături etc. Clasa izomerazelor include enzime care se împart în mai multe subclase.

80

1. Racemazele şi epimerazele catalizează reacţii de racemizare şi epimerizare ale aminoacizilor, hidroxiacizilor, glucidelor şi a altor compuşi. Reacţia generală de racemizare se prezintă astfel: L-aminoacid ↔ D-aminoacid; L-lactat ↔ D-lactat Astfel, enzima alanin-racemaza transformă reversibil L-alanina în D-alanină, iar enzima lactatracemaza catalizează transformarea D-lactatului în L-lactat (fig. 5.52).

Fig. 5.52. Reacţia de racemizare a acidului lactic [8]

Fig. 5.53. Reacţia catalizată de enzima UDP-glucozo-4epimeraza [8]

Reacţiile catalizate de racemaze au o importanţă deosebită pentru că permit transformarea formelor D în forme L ale unor molecule, iar organismul utilizează numai forma L. De asemenea, prin aceste reacţii unele microorganisme pot metaboliza ambele forme ale unor compuşi. Epimerazele catalizează reacţii de epimerizare acţionând asupra glucidelor şi derivaţilor lor. Astfel, enzima UDP-glucozo-4-epimeraza transformă reversibil UDP-glucoza în UDP-galactoză (fig. 5.53). 2. Oxidoreductazele intramoleculare catalizează intertransformarea aldozelor şi cetozelor. 2.1. Glucozoizomeraza catalizează transformarea reversibilă a glucozo-6-fosfatului în fructozo6-fosfat (fig. 5.54), reacţie în cadrul procesului de glicoliză.

Fig. 5.54. Reacţia catalizată de enzima glucozoizomeraza [8]

Fig. 5.55. Reacţia triozofosfatizomeraza [8]

catalizată

de

enzima

Glucozoizomeraza produsă de către microorganisme este utilizată pentru izomerizarea industrială a siropurilor de glucoză. Prin această izomerizare enzimatică se obţin siropuri cu o putere de îndulcire mai mare decât siropurile de glucoză. Totodată, izosiropul se foloseşte şi pentru obţinerea produselor dietetice, deoarece fructoza este mai bine tolerată de diabetici. 2.2. Triozofosfatizomeraza catalizează intertransformarea unor produse intermediare ale glicolizei, respectiv a aldehidei 3-fosfoglicerice şi a fosfodioxiacetonei (fig. 5.55). 3. Izomerazele cis-trans. Din această subclasă face parte enzima maleatizomeraza care catalizează reacţia de transformare reversibilă a acidului maleic în acid fumaric (fig. 5.56).

Fig. 5.56. Reacţia catalizată de enzima maleatizomeraza [8]

81

Fig. 5.57. Reacţia fosfoglucomutaza [8]

catalizată

de

enzima

4. Transferazele intramoleculare sau mutazele catalizează transferul unor grupări chimice în diferite poziţii ale moleculei de substrat. Fosfoglucomutaza transportă gruparea fosfat de la carbonul 1 la carbonul 6 din molecula de glucozo-1-fosfat (fig. 5.57).

5.6.6. Clasa ligazelor Ligazele sau sintetazele catalizează sinteza compuşilor organici din substanţe activate prin descompunerea ATP. Ele conduc la formarea de legături noi C‒C, C‒N, C‒O, C‒S. Ligazele participă la sinteza proteinelor (formarea legăturii peptidice), glucidelor (formarea legăturii glicozidice) şi a lipidelor (formarea legăturii esterice) pe seama energiei eliberate prin transformarea ATP în ADP sau AMP. 1. Amidligazele catalizează formarea legăturilor C‒N. De exemplu, glutaminsintetaza determină sinteza glutaminei din acid glutamic şi amoniac. Acid glutamic + NH3 + ATP → Glutamină + ADP + Pi 2. Aminoacid tARN-ligazele catalizează activarea aminoacizilor proteinogeni din citoplasmă. Sub acţiunea ligazelor se formează un complex al aminoacizilor cu tARN. Aminoacid + ATP + tARN → aminoacil-tARN + AMP + PPi Astfel, aminoacizii proteici sunt transferaţi la ribozomi, pe matriţa ARNm, unde participă la biosinteza proteinelor. 3. Carboxilazele sunt enzime care catalizează legarea dioxidului de carbon la diferiţi acizi organici, folosind energia eliberată prin descompunerea moleculei de ATP. Astfel, piruvatcarboxilaza catalizează reacţia de sinteză a acidului oxaloacetic din acid Fig. 5.58. Reacţia catalizată de enzima piruvatcarboxilaza [8] piruvic (fig. 5.58). TESTE DE EVALUARE 1. Completaţi spaţiile libere din text. 1.1. Vitamina B5 este cofactor al enzimelor............................ 1.2. După modul de legare la apoenzimă cofactorii se clasifică în: a).........................; b)....................... 1.3. Enzima polifenoloxidaza se conţine în cantităţi mari în............... 1.4. Enzima glucoizomeraza se utilizează în industria alimentară pentru.................................................. 1.5. Ureaza scindează..........................................cu producere de ..................................................... 2. Alegeţi răspunsul corect din două variante alternative: Da / Nu. 2.1. Enzimele s-au extras pentru prima dată din hepatocite. 2.2. Insulina este o proteină cu structură cuaternară. 2.3. La producerea berii pentru scindarea poliglucidelor în malţ se folosesc enzimele amilaze. 2.4. Enzima catalaza este folosită la pasterizarea laptelui. 2.5. La fabricarea caşcavalului pentru hidroliza proteinelor se folosesc enzimele renine. 82

3. Alegeţi varianta sau variantele de răspuns corecte. 3.1. Termenul de enzimă a fost introdus de către: a) Charles Darwin; b) Gregor Mendel; c) Wilhelm Kuhne; d) Luis Pasteur; e) Eduard Buchner. 3.2. Proprietăţile enzimelor: а) simple; b) compuse; c) se modifică în reacţii chimice; d) specifice; e) universale. 3.3. Proprietăţile cofactorilor: a) compuşi macromoleculari; b) participă la cataliză; c) stabilizează apoenzima; d) determină specificitatea de substrat; e) determină tipul şi viteza reacţiei catalizate. 3.4. Centrul activ al enzimei: a) realizează nemijlocit cataliza; b) localizat în partea externă a moleculei proteice; c) include cofactorul enzimei; d) este complementar substratului; e) este alcătuit din radicali ai aminoacizilor. 3.5. Proteaza ̶ enzimă din clasa: a) oxidoreductaze; b) transferaze; c) hidrolaze; d) liaze; e) izomeraze. 4. Asociaţi. Clasificarea enzimelor Clasa enzimelor Tipul reacţiei A. Oxidoreductaze 1. Descompunerea hidrolitică a legăturilor chimice B. Transferaze 2. Descompunerea nehidrolitică a legăturilor chimice C. Hidrolaze 3. Transferul unor atomi de pe un substrat pe altul D. Liaze 4. Reacţii de izomerizare E. Izomeraze 5. Formarea unor legături chimice noi F. Ligaze 6. Reacţii de oxido-reducere 5. Selectaţi termenul care nu se încadrează în grupul tematic prezentat şi explicaţi de ce l-aţi separat. 5.1. NAD+; NADP+; ATP; CTP; FMN. 5.2. FAD; hem; TPP; acid lipoic; piridoxalfosfat. 5.3. Glucoxidază; xantinoxidază; alcool dehidrogenaza; ascorbatoxidază; catalază. 6. Completaţi tabelul. Enzime / Catalizatori chimici Asemănări Deosebiri 1. 1. 2. 2. 3. 3. 4. 4. 7. Scrieţi un referat la tema. 7.1. Organizarea structurală şi mecanismul de acţiune a enzimelor. 7.2. Proprietăţile fizico-chimice ale enzimelor. 7.3. Reglarea activităţii enzimatice. 7.4. Preparate enzimatice. A. Materii prime B. Extracţia enzimelor. 7.5. Nomenclatura şi clasificarea enzimelor.

83

GLOSAR Albinism – maladie ereditară caracterizată de absenţa parţială sau totală a pigmentului melanina, în ochii, pielea şi părul animalelor. Ciclul Krebs – cale universală de descompunere a substratului respirator în mitocondriile celulare în prezenţa oxigenului. Ciclul ornitinic (ciclul ureei) – cale de eliminare a amoniacului, rezultat din catabolismul proteinelor şi al purinelor, sub formă de uree. Citocromi – enzime care catalizează reacţiile de oxidoreducere prin transfer de electroni de pe un donor pe un acceptor. Genă structurală – genă care codifică o proteină de structură, o enzimă sau o moleculă de ARN. Gluconeogeneză – proces de sinteză a glucidelor din compuşi de natură neglucidică. Fosfoenolpiruvat – eter al acidului fosforic şi al formei enolice a acidului piruvic. Piruvatkinaza – enzimă care catalizează penultima reacţie chimică a glicolizei transferul unui rest de acid fosforic de la fosfoenolpiruvat la ADF cu formarea de ATP şi acid piruvic. Melanină – pigment natural de culoare întunecată care se sintetizează la animalele vertebrate în celule specializate melanocite. Metaloid – element chimic lipsit de luciu metalic și de ductilitate, rău conducător de căldură și de electricitate. Operator – element genetic al operonului la procariote care interacţionează cu proteine reglatoare. Operon – unitate funcţională a genomului la procariote alcătuită din gene structurale şi elemente genetice reglatoare. Promotor – element genetic reglator cu care interacţionează enzima ARN-polimeraza şi iniţiază procesul de transcripţie. Reacţia Maillard – reacţie chimică dintre aminoacizi şi zaharuri reducătoare care conferă produselor brunificate o aromă plăcută. S-adenozil metionină – coenzimă alcătuită din ATP şi metionină care participă la reacţii de transfer al grupărilor metil. Transcripţie – proces de transcriere a informaţiei ereditare de pe catena matrice de ADN 3' – 5'. Translaţie – proces de biosinteză a proteinelor pe o catenă matrice de ARNm asociată cu ribozomii, în conformitate cu codul genetic.

84

BIBLIOGRAFIE 1. Koolman, J., Roehm, K. Color Atlas of Biochemistry. Second edition, revised and enlarged, Stuttgart, New-York, 2005.-476 p. 2. Nelson, D., Cox, M. Lehninger Principles of Biochemistry. Publisher: W. Freeman; 4th edition, April 23, 2004.-1110 p. 3. Oprică, L. Biochimia produselor alimentare. – Iaşi: Tehnopresss, 2011.-384 p. 4. Vrabie T., Musteaţă G. Biochimie. − Chişinău: U.T.M., 2006.- 234 p. 5. Мусил, Я., Новакова, О., К. Кунц. Современная биохимия в схемах. − Москва, 1981.- 215 с. 6. Титова, Н., Савченко, А., Замай, Т. Боровкова, Г., Субботина, Т., Инжеваткин, Е. Биохимия и молекулярная биология: конспект лекций. – Россия, Красноярск, 2008. 7. http: Albinism //en.wikipedia.org/wiki/Albinism 8. http: Biochimia produselor alimentare //ro.scribd.com/doc/123372667/Biochimia-ProduselorAlimentare-SCRIBD-3 9. http: Catalase //en.wikipedia.org/wiki/Catalase 10. http: E220//en.wikipedia.org/wiki/E220 11. http: Enzyme //en.wikipedia.org/wiki/Enzyme 12. http: Glycosyltransferase //en.wikipedia.org/wiki/Glycosyltransferase 13. http: Lipoxygenase //en.wikipedia.org/wiki/Lipoxygenase 14. http: Maillard reaction //en.wikipedia.org/wiki/Maillard_reaction 15. http: Methyltransferase //en.wikipedia.org/wiki/Methyltransferase 16. http: Peroxidase //en.wikipedia.org/wiki/Peroxidase 17. http: Polyphenol oxidase //en.wikipedia.org/wiki/Polyphenol_oxidase 18. http: Protease //en.wikipedia.org/wiki/Protease 19. http: Ribozyme //en.wikipedia.org/wiki/Ribozyme 20. http: S-Adenosyl methionine //en.wikipedia.org/wiki/S-Adenosyl_methionine 21. http: The Nobel Prizes // www.nobelprize.org / nobel_prizes/ 22. http: Transaminase //en.wikipedia.org/wiki/Transaminase 23. http: Tyrosinase //en.wikipedia.org/wiki/Tyrosinase 24. http: Каталаза //www.xumuk.ru/encyklopedia/1912.html. 25. http: Пепсин //ru.wikipedia.org/wiki/ Пепсин 26. http: Экзопептидазы//ru.wikipedia.org/wiki/ Экзопептидазы

85

CAPITOLUL 6. GLUCIDELE 6.1. Aspecte generale 6.2. Monoglucidele 6.3. Oligoglucidele 6.4. Poliglucidele 6.5. Rolul biologic al glucidelor 6.1. ASPECTE GENERALE Glucidele, cunoscute şi sub numele de hidraţi de carbon (carbohidraţi), sunt compuşi organici ce conţin în molecula lor o grupă carbonilică (aldehidică sau cetonică) şi câteva grupe hidroxilice (alcoolice) [8]. Sub aspectul compoziţiei, cu excepţia unor derivaţi azotaţi, glucidele sunt substanţe formate din atomi de carbon, hidrogen şi oxigen. Carbohidraţii, împreună cu proteinele şi lipidele reprezintă constituienţii de bază ai materiei vii. Glucidele se găsesc în celule sub formă liberă (pentoze, hexoze) şi sub formă de combinaţii (glicozide, glicoproteine, glicolipide). Glucidele formează cea mai mare parte a substanţei organice de pe pământ. Sub aspect cantitativ predomină în regnul vegetal. În celula vegetală conţinutul de glucide variază într-un diapazon de 85 ̶ 90%, iar în celula animală ̶ 1 ̶ 5% [5]. Plantele sintetizează glucidele din compuşi anorganici şi organici. Biosinteza lor din compuşi anorganici se realizează prin fotosinteză. Astfel, producţia totală de substanţă organică, sintetizată de către vegetaţia planetei, calculată în glucoză, atinge aproximativ 4,5 × 1011 tone pe an [1]. Biosinteza glucidelor din compuşi anorganici se poate realiza, în cantităţi mici, şi prin chemosinteză. Animalele nu pot sintetiza glucide din substanţe anorganice, ci numai din cele organice. Pe lângă importanţa lor ca substanţe de constituţie şi de rezervă ale organismelor vii, glucidele se utilizează pe larg în industria alimentară în calitate de îndulcitori, agenţi de îngroşare, stabilizatori şi sunt precursori pentru aromă şi culoare, în special în procesul de prelucrare termică. Cea mai veche nomenclatură a glucidelor a fost cea de hidraţi de carbon propusă de chimistul german Carl Schmidt în 1844 [3]. Această nomenclatură s-a adoptat datorită faptului că între atomii de hidrogen şi oxigen din molecula glucidelor există, în general, un raport de 2/1, ca în molecula apei. Majoritatea glucidelor corespund formulei generale Cm(H2O)n. În trecut se considera că glucidele sunt compuşi proveniţi din combinarea carbonului cu apa, deci ar fi hidraţi de carbon. Această nomenclatură este improprie glucidelor deoarece hidrogenul şi oxigenul nu se leagă sub formă de molecule de apă de atomul de carbon. Din punct de vedere structural, glucidele nu sunt hidraţi de carbon, ci substanţe polihidroxicarbonilice (polihidroxil aldehide) şi (polihidroxil cetone) [8; 11]. Pe lângă aceasta există substanţe care corespund formulei Cm(H2O)n însă nu sunt glucide, spre exemplu aldehida formică CH2O, acidul acetic C2(H2O)2, acidul lactic C3(H2O)3. Se cunosc de asemenea unele glucide precum metilpentozele (C6H12O5), dezoxiriboza (C5H10O4) care nu se încadrează în formula generală. O altă nomenclatură atribuită acestei clase de compuşi este cea actuală, de glucide. Această nomenclatură este folosită datorită gustului dulce al multor glucide. Ea provine de la cuvântul grecesc glikis, care înseamnă dulce. Nici această denumire nu este riguros ştiinţifică deoarece sunt substanţe dulci ce nu sunt glucide (zaharina, glicocolul, glicerolul etc.) şi există glucide, în special cele superioare, care nu au gust dulce (celuloza, amidonul etc.). Cu toate acestea, denumirea de glucide s-a adoptat ca denumire oficială [3]. După reacţia de hidroliză glucidele se împart în două grupe: monoglucide (glucide simple) şi poliglucide (glucide complexe). Monoglucidele sunt substanţe monomoleculare, care nu hidrolizează cu apa. Poliglucidele sunt substanţe formate prin unirea mai multor molecule de monoglucide, prin eliminare de apă. Aceşti compuşi hidrolizează, transformându-se în substanţele din care s-au format. După structura moleculară poliglucidele se clasifică de asemenea în două grupe: oligoglucide sau poliglucide de ordinul I şi poliglucide de ordinul II [7]. Oligoglucidele sunt substanţe complexe 86

solubile în apă, au un gust dulce şi conţin 2 ̶ 10 resturi de monoglucide. Poliglucidele de ordinul II sunt substanţe complexe, macromoleculare care conţin mai mult de 10 resturi de monoglucide, sunt insolubile în apă şi nu au un gust dulce. 6.2. MONOGLUCIDELE Monoglucidele sunt substanţe care conţin în molecula lor o grupă carbonilică şi una sau mai multe grupe hidroxilice. Ele sunt substanţe răspândite pe larg în natură, fiind prezente în sucul celular al tuturor organismelor vii. La plante monoglucidele se găsesc în cantitate mare în fructe, seminţe în stare de germinaţie, muguri etc., iar la animale ̶ în sânge şi limfă. Monoglucidele au un rol biochimic important în procesul de respiraţie, ca principalele substanţe furnizoare de energie. Ele constituie de asemenea unităţile structurale de bază (monomeri) din care se formează oligoglucidele, poliglucidele şi numeroase alte substanţe complexe ce conţin în molecula lor glucide (acizi nucleici, glicolipide, glicoproteine etc.). Monoglucidele de asemenea joacă un rol important în industria alimentară, reprezintă substraturi importante în prelucrarea materiei prime vegetale, a produselor alimentare şi în fermentaţii. Nomenclatura uzuală a monoglucidelor se formează cu ajutorul sufixului oză, care se adaogă la rădăcina cuvântului ce desemnează monoglucida respectivă, spre exemplu, glucoză, fructoză, galactoză etc. Cetozele au sufixul uloză (ribuloză, xiluloză) cu excepţia fructozei. Clasificarea monoglucidelor se face după două criterii principale: a) după tipul grupei carbonilice monoglucidele se împart în aldoze (fig. 6.1), cele care conţin gruparea aldehidică ̶ (H)C=O şi în cetoze (fig. 6.2), cele care au în moleculă gruparea cetonică >C=O;

Fig. 6.1. Formulele monoglucidelor aciclice cu grupa aldehidică [4]

b) după numărul atomilor de carbon din moleculă, monoglucidele pot fi: trioze (C3H6O3), tetroze (C4H8O4), pentoze (C5H10O5), hexoze (C6H12O6), heptoze (C7H14O7) (fig. 6.1, fig. 6.2).

87

Fig. 6.2. Formulele monoglucidelor aciclice cu grupa cetonică [4]

Cele mai răspândite monoglucide sunt pentozele şi hexozele. Triozele, tetrozele, heptozele, octozele şi nonozele se găsesc în cantităţi foarte mici în organisme. Ele apar ca produse intermediare în diferite procese biochimice de importanţă vitală (fotosinteză, degradarea anaerobă şi aerobă a glucidelor etc.). Monoglucide naturale cu o catenă carbonică alcătuită din mai mult de 9 atomi de carbon n-au fost descoperite [43].

Izomeria monoglucidelor Monoglucidele sunt compuşi care formează mai multe tipuri de izomeri. Izomerii sunt substanţe care au aceeaşi compoziţie, aceeaşi formulă moleculară, dar au proprietăţi fizice şi chimice diferite, determinate de structura moleculară diferită. În cadrul monoglucidelor care conţin în moleculă cel puţin patru atomi de carbon se disting cinci tipuri de izomeri. A. Izomeri datorită grupării carbonilice ̶ C=O. Începând de la trioze, în cadrul aceleiaşi grupe de monoglucide se întâlnesc aldoze şi cetoze, care se deosebesc unele de altele prin grupa carbonilică (fig. 6.3). În cazul triozelor se menţionează aldehida D-Aldehidă glicerică Dihidroxiacetonă Fig. 6.3. Izomeria de poziţie a grupării carbonilice [45] glicerică şi dihidroxiacetona, în cazul hexozelor ̶ glucoza şi fructoza.

88

B. Izomeri datorită poziţiei grupării hidroxilice secundare din catena carbonică a monoglucidelor. Acest tip de izomeri mai poartă denumirea de stereoizomeri. Toate monoglucidele, cu excepţia aldehidei glicolice şi dihidroxiacetonei, conţin în moleculă atomi de carbon asimetrici. Triozele au un atom de carbon asimetric, tetrozele ̶ doi, pentozele ̶ trei, hexozele ̶ patru etc. Grupele D-Aldehidă glicerică L-Aldehidă glicerică hidroxilice de la carbonii secundari se pot afla de partea dreaptă sau de partea stângă a catenei carbonice. Fig. 6.4. Stereoizomerii aldehidei glicerice [45] În cazul aldehidei glicerice, care are un singur atom de carbon asimetric, cei doi stereoizomeri au următoarea structură moleculară (fig. 6.4). După propunerea chimistului german Hermann Fisher, atunci când grupa hidroxilică de la atomul de carbon secundar al aldehidei glicerice se găseşte de partea dreaptă a catenei carbonice se obţine forma dextrogiră (D), iar când gruparea hidroxilică este de partea stângă se obţine forma levogiră (L). Dacă grupa hidroxilică este situată în dreapta faţă de primul atom de C (lângă grupa alcoolică CH2OH), atunci monoglucida face parte din configuraţia (D), dacă grupa hidroxilică este situată la stânga faţă de primul atom de C, atunci monoglucida se referă la configuraţia (L).În cazul monoglucidelor care au mai mulţi atomi de carbon asimetrici, forma structurală dextrogiră (D) şi levogiră (L) se determină după poziţia penultimei grupe hidroxilice din moleculă. Penultima grupă hidroxilică este legată de atomul de carbon D-Glucoză L-Glucoză Fig. 6.5. Stereoizomerii glucozei [24] secundar asimetric cel mai apropiat de gruparea alcoolică CH2OH. Dacă monoglucidele au penultima grupă hidroxilică la dreapta catenei carbonice ele aparţin seriei D, iar dacă grupa hidroxilică menţionată se situează la stânga, monoglucidele aparţin seriei L (fig. 6.5). C. Izomeri datorită activităţii optice. Monoglucidele având în moleculă atomi de carbon asimetrici posedă activitate optică. Ele rotesc planul luminii polarizate spre dreapta sau spre stânga. Monoglucidele care în soluţiile apoase rotesc planul luminii polarizate spre dreapta sunt optic dextrogire şi se notează cu (+), iar cele care rotesc unghiul de polarizare spre stânga sunt optic levogire şi se notează ( ̶ ). Cea mai simplă aldoză ̶ aldehida glicerică conţine un atom de carbon asimetric (chiralic) şi are doi izomeri optici (fig. 6.6). Izomerii optic dextrogiri şi levogiri nu sunt Fig. 6.6. Izomeri optici ai aldehidei glicerice [4] dependenţi de izomerii structurali care aparţin configuraţiei D (dextrogiri) şi L (levogiri). Pentru a reda atât forma structurală, cât şi cea optică, se utilizează atât literele D şi L, cât şi semnele (+) şi ( ̶ ). De exemplu, fructoza este structural dextrogiră (aparţine seriei D) şi optic levogiră ([α]20D= ̶ 93°), iar Dglucoza este atât structural, cât şi optic dextrogiră ([α]20D= +52,5°, fig. 6.7). Majoritatea monoglucidelor care aparţin structural seriei D sunt şi optic (funcţional) dextrogire. Substanţele optic dextrogire se pot prezenta şi într-o formă optic levogiră. Asemenea perechi de izomeri dextrogiri şi levogiri se numesc enantiomeri. Amestecul, în părţi egale, din enantiomerul dextrogir şi cel levogir al D (+) Glucoză D ( ̶ ) Fructoză Fig. 6.7. Glucoza şi fructoza ̶ izomeri structurali aceleiaşi substanţe este optic inactiv, se numeşte amestec şi optici [27] racemic (racemat) şi se notează cu semnul (±).

89

D. Izomeri datorită structurii moleculare. Monoglucidele care au mai mult de patru atomi de carbon în moleculă prezintă două structuri moleculare: aciclică (liniară) sau ciclică (semiacetalică). Monoglucidele cu structură moleculară aciclică se întâlnesc rar în natură. Ele au grupa carbonilică liberă şi sunt caracteristice triozelor şi tetrozelor. Începând de la pentoze predomină formele structurale ciclice. Ciclul format din 4 atomi de carbon şi unul de oxigen se numeşte ciclu furanic (fig. 6.8), iar molecula de glucoză cu ciclul furanic ̶ glucofuranoză (fig. 6.9). Ciclul format din 5 atomi de carbon şi unul de oxigen se numeşte ciclu piranic (fig. 6.8), iar molecula de glucoză care conţine ciclul piranic ̶ glucopiranoză (fig. 6.9).

Fig. 6.8. Heterocicluri cu 5 şi 6 atomi de carbon [4]

Fig. 6.9. Izomeri ciclici ai D-glucozei [24]

Formele furanozice sunt în general mai reactive, se găsesc în stare liberă în cantităţi mai mici. Ele participă la formarea unor compuşi stabili ca oligoglucide, poliglucide, nucleotide etc. Formele piranozice sunt mai stabile, se găsesc în cantităţi mai mari în stare liberă, formează oligoglucide, poliglucide, intervin în numeroase procese biochimice. E. Izomeri datorită hidroxilului semiacetalic. După poziţia hidroxilului semiacetalic din molecula monoglucidelor ciclice, se cunosc doi stereoizomeri α şi β, care se găsesc de obicei în soluţie în echilibru. La α-glucoză grupele hidroxil de la atomii de carbon 1 şi 4 se află de aceeaşi parte a planului ciclului hexagonal, iar la βglucoza cei doi hidroxili se află de părţi Fig. 6.10. Anomerii α şi β ai D-glucozei [4] diferite ale planului (fig. 6.10). α-D-Glucopiranoza este forma mai răspândită şi diferă de β-D-piranoză prin solubilitate, punct de topire, rotirea luminii polarizate.

Proprietăţile fizico-chimice ale monoglucidelor Monoglucidele sunt substanţe cristaline, incolore, fără miros, bine solubile în apă datorită prezenţei în molecula lor a grupelor OH, greu solubile în alcool etilic şi insolubile în solvenţii organici. Soluţiile monoglucidelor sunt incolore şi prezintă activitate optică. Majoritatea monoglucidelor au gust dulce; cea mai dulce monoglucidă este fructoza, după care urmează glucoza, galactoza, manoza. Soluţiile concentrate ale monoglucidelor sunt siropoase. Cristalizarea monoglucidelor din aceste soluţii se realizează prin adăugare de alcool etilic, acid acetic şi alţi solvenţi, în care glucidele sunt puţin solubile. Sub acţiunea H2SO4 şi HCl concentrat, monoglucidele se deshidratează, iar prin încălzire monoglucidele se topesc şi se caramelizează. Proprietăţile chimice ale monoglucidelor sunt determinate de grupele funcţionale din componenţa lor (carbonilice, hidroxilice, semiacetalice). Monoglucidele pot fi transformate prin reacţii de reducere şi oxidare, mutarotaţie, esterificare, eterificare, epimerizare [2]

90

1. Proprietăţile chimice determinate de grupa carbonilică. 1.1. Reacţii de reducere. Prin hidrogenarea monoglucidelor la nivelul grupării carbonilice, în prezenţa de catalizatori (Pb, Ni etc.) sau cu amalgam de sodiu se obţin polialcooli. Astfel din tetroze se obţin tetroli, din pentoze ̶ pentoli, din hexoze ̶ hexoli etc. Din D-glucoză prin reducere cu hidrogen în prezenţa amalgamului de sodiu se obţine D-sorbitol (fig. 6.11).

Fig. 6.11. Reacţia de reducere a D-glucozei [39]

Fig. 6.12. Reacţia de reducere a D-fructozei [39]

În mod similar D-fructoza în funcţie de condiţiile de reacţie formează prin reducere doi alcooli glucidici (hexoli): D-sorbitol şi D-manitol (fig. 6.12). D-Sorbitolul împreună cu izomerul său D-manitol se folosesc în industria alimentară ca îndulcitori. Sunt răspândiţi, în special, în fructe (prune, piersici, mere, pere, vişine, caise etc.). Polialcoolii se metabolizează uşor în organismul uman. Bunăoară, sorbitolul nu influenţează nivelul glucozei în sânge şi este întrebuinţat la fabricarea alimentelor pentru diabetici. Din punct de vedere tehnologic, există o serie de caracteristici care fac din sorbitol o substanţă auxiliară importantă în industria alimentară, în special în produsele de cofetărie [5]:  fixează foarte bine apa; prezenţa sorbitolului limitează evaporarea apei în mediile cu o consistenţă de miere;  rezistă la încălzire (la temperaturi de până la 70°C);  prezintă un efect de inhibare a cristalizării zaharozei şi glucozei; cristalele formate rămân mici în gură;  au efect de îndulcire scăzut (aproximativ la jumătate faţă de zaharoză);  au viscozitate relativ scăzută a siropurilor. Sorbitolul utilizat în industria alimentară nu este un produs de extracţie, ci se obţine prin hidrogenarea glucozei (fig. 6.12). În general sorbitolul este folosit sub forma unui sirop concentrat (70%), care corespunde unui maxim de solubilitate în apă la 20°C. Metabolismul manitolului diferă puţin de cel al sorbitolului. După difuziune la nivelul peretelui intestinal, manitolul este oxidat în fructoză sub acţiunea enzimei manitoldehidrogenaza. 1.2. Reacţii de oxidare. Produsele de oxidare care se obţin din glucide depind de natura oxidantului şi a mediului de reacţie. În mediu acid sau neutru, în funcţie de natura oxidantului, oxidarea monoglucidelor poate fi blândă, energică sau protejată. Oxidarea blândă la aldoze se realizează la nivelul grupării carbonilice (la C1), care se transformă în grupare carboxilică, rezultând hidroxiacizi numiţi acizi aldonici. Acest tip de oxidare se realizează cu oxidanţi slabi cum sunt oxidul de argint, apa de brom, hipocloriţi, ioni de fier (Fe3+), ioni de cupru (Cu2+) etc. Bunăoară, din D-glucoză se obţine acidul D-gluconic (fig. 6.13). Proprietatea glucozei şi a altor monoglucide de a reduce ioni de fier (Fe3+) sau ioni de cupru (Cu2+) stă la baza reacţiei Fehling, un test calitativ al glucidelor reducătoare în soluţie. Fig. 6.13. Reacţia de oxidare a D-glucozei [3]

91

Se poate estima conţinutul de glucide prin determinarea cantităţii de agent de oxidare redus în soluţie. Această metodă a fost utilizată, un timp îndelungat, la determinarea conţinutului de glucoză în sânge şi urină la persoanele cu diabet zaharat. În prezent concentraţia de glucoză în sânge este determinată prin măsurarea cantităţii de peroxid de hidrogen (H2O2) produsă în reacţia de oxidare a glucozei catalizată de enzima glucozoxidază [4]. D-Glucoză + O2 → D-Glucono-δ-lactonă + H2O2 Oxidarea energică a monoglucidelor se produce cu ajutorul unor oxidanţi puternici (acid azotic concentrat) şi determină apariţia unor hidroxiacizi bibazici (zaharici). La aldoze oxidarea se produce la grupa carbonilică şi la grupa hidroxilică primară (la C1 şi C6). Din glucoză prin oxidare energică se va obţine acidul glucozaharic, din manoză acidul monozaharic, din galactoză acidul galactozaharic, numit şi acid mucic. Cetozele, în condiţii de oxidare energică se transformă în produse de oxidare cu un număr mai mic de atomi de carbon. Din fructoză se obţine acidul oxalic şi acidul tartric. Oxidarea protejată. Prin protejarea grupării carbonilice a monoglucidelor (prin reacţii de condensare sau esterificare a hidroxilului semiacetalic) se poate realiza oxidarea grupei hidroxilice primare de la C6, obţinându-se monoacizi numiţi acizi uronici. Aceşti acizi conţin atât o grupare carbonilică la C1 sau C2 (cetoze) cât şi o grupare carboxilică la C6. Spre exemplu, în rezultatul oxidării β-D-glucozei se formează β-D-acid glucuronic. 1.3. Reacţii de adiţie şi condensare. Monoglucidele reacţionează la nivelul grupelor carbonilice cu acidul cianhidric, hidroxilamina, ureea, mercaptanii, hidrocarburile aromatice etc., dând produse de condensare. Prin reacţia monoglucidelor cu acidul Fig. 6.14 A. Reacţia glucozei cu HCN [3] cianhidric, se formează cianhidrine (fig. 6.14 A). 1.4. Reacţia de mutarotaţie. Prin intermediul formei carbonilice se poate realiza trecerea izomerilor α ai monoglucidelor în izomeri β (fig. 6.14 B). Transformarea unui izomer α în izomer β poartă numele de anomerie, iar izomerii se numesc anomeri. În timpul transformării reciproce a anomerilor α şi β se produce o modificare a valorii unghiului de rotaţie, până la stabilirea unui echilibru. Fenomenul de mutarotaţie se întâlneşte la toate monoglucidele care au cel puţin cinci atomi de carbon în moleculă, la derivaţii lor, precum şi la oligoglucidele care au hidroxilul semiacetalic liber.

92

Fig. 6.14 B. Proprietăţile chimice ale monoglucidelor [2]

2. Proprietăţile chimice determinate de grupările hidroxilice. 2.1. Reacţii de esterificare. Toate grupările hidroxilice ale monoglucidelor se pot esterifica cu acizi organici şi anorganici. Grupările semiacetalice şi hidroxilii primari se esterifică mai uşor decât hidroxilii secundari. Monoglucidele pot reacţiona cu acizii anorganici (H3PO4, HNO3, H2SO4 etc.) sau cu derivaţii lor formând esteri. Cei mai importanţi din punct de vedere biochimic şi fiziologic sunt esterii fosforici care au un rol important în metabolismul glucidelor şi al altor substanţe: aldehida-3-fosfoglicerică, fosfodihidroxiacetona, ribozo-5-fosfat, ribulozo-1,5-difosfat, glucozo-6-fosfat, fructozo-1,6-difosfat etc. (fig. 6.14 B). În unele alimente vegetale se găsesc esteri ai glucozei cu acizii fenolici, ca de exemplu acidul galic, componentul principal al substanţelor tanante. 2.2. Reacţii de eterificare. Reacţii la nivelul grupării hidroxilice semiacetalice. Hidroxilul semiacetalic prezintă o reactivitate mărită faţă de restul hidroxililor din molecula monoglucidelor. La nivelul hidroxilului semiacetalic glucidele pot reacţiona cu alcooli, fenoli sau alte substanţe, formând eteri numiţi glicozide. 2.3. Reacţii la nivelul grupărilor hidroxilice alcoolice. Grupările hidroxilice nesemiacetalice ale monoglucidelor sunt mai puţin reactive decât hidroxilul semiacetalic. Acestea nu reacţionează direct cu alcoolii şi fenolii pentru a forma eteri, ci numai cu substanţe mai active cum sunt derivaţii halogenaţi în prezenţa oxidului de argint sau a sulfatului de metil în mediu bazic. Eterii metilici ai monoglucidelor (fig. 6.14 B) au un rol însemnat în stabilirea structurii moleculare a poliglucidelor.

93

3. Proprietăţile chimice determinate de ambele grupe funcţionale în molecula monoglucidelor. Reacţia de epimerizare. Sub acţiunea soluţiilor diluate ale hidroxililor alcalini sau ale bazelor slabe la temperatura camerei se produce o izomerizare a monoglucidelor epimere (fig. 6.14 B). Acestea se deosebesc unele de altele prin configuraţia atomilor C1 şi C2 din moleculă. Hexoze epimere sunt glucoza, manoza şi fructoza. Izomerizarea epimerilor se realizează prin deplasarea reversibilă a unui atom de hidrogen de la C1 sau C2 la gruparea carbonilică, cu formarea unui enol comun, care poate forma toate substanţele epimere din cadrul aceleaşi clase de glucide.

Monoglucidele naturale importante 1. Triozele. Din grupa triozelor fac parte aldehida glicerică şi dihidroxiacetona (fig. 6.1; 6.2). Aceste substanţe nu se găsesc în natură în stare liberă, ci numai sub formă de esteri fosforici, care au un rol important în metabolismul glucidelor şi în procesele fermentative. Aldehida glicerică, în mediu bazic, se epimerizează în dihidroxiacetonă. Între aldehida glicerică şi restul aldozelor superioare există o relaţie genetică. Ea a servit ca substanţă de referinţă pentru determinarea stereoizomerilor monoglucidici. Dihidroxiacetona se poate forma atât din aldehidă glicerică, cât şi din glicerol. 2. Tetrozele. Monoglucidele respective nu se găsesc în stare liberă în natură. Ele apar ca produse intermediare, sub formă de esteri fosforici, în procesul de fotosinteză şi de degradare a monoglucidelor prin ciclul pentozofosfaţilor. Principalele tetroze sunt: treoza, eritroza, eritruloza (fig. 6.1; 6.2). Tetrozele se pot obţine în natură şi prin oxidarea alcoolilor corespunzători. 3. Pentozele. Aceste substanţe sunt larg răspândite în natură (fig. 6.1; 6.2). Ele se găsesc în cantităţi mici sub formă liberă. În cantităţi mari se găsesc sub formă de poliglucide (pentozani), glicozide, esteri etc. Pentozele au o mare stabilitate biochimică. Ele se formează în plante în cea mai mare parte din hexoze. Nu fermentează sub acţiunea drojdiilor. Pentozele au un rol însemnat în formarea pereţilor celulari la plante (D-xiloză, L-arabinoză), a acizilor nucleici (D-riboză, Ddezoxiriboză) şi în procesul de fotosinteză (D-ribuloză). D-riboza şi D-dezoxiriboza intră, de asemenea, în componenţa unor coenzime şi vitamine; în stare liberă se găsesc sub formă piranozică, iar în acizii nucleici ̶ sub formă furanozică. D-ribuloza se găseşte în plante sub formă de ester ribulozo-1,5difosforic. Acest ester ia parte la procesul de fotosinteză, fiind capabil să fixeze o moleculă de CO2. Arabinoza este o pentoză cu ambele forme L şi D, cu o structura ciclică de tip furanic. Forma Larabinoză este cea mai răspândită, se găseşte în stare liberă în anumite fructe (prune, cireşe) şi bulbi (ceapă). Această formă nu poate fi metabolizată de om, fiind eliminată pe cale renală. Forma Darabinoză se întâlneşte adesea în O-heterozide, fiind precursor al D-glucozei şi D-manozei. Xiloza (zahărul de lemn) intră în compoziţia multor gume naturale, mucilagii vegetale şi a hemicelulozelor; sub formă de xilani se găseşte în membranele celulelor vegetale. Această pentoză este puţin răspândită în stare liberă, se găseşte în cantităţi mici în unele fructe (caise). Xiloza este abundentă în stare condensată în produsele de hidroliză ale lemnului şi în paie. Hidroliza enzimatică a xilozei este realizată de enzima β-glucozidaza. Prin reducerea xilozei, se formează xilitolul, utilizat ca înlocuitor al zahărului pentru diabetici şi persoane obeze. 4. Hexozele. Hexozele sunt cele mai răspândite monoglucide din natură (fig. 6.1; 6.2). Se găsesc atât în stare liberă, cât şi sub formă de oligoglucide, poliglucide, glicozide, esteri etc. Hexozele constituie substanţele de bază pentru sinteza oligoglucidelor, poliglucidelor şi a altor compuşi organici. Toate hexozele au un caracter reducător pronunţat. Ele reduc în soluţie bazică sărurile metalelor grele. Dintre hexoze cele mai importante pentru alimentaţia omului sunt glucoza, fructoza şi galactoza. Glucoza este cea mai importantă monoglucidă din regnul vegetal şi animal. Se găseşte atât în stare liberă (în fructe dulci, miere, în toate organele plantelor), cât şi sub formă de diglucide, poliglucide, esteri, glicozide etc. Omul şi animalele conţin glucoză în sânge şi limfă. Glucoza se 94

găseşte, de obicei, sub formă α-piranozică, este o substanţă albă, cristalină, dulce, solubilă în apă (85 g pentru 100 ml), greu solubilă în alcool şi insolubilă în eter. În soluţie, la echilibru (stabil la 20°C) există două forme: α 35% şi β 65%. Este optic dextrogiră şi prezintă fenomenul de mutarotaţie. Din soluţie apoasă glucoza cristalizează sub forma α, iar din soluţia solvenţilor organici (piridină, alcool) sub forma β. Glucoza se obţine industrial prin fierberea amidonului cu acid sulfuric sau clorhidric sau prin hidroliza acidă a celulozei. Glucoza obţinută la hidroliza celulozei este utilizată la producerea alcoolului etilic [8]. Fructoza se găseşte în natură atât în stare liberă sub formă piranozică (în fructele dulci, miere, struguri), cât şi în constituţia diglucidelor (zaharoza, rafinoza, genţianoza) şi poliglucidelor nereducătoare sub formă furanozică (inulina din napi, bulbi, rizomi etc.). În celulele animale, se găseşte în cantităţi foarte reduse, cu excepţia lichidului seminal la animale (2 ̶ 3 g/l). În mediu alcalin fructoza reacţionează sub formă carbonilică, iar în mediu acid şi neutru sub formă semiacetalică. Fructoza este cea mai dulce monoglucidă. În organism fructoza este asimilată mai uşor decât glucoza. La scară industrială fructoza se poate obţine prin hidroliza inuluinei cu ajutorul acizilor [3] sau pornind de la sfecla de zahăr, cu două etape suplimentare în procesul de fabricaţie: hidroliză şi izomerizare [5]. Fructoza are o putere de îndulcire ridicată şi solubilitate mare în apă. Se cristalizează foarte greu, iar în amestec cu alte glucide întrerupe cristalizarea acestora, dând consistenţa de miere. Galactoza, în forma L este naturală, unul din compuşii agar-agarului din alge, mucilagiilor din seminţele de in. Derivatul galactozei 6-deoxi-L-galactoza (fucoza) este principala monoglucidă naturală a seriei L, întâlnită în oligoglucide şi poliglucide (algele Fucus), precum şi în glicoproteine. D-galactoza este cea mai răspândită monoză, după glucoză; este puţin răspândită în stare liberă (sânge, urină normală), dar frecvent întâlnită în combinaţii precum: diglucide (lactoza, melibioza), heteropoliglucide (agar-agar, gumele şi mucilagiile vegetale), glicozide (solanina). Este monoglucida cea mai răspândită din unele lipide complexe (cerebrozide). Prin oxidare, în anumite condiţii, se obţine acidul galacturonic (componentul de bază al substanţelor pectice). Galactoza este dulce, solubilă în apă, se cristalizează uşor atât în soluţie apoasă, cât şi în soluţie alcoolică. Galactoza se obţine pe cale industrială prin hidroliza lactozei. Se foloseşte la prepararea unor comprimate farmaceutice. Manoza se găseşte predominant în natură sub formă de poliglucide omogene numite manani şi eterogene ̶ galactomanani. Acestea se conţin în cantitate mai mare în nucile de cocos, în seminţele unor palmieri, precum şi în hemiceluloze. În stare liberă se găseşte în coaja portocalelor şi în sucul pepenilor galbeni. Manoza este, de asemenea, un compus al glicoproteinelor animale. Prin reducere manoza se transformă în manitol care dacă apare în vin, reduce calitatea acestuia. Manoza este o substanţă cristalină, dulce, solubilă în apă, fermentează uşor în prezenţa drojdiilor. Sorboza este o cetohexoză rar întâlnită în natură. Se întâlneşte în fructele de sorg şi în fructele de Passiflora; se formează prin dehidrogenarea sorbitolului de către bacteria Acetobacter xylinum. Este folosită la scară industrială pentru obţinerea vitaminei C. 5. Heptozele. Din grupa heptozelor fac parte cetoheptozele D-sedoheptuloza, Dmanoheptuloza. D-sedoheptuloza se găseşte în cloroplaste sub formă de esteri fosforici, care iau parte la fotosinteză. D-manoheptuloza s-a identificat în fructele şi în rădăcinile unor specii de plante, drojdii. Ambele heptoze sunt prezente sub formă piranozică şi reprezintă metaboliţi intermediari în biosinteza lipidelor [40].

Derivaţi ai hexozelor Pe lângă hexoze simple precum glucoza, galactoza sau manoza, în natură există un şir de compuşi chimici derivaţi ai monoglucidelor la care gruparea hidroxilică este înlocuită cu un alt substituent sau atomul de carbon al grupei carboxilice este oxidat (fig. 6.16). 1. Aminoglucidele. Sunt compuşi care se formează din monoglucide prin înlocuirea unui hidroxil cu o grupare aminică. Aminoglucidele conţin gruparea aminică de obicei la C2. Ele se formează prin reacţia monoglucidei cu amoniacul sau cu o hidroxilamină. Cele mai răspândite 95

aminoglucide D-glucozoamina (GlcN) şi D-galactozoamina (GalN) au formula chimică C6H13NO5. Glucozoamina este un precursor important în biosinteza proteinelor şi lipidelor glicozilate, iar galactozoamina este un constituent al unor hormoni glicoproteici precum hormonul de stimulare foliculară (FSH) şi hormonul luteinizant (LH) [10]. N-Acetil-D-glucozoamina (GlcNAc) este o monoglucidă derivată de la glucoză şi reprezintă o amidă dintre glucozoamină şi acid acetic cu formula chimică C8H15NO6 [29]. Peretele celular la bacterii este alcătuit din unităţi de N-Acetil-D-glucozoamina şi N-Acid acetilmuramic (MurNAc ̶ C11H19NO8), străbătute de oligopeptide care se asociază cu resturile de acid lactic ale MurNAc [30]. Această structură poartă denumirea de peptoglican sau mureină. GlcNAc este, de asemenea, monomerul chitinei, component structural de bază al carapacelor crustaceelor, aripilor insectelor, cochiliilor moluştelor şi component structural minor al peretelui celular la organismele din regnul Fungi. 2. Dezoxiglucidele. Prin eliminarea unei grupe hidroxilice din molecula monoglucidelor şi înlocuirea acesteia cu un atom de hidrogen se formează dezoxiglucide. Cele mai importante dezoxiglucide sunt dezoxiriboza, fucoza şi ramnoza [17].

Fig. 6.16. Derivaţi ai hexozelor [4]

Dezoxiriboza sau 2-dezoxiriboza este o aldopentoză cu 5 atomi de carbon şi o grupă aldehidică funcţională care derivă de la riboză-5-fosfat prin pierderea unui atom de oxigen, reacţie catalizată de enzima ribonucleotid reductaza. 2-Dezoxiriboza are doi enantiomeri: D-2-dezoxiriboza, component al acidului dezoxiribonucleic şi L-2-dezoxiriboza, o formă rar întâlnită.

96

În soluţii apoase, dezoxiriboza poate exista sub o formă liniară H(C=O)-(CH2)-(CHOH)3-H (0,7%) şi două forme ciclice: dezoxiribofuranoză, cu cinci atomi de carbon şi dezoxiribopiranoză, cu şase Fig. 6.17. Echilibrul chimic al dezoxiribozei în soluţie [18] atomi de carbon (fig. 6.17). L-Fucosa sau 6-deoxi-L-galactoza este o dezoxiglucidă cu formula chimică C6H12O5. L-Fucoza este un component al poliglucidelor bacteriene şi vegetale, al glicoproteinelor, diglucidelor laptelui. DFucoza intră în componenţa unor glicozide vegetale. Enzimele care înlătură resturile de fucoză de la molecule de diglucide se numesc fucozidaze. Fucoza reprezintă unitatea structurală a polimerului fucoidan prezent în alge marine brune, roşii şi verzi. Se cunosc două forme distincte de fucoidan: Ffucoidan, alcătuit în proporţie de >95% din esteri de sulf ai fucozei şi U-fucoidan care conţine ~ 20% acid glucuronic. Enzimele care scindează fucoidanul poartă denumirea de fucoidan hidrolaze. Fucoidanul este folosit în calitate de ingredient în diferite suplimente dietetice [26]. L-Ramnoza sau 6-deoxi-L-manoza este un derivat al manozei, care se întâlneşte în stare liberă la plante (sp. Toxicodendron vernix; gen. Uncaria) şi în numeroase heteropoliglucide; este un component gluconic al glicozidelor. Ramnoza, de asemenea, intră în componenţa membranelor celulare la bacteriile din genul Mycobacterium [34]. 3. Acizii glucidici sunt monoglucide cu o grupare carboxilică care le conferă o sarcină negativă la un pH neutru. Principalele clase de acizi glucidici sunt următoarele [35]:  acizi aldonici, la care este oxidată gruparea funcţională aldehidică a aldozelor (acid gluconic);  acizi ulosonici, la care este oxidată prima grupare hidroxilică a 2-cetozelor formându-se un αcetoacid (acid ulosonic);  acizi uronici, la care este oxidată gruparea hidroxilică terminală a aldozelor sau cetozelor (acid glucuronic, acid galacturonic, acid manuronic);  acizi aldarici, la care sunt oxidate ambele capete ale aldozelor (acid glucaric). Acidul gluconic (fig. 6.13 A) are formula moleculară C6H12O7. Acidul gluconic prezintă activitate optică, este uşor solubil în apă, formează săruri care se numesc gluconaţi. Se găseşte în fructe, miere, vin. Este folosit în industria alimentară în calitate de aditiv alimentar E574, reglator de aciditate [21]. Sărurile acidului gluconic se utilizează în medicină, de exemplu, gluconatul de calciu este folosit în terapeutică ca agent calcifiant. Acidul glucuronic (GlcA) are formula chimică C6H10O7. Sărurile şi esterii acidului glucuronic se numesc glucuronaţi. Acizii uronici şi aldonici formează esteri intramoleculari stabili care poartă denumirea de lactone. Acidul glucuronic este un component al proteoglicanilor, al secreţiilor mucoase animale, al glicocalixului celular şi al matrixului intercelular [23]. GlcA are un rol biologic important în organismul animal, prin capacitatea sa de a forma un glucuronozid printr-o legătură între grupa reducătoare şi grupa OH, SH sau NH2 a unei alte substanţe. Aceste glucuronoconjugate permit eliminarea prin urină a unor substanţe prezente în organismul uman: derivaţi toxici, medicamente, hormoni, pigmeţi biliari [5]. Acidul galacturonic este un produs al oxidării Dgalactozei. Reprezintă componentul de bază al substanţelor pectice. Conţine o grupare aldehidică la atomul C1 şi o grupare carboxilică la atomul C6 (fig. 6.18). Alte forme oxidate ale D-galactozei sunt acidul DFig. 6.18. Formula chimică a acidului galactonic (conţine gruparea carboxilică la C1), acidul galacturonic [16] mucic (conţine grupări carboxilice la C1 şi C6).

97

D-Glucono-δ-lactona (GDL ̶ Glucono delta-lactone) este o lactonă a acidului D-gluconic. Este un compus care rezulă din formarea unei legături esterice dintre atomul C1 al grupei carboxilice şi atomul C5 (cunoscut ca delta carbon) al grupei hidroxilice a D-gluconatului. GDL pur este un praf alb, cristalin, fără miros. Este un aditiv alimentar E575 folosit în calitate de conservant, stabilizator, reglator de aciditate [22]. Acidul N-acetilneuroaminic (Neu5Ac) reprezintă un compus chimic cu nouă atomi de carbon, derivat de la N-acetilmanozoamină. Se conţine în glicoproteinele şi glicolipidele membranelor celulare animale, în gangliozide (glicolipide) ̶ componentul principal al membranelor neuronilor [31]. 4. Glicozidele sunt o clasă eterogenă de compuşi, în special, de origine vegetală (se conţin în rădăcini, lăstari, flori, frunze) cu diverse proprietăţi. Aceste substanţe au o acţiune tonifiantă asupra muşchiului cardiac, posedă proprietăţi antitumorale, inhibă reproducerea microorganismelor patogene, au gust, aromă şi culori specifice, sunt componente esenţiale ale preparatelor medicamentoase şi cosmetice etc. Primul glicozid ̶ amigdalina (fig. 6.19) ̶ a fost identificat de chimiştii francezi Pierre Robiquet şi Antoine Boutron-Charlard în 1830. Glicozidele sunt formate din două componente: glucidică şi neglucidică (aglicon). Componenta glucidică (în special glucoza sau oligoglucide din glucoză) se leagă prin legătură glicozidică de aglicon, prin intermediul hidroxilului semiacetalic, procesul fiind însoţit de eliminarea apei. Agliconii sunt substanţe foarte variate sub aspect structural. Astfel, în natură, se întâlnesc glicozide cu agliconi alcoolici, fenolici, sterolici, flavonoidici etc. În funcţie de natura atomilor care formează legătura cu agliconul se deosebesc [25]:  O-glicozide: -О-НН-О-С6Н11О5;  S-glicozide: -S-НН-О-С6Н11О5;  N-glicozide: -N-НН-О-С6Н11О5;  C-glicozide: -C-НН-О-С6Н11О5 Agliconii cu grupări hidroxilice formează O-glicozide, cei cu grupări de ̶ NH formează Nglicozide, iar cei cu grupări ̶ SH formează S-glicozide. Glicozidele sunt substanţe solide, cristaline, mai rar cu aspect amorf, solubile în apă şi alcool. Soluţiile apoase ale glicozidelor au un pH neutru. De regulă, glicozidele se scindează uşor în glucide şi aglicon. 4.1. O-glicozidele sunt cele mai numeroase dintre glicozide, deosebindu-se între ele prin natura glucidului şi agliconului. Din această grupă fac parte: glicozidele cianogenice, glicozidele cardiotonice, saponinele, glicoalcaloidele, unele glicozide flavonoidice, carotenoglicozide, glicozide xantonice, glicozide indolice. Glicozidele cianogenice (cianhidrice) se stochează în vacuolele sau citoplasma celulară, fiind formate din două molecule de glucoză (uneori substituite de o altă monoză), legate la o grupare nitril, alcoolică. Hidroliza enzimatică eliberează acidul cianhidric, unul din cel mai toxic compus produs în plante, care blochează o enzimă a lanţului respirator (citocromoxidaza) şi produce asfixie celulară. Maniocul (Manihot esculenta), sursă de hrană tradiţională în Africa şi America de Sud, conţine glicozide cianogenice, motiv pentru care acesta trebuie fiert, înainte de a fi consumat, iar apa aruncată, deoarece conţine toxine. Amigdalina determină gustul specific şi aroma migdalelor, este prezentă în sâmburii unor fructe (cireşe, caise, prune, piersici). Componenta glucidică este reprezentată de genţiobioză sau amigdalină (diglucidă alcătuită din două resturi de glucoză unite prin legături β (1→6)glicozidice), iar agliconul este alcătuit dintr-un rest de Fig. 6.19. Structura moleculară a amigdalinei [25] acid cianhidric şi aldehidă benzenică (fig. 6.19). Hidroliza amigdalinei, în prezenţa enzimei amigdalinaza şi a apei, conduce la eliberarea a două molecule de glucoză, aldehidă benzenică care are un miros de migdale amare şi acid cianhidric.

98

Prezenţa acestuia din urmă poate duce la intoxicaţii alimentare în cazul unui consum ridicat de sâmburi de migdale, caise etc. Glicozidele steroidice posedă un spectru larg de activitate biologică şi au un impact asupra sănătăţii oamenilor. Angliconii glicozidelor reprezintă steroli. În această grupă sunt incluse: glicozidele cardiotonice (digitoxina), saponinele şi glicoalcaloidele (solanina şi tomatina). Digitoxina (digitalina) estrasă din Digitalis purpurea sau Digitalis lanata este o substanţă toxică utilizată în tratamentul diferitelor afecţiuni ale inimii. Saponinele sunt compuşi toxici, întâlniţi în leguminoase uscate, neghină, rădăcină de săpunăriţă (Saponaria officianalis). Dacă ajung în sânge, saponinele determină distrugerea eritrocitelor (hemoliză). Solanina este o substanţă toxică proprie solanaceelor (cartofi, vinete, tomate), formată dintr-o triglucidă (solatrioză alcătuită din glucoză, galactoză şi ramnoză) şi solanidina, ca aglicon. Are gust amar şi poate fi utilizată ca insecticid. Este prezentă în tuberculii de cartofi. Un conţinut crescut de solanină au cartofii care nu au ajuns la maturitate, precum şi cei păstraţi la lumină. Solanina acţionează asupra miocardului, musculaturii şi sistemului nervos central, determinând efecte toxice foarte active. Tomatina se găseşte în roşii (Solanum lycopersicum); angliconul se numeşte tomatidină, iar componenta glucidică este o tetraglucidă. Glicozidele fenolice sunt prezente în cantitate mare în ţesuturile vegetale. Din această categorie face parte vicina, glicozid toxic prezent în unele plante leguminoase (Vicia sativa) care determină anemie hemolitică. Glicozidele flavonoidice au ca aglicon flavonoizi (fig. 6.20). Această categorie cuprinde: hesperidina (aglicon ̶ hesperetina, componentă glucidică ̶ rutinoză); naringina (aglicon ̶ naringenină, componentă glucidică ̶ rutinoză); quercitina (aglicon ̶ quercitină, componentă glucidică ̶ ramnoză); rutina (aglicon ̶ quercitină, componentă glucidică ̶ rutinoză). Fig. 6.20. Structura moleculară a hesperidinei [25]

2. S-glicozidele se conţin în plantele din familia Crucifereae (Sinapis sp., Paphanus sp., Brassica sp.). Prin hidroliză enzimatică, glicosidele cu sulf devin toxice, deoarece se eliberează substanţe sulfurate, numite senevoli; aceste substanţe au un miros caracteristic înţepător care irită pielea şi mucoasele. În doze mici senevolii pot stimula secreţia gastrică, dar în doze mari pot determina paralizia sistemului nervos. Sinigrina este o glicozidă cu sulf prezentă în muştarul negru (Sinapis nigra) şi în hrean (Armoracia rusticana). Sinalbina este prezentă în muştarul alb (Sinapis alba). Când seminţele de muştar sunt umezite şi zdrobite, sub acţiunea enzimei mirozinaza, sinigrina se descompune în glucoză, sulfat de potasiu şi un ulei esenţial, format din izotiocianat de alil. La descompunerea sinalbinei se formează izotiocianat de acrinil. Izotiocianaţii sunt componente ale uleiurilor eterice responsabile pentru gustul picant şi mirosul specific ale muştarului.

99

Denumirea Salicina Coniferina Amigdalina Populina Digitoxina

Tabelul 6.1. Originea şi proprietăţile unor glicozide [5] Aglicon Răspândire Proprietăţi Alcool salicilic Alcool coniferilic Aldehida benzoică, acidul cianhidric Alcool salicilic

Digoxigenină

Saponine

Sapogenina

Glicozide flavonoidice şi flavonice Sinigrina

Substanţe cu structură foarte variată

Izotiocianat de alil

Solanina

Solanidina

Tomatina

Tomatidina (alcool steroidic)

Salcie (Salix sp.) Conifere Migdale, sâmburi de caise, prune, cireşe, piersici Plop (Populus, sp.) Degeţel (Digitalis lanata, Digitalis purpurea) Săpunariţă (Saponaria officinalis) Majoritatea plantelor, în special cele cu flori galbene sau mov La specii de Brassicaceae Cartofi (Solanum tuberosum) Roşii (Solanum lycopersicum)

Analgezice, antipiretice Neprecizate Toxice Toxice Cardiotonice, în cantitate mică, cardiotoxice, în cantitate mare De spumare, emulsionare, tensioactive, detergente, hemolizante, iritante Întăresc vasele sangvine şi reduc permeabilitatea capilarelor Dezinfectante Iritante digestive, toxice Toxice, dar aplicate extern au efect antimicotic şi antiinflamator

3. N-glicozidele sunt substanţe larg răspândite în natură şi cuprind nucleozidele şi nucleotidele (cap. 3). 6.3. OLIGOGLUCIDELE Oligoglucide sunt substanţe organice formate dintr-un număr redus de monoglucide (2 ̶ 10) unite prin legături glicozidice. Legătura glicozidică se formează prin eliminarea unei molecule de apă. Numărul acestora va fi egal cu (n-1) din numărul total al monoglucidelor. Monoglucidele din componenţa oligoglucidelor pot fi identice sau diferite. Toate tipurile de oligoglucide hidrolizează în mediul acid, bazic sau sub acţiunea enzimelor. Oligoglucidele sunt substanţe solide, cristaline, solubile în apă şi insolubile în solvenţi organici. Au gust dulce şi posedă activitate optică. În componenţa oligoglucidelor intră resturi de monoglucide cu structură piranozică şi foarte rar cu structură furanozică (cu excepţia fructozei). Oligoglucidele se pot clasifica în funcţie de structură şi caracterul chimic. În funcţie de structură sau numărul resturilor de monoglucide care participă la formarea oligoglucidelor deosebim: diglucide (maltoza, lactoza, celobioza, trehaloza, zaharoza etc.), triglucide (rafinoza, maltotrioza, nigerotrioza, melezitoza etc.), tetraglucide (stahioza, maltotetroză, nigerotetroză, sezamoză, nistoză etc.) etc. 1. Diglucidele. Diglucidele sunt cele mai importante şi mai răspândite oligoglucide. Predomină în regnul vegetal dar se întâlnesc şi în regnul animal. Diglucidele formate din hexoze au formula moleculară C12H22O11. După caracterul chimic diglucidele se împart în reducătoare şi nereducătoare. 1.1. Diglucidele reducătoare se formează prin eliminarea unei molecule de apă dintre hidroxilul glicozidic al unei monoglucide şi hidroxilul alcoolic al altei monoglucide. Diglucida obţinută este reducătoare deoarece are un hidroxil semiacetalic liber, provenit de la ultimul rest de monoglucidă. Diglucidele reducătoare sunt de tip maltozic, denumire ce provine de la maltoză. Legăturile cele mai frecvente la diglucidele reducătoare sunt legăturile (1→4), deoarece hidroxilul de la C4 se găseşte în poziţia pară faţă de hidroxilul semiacetalic al aceleaşi molecule şi este mai reactiv. După poziţia hidroxilului semiacetalic ce ia parte la formarea diglucidelor acestea pot fi izomeri α sau β, prin urmare 100

se pot forma legături α- sau β-glicozidice (tab. 6.2). Diglucidele reducătoare prezintă fenomenul de mutarotaţie. Tab. 6.2. Structura chimică a diglucidelor reducătoare [20] Diglucidă Monomer I Legătura Monomer II Maltoză Glucoză α(1→4) Glucoză Lactoză Galactoză β(1→4) Glucoză Celobioză Glucoză β(1→4) Glucoză Izomaltoză Glucoză α(1→6) Glucoză Melibioză Galactoză α(1→6) Glucoză Legătura glicozidică de tip maltozic se mai numeşte şi legătură monocarbonilică, întrucât la formarea sa contribuie o singură grupare carbonilică. Maltoza. Este o diglucidă formată din două resturi de α-D-glucopiranoză, unite prin legătură α(1→4)-glicozidică (fig. 6.21). Se găseşte în seminţele cerealelor în curs de germinare provenind în mare parte prin hidroliza amidonului. În cantitate mai mare se găseşte în orzul încolţit (malţ) sau extractele de malţ şi din această cauză se mai numeşte şi zahăr de malţ. Se întâlneşte frecvent şi în făina cerealelor. Maltoza reprezintă unitatea structurală a amilozei şi împreună cu izomaltoza formează unităţile structurale de bază ale amilopectinei din granulele de amidon. Hidroliza enzimatică a amidonului sub acţiunea β-amilazei produce siropurile de maltoză, utilizate ca îndulcitori în industria alimentară. Hidroliza acidă sau enzimatică, sub acţiunea maltazei (care se află în orzul încolţit), conduce la formarea a două molecule de α-D-glucopiranoză. Fig. 6.21. Structura moleculară a maltozei [4] Maltoza fermentează uşor şi sub acţiunea maltazei din drojdii se transformă în glucoză. C12H22O11+ H2O→ 2C6H12O6 În procesul de obţinere a berii, maltoza reprezintă unul din componentele principale ale siropului de malţ, circa 60 ̶ 70 % [3]. Acesta se obţine prin zaharificarea amidonului, cu ajutorul amilazelor. Lactoza. Este o diglucidă reducătoare formată din resturi de β-D-galactoză şi α-D-glucoză, unite printr-o legătură β(1→4)-glicozidică (fig. 6.22). Se prezintă sub două forme, α şi β. Lactoza se găseşte în laptele tuturor mamiferelor, în proporţie de 2 ̶ 6% [3], în funcţie de specie. Din această cauză se mai numeşte şi zahăr lactic. Este o diglucidă care fermentează greu. Sub acţiunea bacteriilor lactice se transformă în acid lactic. Este o substanţă solidă, cu gust dulce, solubilă în apă şi insolubilă în alcool. Se Fig. 6.22. Structura moleculară a lactozei [4] obţine în cantitate mare din zerul obţinut la prepararea brânzeturilor. Se foloseşte în industria farmaceutică la producerea unor comprimante şi a unor alimente nutritive pentru copii.

101

Hidroliza chimică a lactozei este dificilă, comparativ cu a zaharozei; necesită tratarea la cald cu un acid. Hidroliza enzimatică a lactozei se realizează prin acţiunea enzimei lactaza (β-galactozidaza). Celobioza. Este un compus chimic format din două resturi de α-D-glucopiranoză, unite printr-o legătură β(1→4)-glicozidică. Celobioza este o diglucidă reducătoare care constituie unitatea structurală a celulozei. Ea nu se găseşte în natură în stare liberă dar se formează ca produs intermediar la hidroliza chimică sau enzimatică a celulozei. Prin hidroliză acidă sau sub acţiunea enzimei celobiaza (βglucozidaza) din microflora aparatului digestiv al animalelor ierbivore, celobioza se descompune în două molecule de β-D-glucoză. Organismul uman nu poate hidroliza celobioza deoarece nu dispune de celobiază. Celobioza nu este fermentată de drojdii, ci numai de unele bacterii. 1.2. Diglucidele nereducătoare sunt compuşi la care legătura dintre monoglucide se realizează cu participarea ambilor hidroxili glicozidici. Ele nu au caracter reducător deoarece nu au nici un hidroxil semiacetalic liber. Diglucidele nereducătoare sunt de tip trehalozic (trehaloza, zaharoza etc.) (tab. 6.3). Legătura glicozidică a diglucidelor nereducătoare se mai numeşte şi legătură dicarbonilică, deoarece provine din două grupări carbonilice. Diglucidele nereducătoare nu prezintă fenomenul de mutarotaţie. Tab. 6.3. Structura chimică a diglucidelor nereducătoare [20] Diglucidă Monomer I Legătura Monomer II Zaharoză Glucoză α(1→2)β Fructoză Trehaloză Glucoză α(1→1)α Glucoză Trehaloza. Este un diglucid format din două resturi de α-D-glucopiranoză, unite prin legătură glicozidică provenită din hidroxili semiacetalici, deci se formează legături α(1→1)α (fig. 6.23). Trehaloza se găseşte în drojdii, ciuperci, diferite bacterii, în licheni, alge. Este o substanţă solidă, cristalină, solubilă în apă.

Fig. 6.23. Structura moleculară a trehalozei [4]

Fig. 6.24. Structura moleculară a zaharozei [4]

Zaharoza. Este o diglucidă nereducătoare formată dintr-un rest de α-D-glucopiranoză şi un rest de β-D-fructofuranoză, unite printr-o legătură de α(1→2)β-glicozidică la nivelul hidroxililor semiacetalici (fig. 6.24). Zaharoza este cea mai răspândită diglucidă naturală, se conţine în cantităţi mari în plantele verzi, frunze şi tulpini (trestie de zahăr 12 ̶ 26%, porumb dulce 12 ̶ 17%, mei dulce 7 ̶ 15%), în fructe şi seminţe (piersici, mere dulci, dovlecei, ananas, nuci de cocos, nuci, castane), precum şi în rădăcini şi rizomi (cartofi dulci 2 ̶ 3%, arahide 4 ̶ 12%, ceapă 10 ̶ 11%, rădăcini de sfeclă de zahăr 13 ̶ 20%) [5]. Din trestia de zahăr şi sfecla de zahăr zaharoza se extrage pe cale industrială. Zaharoza este o substanţă solidă, cristalină, solubilă în apă, insolubilă în solvenţi organici. În soluţie prezintă activitate optică dextrogiră ([a]20 D = + 66,5°). În mediu uşor acid şi sub acţiunea enzimelor α-glucozidaza şi β-fructofuranozidaza (invertaza sau zaharaza) zaharoza se descompune în α-D-glucoză şi β-D-fructoză. În urma hidrolizei zaharozei, se obţine zahărul invertit (amestec echimolar de glucoză şi fructoză), denumit astfel deoarece are loc schimbarea sensului de rotaţie a planului luminii polarizate specifice soluţiei; de la zaharoza dextrogiră se obţine zahărul invertit levogir, deoarece puterea rotatorie levogiră a fructozei este mai mare decât puterea dextrogiră a glucozei.

102

Zaharoza se topeşte la +183°C, iar soluţia prin răcire se caramelizează. Procesul de caramelizare a glucidelor este utilizat la colorarea unor băuturi nealcoolice, a berii, a romului şi a numeroase produse de cofetărie.

Fig. 6.25. Cele mai răspândite diglucide [2]

2. Triglucidele. Triglucidele sunt substanţe organice cu formula generală C18H32O16 alcătuite din trei resturi de monoglucide (fig. 6.26). Sunt prezente, în special, în regnul vegetal. Rafinoza (melitrioza) este o triglucidă nereducătoare, formată dintr-o moleculă de αgalactopiranoză, α-glucopiranoză şi una de β-fructofuranoză. Se conţine în seminţele de bumbac, în excreţiile eucaliptului, în sfecla de zahăr. În rădăcinile de sfeclă de zahăr recoltate cu un conţinut de zaharoză de 20%, rafinoza constituie 0,2 ̶ 1% în raport cu zaharoza [7]. Din punct de vedere biotehnologic nu este de dorit acumularea de rafinoză în sfecla de zahăr, deoarece în procesul extracţiei zaharozei, rafinoza trece în melasă, mărindu-se pierderile de glucide. Hidroliza enzimatică a rafinozei se realizează sub acţiunea enzimelor zaharaza şi αgalactozidaza. Rafinoza se descompune sub acţiunea zaharazei în fructoză şi diglucida melibioză (formată din galactoză şi glucoză), iar sub acţiunea α-galactozidazei ̶ în galactoză şi zaharoză.

A

B

C

Fig. 6.26. Structura moleculară a triglucidelor: A ̶ rafinoză; B ̶ melizitoză; C ̶ maltotrioză [46]

Melicitoza este o triglucidă formată din două resturi de D-glucoză şi un rest de D-fructoză, iar maltotrioza ̶ din trei resturi de D-glucoză (tab. 6.4).

103

Triglucide

Monomer I

Rafinoză Melizitoză Maltotrioză

Galactoză Glucoză Glucoză

Tabelul 6.4. Tipuri de triglucide [37] Legătura Monomer II Legătura α(1→6) α(1→2) α(1→4)

Glucoză Fructoză Glucoză

β(1→2) α(1→3) α(1→4)

Monomer II Fructoză Glucoză Glucoză

3. Tetraglucidele. Formula generală a tetraglucidelor este C24H48O21. Dintre tetraglucide cel mai cunoscut reprezentant este stahioza care se întâlneşte la mai multe specii de plante leguminoase (soia, mazăre, linte, fasole etc.) (fig. 6.27). Stahioza este alcătuită din două resturi de α-galactoză, un rest de α-glucoză şi un rest de β-fructoză. Fig. 6.27. Structura moleculară a tetraglucidului stahioza [36]

6.4. POLIGLUCIDELE Poliglucidele sunt substanţe macromoleculare formate dintr-un număr mare de resturi de monoglucide, unite prin diferite tipuri de legături glicozidice (α şi β; 1→4, 1→6; 1→3 etc.). Ele se găsesc atât în regnul vegetal unde predomină, cât şi în cel animal. Poliglucidele sunt substanţe solide, microcristaline, cu aspect amorf. Se prezintă sub formă de pulberi albe, insolubile sau greu solubile în apă. Poliglucidele solubile formează soluţii coloidale. Având în moleculă atomi de carbon asimetrici, poliglucidele posedă activitate optică. Unităţile structurale de bază ale poliglucidelor sunt formate din diglucide. Sub aspect chimic poliglucidele au un carcter nereducător. Ele se formează în general prin legături α(1→4)-glicozidice, astfel că aproape toţi hidroxilii semiacetalici liberi contribuie la formarea acestor legături. Poliglucidele conţin în proporţie redusă şi legături glicozidice (1→6)-, (1→3)- şi (1→2)-glicozidice, mai cu seamă la nivelul ramificaţiilor moleculare. Grupările hidroxilice libere din molecula poliglucidelor pot da reacţii de esterificare şi eterificare. În mediu acid sau sub acţiunea unor enzime specifice, poliglucidele se hidrolizează în mod treptat, formând produse intermediare cu un grad de polimerizare mai mic şi cu putere reducătoare mai mare. Prin hidroliza totală a poliglucidelor se obţin monoglucide constituente. În funcţie de structura chimică, poliglucidele se clasifică în două grupe mari: poliglucide omogene şi poliglucide neomogene (fig. 6.28). Poliglucidele omogene sunt formate din resturi de monoglucide identice sau din derivaţi ai acestora. Cele neomogene sunt alcătuite din resturi de monoglucide diferite sau din derivaţii lor. Dintre derivaţii monoglucidelor se întâlnesc cel mai frecvent esterii sulfurici şi fosforici ai monoglucidelor şi aminoglucidele-N-acetilate. Pentru ca denumirea oligoşi poliglucidelor să nu ocupe mult spaţiu la scrierea Fig. 6.28. Schema generală a structurii poliglucidelor resturilor de monoglucide se folosesc anumite simboluri (tab. 6.5) omogene şi neomogene [4]

104

Poliglucidele omogene formate din hexoze sau din derivaţii lor, poartă numele de hexozani, iar cele formate din pentoze se numesc pentozani. Hexozanii formaţi din D-glucoză se numesc glucani, cei formaţi din fructoză se numesc fructani, cei din manoză ̶ manani, din galactoză ̶ galactani etc. În mod similar, pentozanii formaţi din L-arabinoză se numesc arabani, cei din D-xiloză ̶ xilani etc. Tabelul 6.5. Abreviaturile unor monoglucide şi ale unor derivaţi ai monoglucidelor [4] Arabinoză Ara Acid glucuronic GlcA Fructoză Fru Galactozoamină GalN Fucoză Fuc Glucozoamină GlcN Galactoză Gal N-Acetil-galactozoamină GalNAc Glucoză Glc N-Acetil-glucozoamină GlcNAc Manoză Man Acid iduronic IdoA Ramnoză Rha Acid muramic Mur Riboză Rib Acid N-Acetilmuramic Mur2Ac Xiloză Xyl Acid N-Acetilneuraminic Neu5Ac Poliglucidele au un rol biologic important (tab. 6.6). Ele servesc fie ca substanţe alimentare de rezervă (amidon, glicogen, inulină), fie ca substanţe de susţinere (mureina, dextranul, agaroza, celuloza, hemiceluloza, chitina, glicozoaminoglicani). Tabelul 6.6. Structura şi rolul poliglucidelor omogene şi neomogene [4] Bioplolimer

Tipul

Unitatea repetitivă

Numărul monomerilor

HomoHomo-

50 – 5 000 >106

Amidon

Glicogen

Homo-

Celuloză

Homo-

(α 1→4)Glc, liniară (α 1→4)Glc; cu ramificaţii (α 1→6)Glc la fiecare 24–30 resturi (α1→4)Glc, cu ramificaţii (α 1→6)Glc la fiecare 8–12 resturi (β1→4)Glc

Chitină

Homo-

(β1→4)GlcNAc

Foarte mare

Dextran

Homo-

Inulină

Homo-

(α1→6)Glc, cu ramificaţii (α1→3) (2→1)Fru

Diapazon larg 30 ̶ 35

Peptidoglican (mureină)

Hetero-; cu peptide ataşate Hetero-

4)Mur2Ac(β1→4) GlcNAc(β 1

Foarte mare

3)D-Gal(β1→4) 3,6-anhidro-L-Gal(α1 4)GlcA(β 1→3) GlcNAc(1β

1 000

Amiloză Amilopectină

Agaroză Hialuronat (glicozoamino glican)

Hetero-; acidică

Importanţa Rezervă de energie: în celule vegetale

>50 000

Rezervă de energie: în celule bacteriene şi animale

>15 000

Structurală: la plante, conferă rigiditate şi rezistenţă pereţilor celulari Structurală: la insecte, păianjeni, crustacee, conferă rigiditate şi rezistenţă exoscheletului Structurală: la bacterii, asigură adeziunea extracelulară Rezervă de energie: în celule vegetale Structurală: la bacterii, conferă rigiditate şi rezistenţă capsulei

>100 000

Structurală: la alge, component al peretelui celular Structurală: la vertebrate, matrix extracelular; asigură viscozitate şi lubrifierea cartilajelor

*(Homo-) ̶ poliglucid omogen, (Hetero-) ̶ poliglucid neomogen. *La poliglucidele neomogene (peptoglican, agaroză, hialorunat) unitatea repetitivă reprezintă o diglucidă

105

Poliglucidele reprezintă, de asemenea, materii prime însemnate pentru industria uşoară şi cea alimentară.

Poliglucidele omogene Din clasa poliglucidelor omogene fac parte: glucani ̶ amidonul, glicogenul, celuloza, chitina, dextranul; fructani ̶ inulina; manani ̶ mananul. Amidonul este cea mai importantă poliglucidă de rezervă din plantele superioare. Amidonul, fiind un produs al fotosintezei, se formează în frunze şi se depozitează sub formă de granule în fructe, seminţe şi tuberculi. Se conţine în cantităţi mari în seminţele cerealelor ̶ orez (până la 86%), grâu (până la 75%), porumb (până la 72%), precum şi în tuberculii de cartof (până la 24%) [42]. Are un rol important în alimentaţia omului şi a animalelor. Amidonul este o poliglucidă omogenă, macromoleculară, ramificată, formată din resturi de αD-glucopiranoză asociate între ele prin legături (α1→4) şi (α1→6)-glicozidice. Formula moleculară este (C6H10O5)n. Gradul de polimerizare a amidonului este foarte mare. Granula de amidon este formată din două componente principale: amiloză (~20 ̶ 30%) şi amilopectină (~70 ̶ 80%), care se deosebesc între ele atât sub aspect structural, cât şi prin proprietăţile lor fizice şi chimice (tab. 6.6). Raportul dintre conţinutul de amiloză şi amilopectină diferă la amidonul din diferite specii. Astfel, tuberculii de cartof conţin în amidon 20% amiloză şi 80% amilopectină, iar amidonul merelor conţine ~ 100% amiloză [6]. Amiloza se găseşte în interiorul granulei de amidon; este un polimer liniar repetitiv, alcătuit din resturi de α-D-glucopiranoză unite prin legături (α1→4)-glicozidice (fig. 6.28). Numărul resturilor de glucoză în catenă variază între 50 ̶ 5 000. Masa moleculară este cuprinsă între 50 000 ̶ 160 000 D. Unitatea structurală a amilozei este maltoza. Amiloza este solubilă în apă caldă şi se cristalizează prin răcire. Se colorează cu iod în albastru închis. Proprietăţi

Tabelul 6.7. Caracteristica comparativă a amilozei şi amilopectinei [6] Amiloză Amilopectină

Structura chimică Forma moleculei Reacţia cu I2 Masa moleculară Solubilitatea Stabilitatea soluţiilor

Polimer al -D-glucozei format prin legături (1→4)-glicozidice Liniară Culoarea albastră-închisă 50 000 – 160 000 Solubilă în apa caldă, formează soluţii cu viscozitate joasă, nu se gelifică Instabile

Polimer al -D-glucozei format prin legături (1→4) şi (1→6)-glicozidice Ramificată Culoarea albastră-violetă >1 000 000 Solubilă la to înalte, formează soluţii vâscoase, se gelifică Stabile

Amilopectina se găseşte în învelişul granulelor de amidon; este un polimer care, spre deosebire, de amiloză au ramificaţii alcătuite din aproximativ 24 ̶ 30 resturi de glucoză. Monomerii de glucoză se unesc predominant prin legături (1→4)-glicozidice, iar în punctele de ramificaţie ̶ prin legături (1→6)-glicozidice (fig. 6.29). Ramificaţiile laterale au o structură similară catenei principale. Masa moleculară a amilopectinei este cu mult mai mare, comparativ cu cea a amilozei şi depăşeşte 1 000 000 D. Amilopectina se colorează cu iodul în albastru-violet. Amidonul este o substanţă sub formă de pulbere albă, amorfă, fără miros şi gust. Datorită structurii sale moleculare amilopectina, are o mare afinitate faţă de apă. În apă rece amidonul este insolubil; în apă caldă, granulele de amidon se umflă şi formează o soluţie coloidală numită apret (cu aspect vâscos), care la răcire se tranformă într-un gel rigid şi omogen numit clei de amidon. Temperatura la care se formează cleiul de amidon variază în funcţie de originea amidonului: 65°C ̶ amidonul din cartofi, 70°C ̶ amidonul din porumb, 80°C ̶ amidonul din orez. Cunoaşterea temperaturii la care se formează cleiul de amidon prezintă interes practic în procesele tehnologice din industria panificaţiei, industria spirtului. 106

Fig. 6.29. Structura moleculară a fracţiilor de amidon [4]

Legăturile de hidrogen care se stabilesc între catene, cu ajutorul grupelor OH, condiţionează simultan rezistenţa fizică şi solubilitatea moleculelor. Aceste legături pot fi rupte cu ajutorul unui reactiv caracteristic sau prin încălzire, mărindu-se astfel, solubilitatea. Amidonul nu prezintă proprietăţi reducătoare dar, prin hidroliză totală, se transformă în glucide reducătoare. Hidroliza amidonului se poate realiza pe cale enzimatică şi chimică. Hidroliza enzimatică a amidonului se realizează cu ajutorul enzimelor denumite glucozidaze, care pot acţiona asupra legăturilor (1→4) sau (1→6)-glicozidice. α-Amilaza (α-D 1,4 glucan glucanhidrolaza) este o endohidrolază care poate avea origine animală, vegetală sau microbiană şi hidrolizează la întâmplare legăturile (1→4)-glicozidice ale catenelor amilozei şi amilopectinei. Produsul principal al hidrolizei enzimatice este glucoza, însoţită de maltoză. Enzima acţionează la un pH optim care variază în funcţie de origine (4,7 ̶ 5,9), iar temperatura de acţiune se situează în jurul valorii de 50 ̶ 55°C. β-Amilaza (α-D 1,4 glucan maltohidrolaza) este o exoenzimă care se găseşte în plante, unele tulpini de microorganisme şi hidrolizează legăturile (1→4)-glicozidice, începând cu extremităţile terminale nereducătoare, eliberând β-maltoză. Enzimele specifice legăturii (1→6)-glicozidice, denumite enzime deramificatoare, hidrolizează doar legăturile (1→6)-glicozidice, asigurând deramificarea catenelor de amilopectină sau glicogen; au origine vegetală sau microbiană. Din această categorie fac parte două dintre enzimele cele mai studiate, de origine microbiană: pululanaza şi izoamilaza. Amiloglucozidaza sau glucoamilaza hidrolizează legăturile (1→4) sau (1→6)-glicozidice ale amilozei şi amilopectinei, eliberând glucoză. Această enzimă de origine microbiană (sp. Rhizopus şi sp. Aspergillus) acţionează mai rapid asupra catenelor lungi decât asupra celor scurte şi hidrolizează legăturile (1→4)-glicozidice mai rapid decât legăturile (1→6)-glicozidice. Ciclodextrin glicozil transferaza sau CGT-aza poate fragmenta amidonul puţin hidrolizat, degradarea enzimatică producând inele de 6 − 8 unităţi de glucoză denumite ciclodextrine (fig. 6.30).

107

Fig. 6.30. Structura chimică a tipurilor principale de ciclodextrine [15]

Ciclodextrinele α- şi γ se utilizează în industria alimentară. Datorită faptului că aceste molecule au o cavitate centrală hidrofobă şi una periferică hidrofilă, aplicaţiile în industria alimentară sunt următoarele: asigură protecţie împotriva oxidării, suprimă gustul amar nedorit, măresc solubilitatea. Amilazele prezintă numeroase aplicaţii industriale (panificaţie, industria berii etc.); sunt utilizate de asemenea, la prepararea produselor industriale zaharate fie sub formă de sirop conţinând 70% glucide (glucoză, maltoză, trioză, tetroză), fie sub formă de pulbere. Hidroliza chimică cu acizi diluaţi se realizează progresiv, producându-se succesiv dextrine, care se colorează cu iod în violet (apoi în roşu), apoi dextrine necolorate, maltoză şi în final, glucoză (tab. 6.8). Tabelul 6.8. Reprezentarea schematică a hidrolizei amidonului [5] Amidon ↓ Amilodextrină (nereducătoare, formează cu I2 culoare violetă) ↓ Eritrodextrină (slab reducătoare, formează cu I2 culoare roşie ↓ Acrodextrină (reducătoare, nu intră în reacţie cu I2) ↓ Maltodextrină (reducătoare, nu intră în reacţie cu I2) ↓ Maltoză (puternic reducătoare) ↓ Glucoză (puternic reducătoare) Avantajul hidrolizei chimice este hidroliza rapidă şi completă în glucoză; dezavantajul constă în existenţa defectelor de culoare şi gust, precum şi îmbogăţirea în săruri ca urmare a neutralizării. Reacţia generală de hidroliză chimică a amidonului în prezenţa sărurilor minerale este următoarea: (C6H10O5)n + H2O → nC6H12O6 108

Pentru scopuri industriale amidonul se extrage din cereale şi cartofi. El are numeroase întrebuinţări în industria alimentară, la obţinerea glucozei, melasei, alcoolului etilic, acidului lactic. Se utilzează, de asemenea, în industria celulozei şi a hârtiei, în industria textilă se utilizează ca material de apretat, în industria chimică ̶ la prepararea acetonei şi a cleiurilor, în industria farmaceutică. Amidonul este un agent tehnologic de îngroşare, stabilizare, gelificare, este un component al salamurilor, maionezei, ketchupului. Clicogenul este un biopolimer omogen format din resturi de α-B-glucopiranoză (>50 000). Este o poliglucidă de rezervă din celulele animale, reprezintă forma principală de stocare a glucozei în organism. Se găseşte în aproape toate ţesuturile, se depozitează sub formă de granule, în special, în celulele hepatice şi musculare. Glicogenul stocat în ficat se metabolizează în glucoză care este utilizată la nutriţia organismului întreg. Masa totala a glicogenului în ficat la adulţi poate să atingă 100 ̶ 120 g (8% din masa totală). Glicogenul se acumulează în muşchi în concentraţii mai mici (~ 1% din masa totală) atunci când aceştia sunt în repaos şi se transformă în glucoză pentru consum local la efort fizic. S-a identificat şi în unele drojdii, ciuperci, alge şi chiar în unele plante superioare. Glicogenul are o structură moleculară ramificată, asemănătoare amilopectinei, însă mai compactă, conţine în moleculă atât legături (1→4)-glicozidice, cât şi legături (1→6)-glicozidice în punctele de ramificaţie (fig. 6.31). Ramificaţiile sunt mai dese decât la amilopectină şi conţin fiecare între 8 ̶ 12 resturi de α-Dglucopiranoză.

Fig. 6.31. Structura moleculară a glicogenului [2]

Glicogenul este o poliglucidă nereducătoare, cu activitate optică dextrogiră, se prezintă sub formă de pulbere albă, se dizolvă mai uşor în apă decât amidonul, nu se gelifică, se colorează în roşubrun cu iodul. Greutatea moleculară a glicogenului este superioară amilopectinei. Degradarea glicogenului alimentar se realizează în mod similar cu hidroliza amilopectinei. Celuloza este o poliglucidă macromoleculară formată din resturi -D-glucopiranoză unite prin legături (1→4)-glicozidice, cu formula moleculară (C6H10O5)n. Resturile de glucoză din constituţia celulozei sunt rotite cu 180° una faţă de alta, iar numărul lor depăşeşte 15 000. Unitatea structurală a celulozei este celobioza. Macromoleculele de celuloză sunt filiforme, liniare, prezintă elasticitate şi rezistenţă mecanică. Aceste proprietăţi depind foarte mult de gradul de polimerizare. În ţesuturile vegetale mai multe molecule de celuloză se unesc între ele într-o micelă prin legături de hidrogen care conferă fibrelor de celuloză rezistenţă mecanică (fig. 6.32 A).

109

Fig. 6.32 A. Structura moleculară a celulozei [12]

Fig. 6.32 B. Fibre de bumbac [12]

Celuloza este un component structural important al peretelui celular la plantele verzi, la multe forme de alge şi la oomicete. În ţesuturile plantelor poate fi asociată cu diferiţi compuşi (hemiceluloze, lignine, pectine, răşini, taninuri, substanţe minerale). În regnul animal celuloza se găseşte în cantitate extrem de redusă. S-a identificat în carapacea unor animale marine, în mantaua melcilor. Celuloza este cea mai răspândită substanţă organică din natură, se găseşte în cantitate mare şi aproape pură în fibrele de bumbac – 90% (fig. 6.32), conţinutul de celuloză în lemnul copacilor ajunge până la 40 – 50%, în cânepă – 45% [12]. Celuloza este o substanţă albă, solidă, microcristalină, cu aspect amorf, fără gust şi miros. Nu se dizolvă în apă şi nici în solvenţi organici, însă prezenţa grupelor hidroxilice îi conferă un caracter hidrofil, care permite fixarea unui număr mare de molecule de apă, fibrele se îngroaşă prin hidratare, se colorează în albastru-violet cu iodul. Hidroliza chimică a celulozei se realizează prin fierbere cu acid sulfuric concentrat, în mod treptat, până ce se obţine -D-glucopiranoză. Pe cale biologică celuloza se hidrolizează în celobioză sub acţiunea enzimei celulaza. Celobioza, la rândul său, este degradată sub acţiunea enzimei celobiaza în -D-glucopiranoză. Cu toate că în organismul uman nu este metabolizată şi nu are valoare nutritivă, celuloza este utilizată în produsele alimentare datorită rolului benefic în fiziologia gastro-intestinală (accelerează mişcările peristaltice, tranzitul intestinal, normalizează microflora intestinului, stimulează eliminarea toxinelor). Celuloza şi derivaţii săi au o largă întrebuinţare la obţinerea hârtiei, gelurilor, mătasei şi lânei artificiale, lacurilor, maselor plastice, filmurilor etc. Chitina este o poliglucidă omogenă, formată din derivaţi ai monoglucidelor, prezentă în carapacea crustaceelor, în tegumentul insectelor, al viermilor etc. Se găseşte, de asemenea, în peretele celular al majorităţii ciupercilor, unde îndeplineşte rolul celulozei în plante, de substanţă de susţinere. Chitina are o structură liniară, este formată din resturi de β-D-glucozamină-N-acetică, unite prin legături glicozidice de tip β(1→4) (fig. 6.33).

110

Fig. 6.33. Structura moleculară a unui segment de chitină [4]

Chitina este o poliglucidă rezistentă la agenţi fizici şi chimici. Prin hidroliza completă chitina formează β-D-glucozamină şi acid acetic, în proporţii echimolare. Are o structură asemănătoare celulozei, moleculele de glucozoamină fiind rotite unele faţă de altele cu 180°. Se consideră că chitina este a doua cea răspândită poliglucidă pe pământ după celuloză. Acest poliglucid poate fi utilizat în industria alimentară, ca agent de emulsificare şi îngroşare [5]. Dextranul este o poliglucidă de rezervă întâlnită la unele specii de bacterii şi drojdii. Are o structură ramificată formată din resturi de D-glucoză unite prin legături α(1→6)-glicozidice, iar în punctul de ramificaţie sunt prezente legături α(1→3)-glicozidice (fig. 6.34). Dextranul a fost descoperit de Louis Pasteur ca un produs microbian în vin [19]. Este sintetizat din zaharoză de unele specii de bacterii acidolactice, cele mai cunoscute fiind Leuconostoc mesenteroides, Lactobacillus brevis şi Streptococcus mutans. Este un component de bază al plăcii dentare bacteriene. În apă dextranul se gelifică. În industria alimentară este folosit ca agent de îngroşare, gelificare şi emulsionare. Dextranul sintetic este un component al unor Fig. 6.34. Structura moleculară a dextranului [19] produse comerciale (Sephadex) utilizate în cromatografie pentru separarea macromoleculelor. Este folosit în medicină în calitate de preparat pentru reducerea viscozităţii sângelui. Dextranul, de asemenea, se foloseşte în calitate de component în substituenţii plasmei sangvine umane [2]. Inulina este o poliglucidă omogenă nereducătoare formată din molecule de -D-fructofuranoză unite prin legături (2→1)-glicozidice, având o moleculă de glucoză terminală (fig. 6.35 A). Această poliglucidă este alcătuită din catene neramificate, are un grad mic de polimerizare, molecula sa fiind formată în medie din 30 ̶ 35 de resturi de -D-fructoză. Inulina se prezintă sub formă de pulbere cu aspect amorf sau sub formă de cristale, este dulce, uşor solubilă în apă caldă şi greu solubilă în apă rece. Are masa moleculară de 5000 ̶ 6000 D. Se degradează hidrolitic în mediu acid şi sub acţiunea enzimei inulaza. Este larg răspândită în regnul vegetal, îndeplinind rolul de poliglucid de rezervă la unele specii. Se găseşte în tuberculii de topinambur (Helianthus tuberosus), ceapă (Allium cepa), usturoi (Allium sativum), numeroase plante din familia Compositae, Liliaceae. La scară industrială, cel mai frecvent, inulina se extrage din rădăcinile de cicoare (fig. 6.36 B) şi topinambur.

111

Fig. 6.35 A. Structura moleculară a fructanului inulina [28]

Fig. 6.35 B. Rădăcini de cicoare (Cichorium intybus) [13]

În zilele noastre, rădăcina de cicoare este un înlocuitor de cafea foarte popular, iar părțile aeriene sunt folosite în scop culinar; frunzele bazale, cu un gust ușor amărui, se folosesc în salate asortate, precum și în pregătirea unor mâncăruri specifice bucătăriei franceze și italiene [14]. Efectele terapeutice ale cicorii sunt cunoscute din antichitate. Astfel, în Egiptul antic cicoarea era cultivată ca plantă medicinală, fiind folosită pentru tratarea bolilor hepato-biliare și renale. În prezent plantele de cicoare se folosesc în tratarea furunculozei și acneei, dischineziilor biliare, constipațiilor cronice, hepatitelor cronice etc. Datorită faptului că are proprietatea de a stimula multiplicarea unor bacterii (Lactobacillus şi Bifidobacterium) benefice pentru colon, inulina este considerată un probiotic. Inulina reduce absorbţia de zahăr din sânge, iar hiperglicemia care apare după o masă poate fi prevenită prin consumul de fibre alimentare solubile existente în acest compus; poate fi consumată şi de diabetici. De asemenea, inulina poate facilita absorbţia calciului prevenind osteoporoza. Mananul este un poliglucid format din resturi de β-manoză. Se conţine în plante superioare, în alge marine, în drojdii. Mananul vegetal reprezintă un poliglucid de rezervă, cu structură liniară, la care resturile de β-manoză se unesc prin legături (1→4)-glicozidice. O sursă bogată de manan sunt fructele palmierului Phytelephas aequatorialis (Planta elefantului) [32]. Se găseşte, de asemenea, în sâmburii de curmale (Phoenix dactylifera), seminţe de orz şi grâu, în rădăcinile sparanghelului (Asparagus officinalis) şi cicoare (Cichorium intybus). Mananul din componenţa peretelui celular al drojdiilor este un poliglucid de suport, cu structură ramificată, la care resturile de manoză se unesc prin legături α(1→6)-glicozidice, iar în punctele de ramificaţii se asociază prin legături α(1→2) şi α(1→3)-glicozidice [32]. Arabanii sunt poliglucidele formate din L-arabinoză. Au o structură asemănătoare amilopectinei, dar cu ramificaţii rare. Pe catenele liniare au legături α(1→5)-glicozidice, iar la nivelul ramificaţiilor legături α(1→2)-glicozidice. Au masa moleculară în jur de 6,000 [3]. Arabanii intră în componenţa hemicelulozelor, a gumelor vegetale, a substanţelor pectice, deci în constituţia unor poliglucide neomogene. Se pot izola prin extracţie cu alcool 70% din pulpa unor fructe (mere, cireşe, gutui etc.). Soluţiile arabanilor sunt optic active, levogire. Sunt uşor solubili în apă. Soluţiile arabanilor sunt rezistente în mediul bazic, dar uşor hidrolizabile în mediu acid, obţinându-se L-arabinoză cu un randament de 95%. Xilanii sunt poliglucidele care se găsesc predominant în pereţii celulari ai plantelor superioare şi în algele marine (fig. 6.36). Ei însoţesc în plante celuloza de care se pot separa prin tratare cu soluţie de NaOH 10% şi precipitare cu alcool. În cantitate mare se găsesc în cocenii de porumb, în paie, lemn de fag etc. 112

Fig. 6.36. Structura moleculară a xilanului [38]

Xilanii sunt formaţi din D-xiloză şi legături β(1→3)- şi β(1→4)-glicozidice [3]. Se cunosc mai multe tipuri de xilani. Xilanii omogeni, componenţi ai algelor marine, sunt formaţi doar din D-xiloză. Există xilani, ca cei din ierburi, care pe lângă D-xiloză conţin un număr mic de unităţi de L-arabinoză unite de scheletul xilanic prin legături α(1,3)-glicozidice [38]. Se cunosc, de asemenea, xilani neomogeni ca cei din frunzele şi paiele de grâu, care pe lângă xilo-

ză, conţin L-arabinoză şi acid glucuronic.

Poliglucidele neomogene Poliglucidele neomogene sunt substanţe larg răspândite în natură, care predomină în regnul vegetal şi au un rol însemnat în sudura ţesuturilor, în special ale celor de susţinere. Poliglucidele neomogene se clasifică în două grupe: poliglucide fără acizi uronici şi poliglucide cu acizi uronici. Poliglucidele fără acizi uronici sunt formate din resturi de monoglucide diferite. Ele însoţesc în plante celuloza. Dintre aceste poliglucide menţionăm arabo-xilani, gluco-manani, galacto-fructani, galacto-manani, galacto-arabani, gluco-xilani, arabo-xilani etc. Poliglucidele cu acizi uronici au reprezentanţi importanţi atât în regnul vegetal, cât şi cel animal. Dintre aceste poliglucide pot fi menţionate următoarele: hemicelulozele, substanţele pectice, gumele şi mucilagiile vegetale, mucopoliglucidele şi imunopoliglucidele. 1. Heteropoliglucide provenite de la bacterii şi alge marine. Din această clasă fac parte peptidoglicanul sau mureina (heteropoliglucid bacterian) şi agarul (heteropoliglucid algal). Peptidoglicanul este un component rigid al peretelui celular bacterian, un heteropolimer liniar alcătuit din resturi de N-acetilglucozoamină (GlcNAc) şi acid muramic-N-acetilat (Mur2Ac) unite prin legături β(1→4)-glicozidice (fig. 6.37). Lanţul peptoglicanului se intercalează cu peptide scurte, ale căror structură variază în funcţie de specia bacteriei. Segmentul peptidic al peptoglicanului previne umflarea şi liza celulei în timpul osmozei. Antibioticul penicilina blochează sinteza segmentelor peptidice, peretele celular nu rezistă lizei osmotice şi bacteria moare. Lizozimele prezente în lacrimile omului hidrolizează legăturile β(1→4)-glicozidice între N-acetilglucozoamină şi acid muramic-N-acetilat, asigurând astfel o barieră împotriva infecţiilor bacteriene în ochi. Fig. 6.37. Structura moleculară a peptoglicanului [4] Agarul este o heteropoliglucidă prezentă în algele marine. A fost extras, pentru prima dată, din algele Rhodophyta în sec. XVII în Japonia [9]. Este alcătuit dintr-un amestec de agaroză (polimer liniar) şi agaropectină (polimer ramificat).

113

Agaroza este un polimer liniar din unităţi repetitive de agarobioză, cu masa moleculară de 120.000, alcătuită la rândul său, dintr-o diglucidă D-galactoză şi 3,6-Anhidro-L-galactopiranoză unite prin legături α(1→3) şi β(1→4)-glicozidice (fig. 6.38). Compusul 3,6-Anhidro-L-galactopiranoza reprezintă o L-galactoză cu o punte anhidrică între atomii C3 şi C6. Fiecare lanţ de agaroză conţine ~800 molecule de galactoză. O parte din moleculele de D-galactoză şi L-galactoză sunt metilate. Agaropectina este un amestec eterogen format din unităţi de D-galactoză şi L-galactoză şi Fig. 6.38. Structura moleculară a agarozei [4] cantităţi mici de sulfaţi şi piruvaţi. Agaroza prezintă o importanţă deosebită datorită proprietăţilor sale. Dacă se încălzeşte o suspensie de apă cu agaroză şi apoi este răcită, se formează un gel (o reţea tridimensională) care fixează moleculele de apă în cavitatea centrală. Agarul se utilizează pe larg în:  cercetările de biochimie şi genetică ̶ în calitate de suport (plăci electroforetice) pentru separarea macromoleculelor (acizilor nucleici, proteinelor, enzimelor);  cercetările de microbiologie ̶ la prepararea mediilor nutritive solide pentru reproducerea bacteriilor (fig. 6.39 A);  cercetările de fiziologie şi ameliorare a plantelor ̶ la cultivarea celulelor şi ţesturilor vegetale in vitro;  industria alimentară ̶ în calitate de aditiv alimentar la prepararea jeleurilor, pastelor, gemurilor, ciocolatei, îngheţatei, cremelor (fig. 6.39 B);  medicină ̶ în calitate de substanţă laxativă;  farmaceutică ̶ la încapsularea medicamentelor.

Fig. 6.39 B. Mizu yōkan ̶ jeleu de desert preparat în Japonia din fasolă roşie, agar şi zahăr [9]

Fig. 6.39 A. Eritrocite cultivate pe agar în scopul diagnosticării infecţiilor bacteriene [9]

2. Hemiceluloza este o poliglucidă care se conţine, împreună cu celuloza şi lignina, în pereţii celulari ai plantelor. În lemn, cocenii de porumb, paie, conţinutul de hemiceluloze variază într-un diapazon de 17 – 40% [3]. Se pot separa de celuloză prin dizolvare în soluţii alcaline de o anumită concentraţie. Se cunosc două tipuri de hemiceluloze. Unele care au masa moleculară mai mică şi sunt uşor hidrolizabile îndeplinesc rolul de poliglucide de rezervă. Altele sunt greu hidrolizabile, au o masa moleculară mare şi îndeplinesc în celulă rolul de substanţe de susţinere în componenţa pereţilor celulari. Hemicelulozele sunt macromolecule alcătuite din pentoze (L-arabinoză, D-xiloză), hexoze (Dglucoza, D-galactoza, D-fructoza), precum şi din acizi uronici (acid D-galacturonic, D-manuronic). Spre deosebire de celuloză, hemicelulozele au un grad mai mic de polimerizare (150 – 200 de unităţi monomere) şi o structură ramificată a catenei.

114

Enzimele implicate în degradarea hemicelulozelor formează un grup eterogen alcătuit din xilanaze, mananaze, galactanaze; mecanismul de acţiune al acestor enzime este identic cu cel al celulazelor, acţionând în interiorul catenei, începând cu extremitatea nereducătoare a oligoglucidelor. Hemicelulozele se utilizează ca materie primă în industria hârtiei, în industria de extracţie pentru eliminarea tulburelii sucului de fructe, pentru a creşte randamentul de extracţie a amidonului de grâu. 3. Substanţele pectice (pectine) sunt substanţe gelifiante amorfe care intră în structura pereţilor celulari. Pectinele înconjoară microfibrele de celuloză, asigură elasticitatea pereţilor celulari şi starea de turgescenţă a celulelor vegetale. Participă la reglarea gradului de hidratare a ţesuturilor vegetale deoarece au o capacitate sporită de menţinere a apei, măresc rezistenţa plantelor la secetă, asigură stabilitatea fructelor în timpul păstrării. Elementul structural principal al pectinelor este acidul Dgalacturonic (fig. 6.40 A, fig. 6.40 B), dar în componenţa Fig. 6.40 A. Structura moleculară a pectinelor se întâlnesc şi alte glucide, precum: D-galactoza, Lacidului D-galacturonic [16] ramnoza, L-arabinoza, D-xiloza. În unele pectine au fost iden tificate, de asemenea, molecule de D-glucoză, 2-metil-D-xiloză. După proprietăţile fizico-chimice pectinele se împart în câteva fracţii [6], care se deosebesc prin solubilitate şi gradul de metoxilare al acidului galacturonic: a) protopectina; b) pectina solubilă; c) acidul pectinic; d) acidul pectic.

Fig. 6.40 B. Structura moleculară a pectinei [44]

Protopectina este alcătuită din acidul poligalacturonic legat cu o glucidă neutră polimerică din pereţii celulari, de regulă, galactani şi arabani. Este insolubilă în apă, intră în componenţa pereţilor celulari. Poate fi extrasă din ţesuturile vegetale cu soluţii diluate ale acizilor oxalic, citric, clorhidric. Prin hidroliza acidă sau enzimatică protopectina se eliberează de partea poliglucidă neutră care este greu solubilă în apă şi se transformă în pectină solubilă. Acest proces are loc în timpul coacerii fructelor, continuă după recoltare şi păstrare. Pectina solubilă se conţine, în special, în sucul celular. Se extrage uşor cu apa. În formă uscată prezintă o pulbere fără miros, de culoare albă, gri sau cafenie. Are o sarcină negativă datorită disocierii grupărilor carboxilice. Pectina solubilă are proprietăţi de coloizi liofilici, formează geluri cu zaharoză (58%) în mediu acid (pH 2,6 ̶ 3,1). Capacitatea de gelificare depinde de masa moleculară şi gradul de metoxilare. Soluţiile pectinelor au viscozitate sporită şi un caracter coloidal puternic. Acidul pectinic reprezintă un acid poligalacturonic macromolecular. Conţine până la 200 resturi de acid galacturonic, este slab solubil în apă, se sedimentează uşor sub formă de pectat de calciu. Acidul pectic conţine până la 100 resturi de acid galacturonic. Sărurile metalelor alcaline sunt solubile în apă, iar sărurile metalelor polivalente sunt insolubile. În cantitate mai mare pectinele se găsesc în pulpa fructelor cărnoase (40 ̶ 50%), în rădăcini, tulpini, în măduva plantelor anuale, în fibrele de in, cânepă, în ţesutul lemnos al arborilor, seminţele unor fructe (coacăze, mere, gutui şi citrice). Cele mai bogate în pectine sunt legumele ̶ sfecla de masă, morcov, ardei, dovleac, vinete, precum şi fructele ̶ mere, vişine, prune, gutui, pere, citrice. Din punct de vedere structural, în cadrul clasei pectinelor sunt câteva grupe distincte [33].

115

 Homogalacturonanii sunt polimeri liniari din molecule de acid D-galacturonic unite prin legături α(1→4)-glicozidice.  Xilo-şi apiogalacturonanii se caracterizează prin prezenţa unor resturi de zaharuri D-xiloza şi D-apioza care se ramifică de la catena principală.  Ramnogalacturonanii I (RG-I) sunt substanţe polimere alcătuite din diglucide repetitive: 4)-α-D-Acid galacturonic-(1→2)-α-L-ramnoză-(1. De la multe resturi de ramnoză se ramifică unele monoglucide, precum D-galactoza, L-arabinoza şi D-xiloza.  Ramnogalacturonanii II (RG-II) reprezintă un poliglucid puternic ramificat, întâlnit mai rar în natură, alcătuit doar din resturi de acid D-galacturonic. Moleculele de acid galacturonic au grupe carboxilice care conferă pectinei capacitatea de a realiza schimburi de ioni. În natură circa 80% din aceste grupări sunt esterificate de către grupe metil, iar altele reacţionează cu ioni de K+ sau Ca2+. Există mai multe sisteme enzimatice capabile să degradeze pectinele. Aceste enzime sintetizate atât de plante, cât şi de microorganisme sunt de tipul pectinesterazelor (pectinliaze) sau depolimerazelor (poligalacturonaze). Proprietatea caracteristică a pectinei este capacitatea ei de a forma un gel în prezenţa acizilor şi a zahărului. Astfel, pectinele puternic metilate (aproximativ 70%) formează geluri în mediu foarte dulci şi acid, în timp ce pectinele uşor metilate (mai puţin de 50%) pot forma un gel, în mediu relativ dulce şi puţin acid, condiţia fiind prezenţa calciului sau a altui cation bivalent. La scară industrială pectina se extrage din citrice (~70%) şi mere (~30%), iar producţia anuală globală este de aproximativ 28 ̶ 30 mii tone. Pectinele pentru utilizare industrială, obţinute din diferite surse vegetale se prezintă sub formă de pulberi amorfe, fără miros, de diferite culori, de la crem până la cafeniu închis. În industria alimentară pectinele sunt utilizate ca agenţi de gelificare, de îngroşare şi în calitate de stabilizatori ai băuturilor alcoolice şi produselor lactate. Se utilizează în industria de cofetărie pentru formarea gelurilor, la producerea bomboanelor, marmeladei, maionezei, ketchiupului, îngheţatei, gemurilor, dulceţei; este înregistrată în calitate de aditiv alimentar E440 [44]. În industria medicală şi farmaceutică se folosesc în calitate de substanţe biologic active, la încapsularea medicamentelor. Substanţele pectice reglează activitatea intestinului, participă la detoxificarea metalelor grele. 4. Gumele şi mucilagiile vegetale reprezintă heteroglicani care formează, prin hidratare, soluţii mai vâscoase decât gelatina sau cleiul de amidon. Se găsesc sub formă de secreţii în scoarţa unor arbori (salcâm tropical, cireş, prun etc.) şi în fructe cu sâmburi tari. Gumele arborilor. Există două specii de arbori, care sunt exploatate masiv pentru a produce aceşti compuşi: Acacia verek şi Acacia seyal. Gumele de Acacia verek (gume arabice) sunt săruri neutre sau uşor acide de poliglucide cu structură ramificată foarte complexă, formate din monoglucide (galactoză, arabinoză, ramnoză, acid D-galacturonic), în proporţie variabilă. Catena principală este simplă şi regulată formată din resturi de galactoză, iar ramificaţiile încep, de asemenea, cu galactoza. Cationul legat la grupele –COOH ale acidului galacturonic este variabil (Ca2+, Mg2+, K+). Atunci când cationul lipseşte, rezultă acidul arabic, relativ tare, format numai din monoze. Mai există şi gume specifice pomilor fructiferi (vişini, pruni, migdali) care se formează în ţesuturile lezate. Compoziţia gumelor variază în funcţie de tipul arborilor de la care provin. Bunăoară, cleiul de vişin conţine resturi de galactoză, manoză, arabinoză, acid glucuronic şi cantităţi mici de xiloză. Guma arabică este folosită ca agent de emulsifiere şi stabilizare (în produsele coapte). Are rol în separarea zahărului cristalizat şi a grăsimilor din produsele de patiserie, precum şi în formarea gheţii în unele sortimente de îngheţată. În vinificaţie se utilizează pentru stabilizarea substanţelor colorante în vinurile roşii.

116

Gumele seminţelor. Cele mai cunoscute gume obţinute din seminţe sunt: guma de caruba, guma guar, guma tara. Guma de caruba provine din seminţele de roşcov (Ceratonia siliqua), un arbore din bazinul mediteranian. Este o heteropoliglucidă formată dintr-o catenă polimanozică (1→4) cu o ramificaţie (un rest de galactoză) la un număr de 4 sau 5 resturi de manoză. Este utilizată ca agent de glazurare în produsele de cofetărie şi agent de îngroşare cunoscut sub numărul E410 [5]. Guma guar provine dintr-o plantă ierboasă anuală (Cyamopsis tetragonolobus) din familia Fabaceae. Are aceeaşi structură cu a gumei caruba, dar cu mai multe ramificaţii; în medie prezintă 60% manoză şi 40% galactoză. Făina de guar se utilizează în industria alimentară în calitate de agent: a) de îngroşare şi stabilizator ̶ în sosuri, îngheţată, băuturi răcoritoare, sucuri; b) de omogenizare ̶ în pâine, produse de patiserie şi lactate. Guma de guar este folosită, de asemenea, în prelucrarea cărnii şi caşcavalului; este înregistrată în calitate de aditiv alimentar sub numărul E412 [5]. Guma tara este extrasă din seminţele unui arbore din America de Sud (Caesalpinia spinosa). Are aceeaşi structură cu a gumei caruba, dar un raport între galactoză/manoză de 1/3, o masă moleculară ridicată, şi este mai vâscoasă. Guma tara este utilizată în calitate de agent de îngroşare, în industria alimentară având prescurtarea E417 [5]. 5. Glicozoaminoglicanii (mucoploiglucide) sunt heteropoliglucide extracelulare cu grupări aminice, caracteristice regnului animal. Această clasă reprezintă o familie de polimeri liniari alcătuiţi din unităţi diglucidice repetitive (tab.6.6): o aminoglucidă N-acetilată (glucozoamină sau galactozoamină) şi un acid uronic (acid D-glucuronic sau acid L-iduronic). Una sau mai multe grupări hidroxilice ale unor aminoglucide sunt esterificate cu sulfaţi. Mucopoliglucidele contribuie la formarea ţesuturilor conjunctiv, cartilaginos, osos, determină cimentarea celulelor ţesutului conjunctiv, asigură viscozitatea, adeziunea şi elasticitatea matrixului extracelular. Se găsesc în stare liberă sau legate de proteine sau lipide. De exemplu, glicozoaminoglicanii ataşaţi de proteinele extracelulare formează proteoglicani. Din clasa glicozoaminoglicanilor fac parte: acidul hialuronic, acidul condriotin-4-sulfat, keratan sulfat şi heparina. Acidul hialuronic este alcătuit din resturi de acid D-glucuronic şi glucozoamină-N-acetilată (tab. 6.9). Având aproximativ 50 000 de unităţi diglucidice repetitive, hialuronaţii au o masă moleculară care depăşeşte 1 000 000 D. Hidroliza enzimatică a acidului hialuronic se realizează sub acţiunea enzimei hialuronidaza. Este prezent în toate ţesuturile şi fluidele corpului uman, reprezintă un component esenţial al matricei extracelulare a cartilajelor şi tendoanelor, reprezintă substanţa de cimentare a ţesutului conjunctiv şi are rol în legarea apei din spaţiile interstiţiale ale celulelor, asigurând astfel legătura dintre celule. Ceilalţi reprezentanţi ai glicozoaminoglicanilor, au o masă moleculară cu mult mai mică şi se asociază prin legături covalente de proteine specifice formând proteoglicani. Acidul condroitinsulfuric (condroitin-4-sulfat) contribuie la elasticitatea cartilajelor, tendoanelor, ligamentelor, pielei şi a pereţilor aortei, este prezent în vasele sangvine. Acest polimer este format din unităţi repetitive de acid D-glucuronic (GlcA) şi N-acetil-β-Dgalactozoaminsulfat (tab. 6.9). Multe resturi de acid Dglucuronic din moleculă pot fi substituite de epimerul său Fig. 6.41. Acizii iduronic şi glucuronic ̶ acidul L-iduronic (fig. 6.41). componenţi ai condroitinsulfatului [4] Keratansulfatul este o heteropoliglucidă cu un conţinut variabil de sulfaţi, lipsită de acizi uronici. Este prezentă în cartilaje, oase, coarne, păr, copite, unghii şi ghiare. Heparina este o substanţă polimeră foarte acidă, datorită conţinutului crescut de acid sulfuric. Prin hidroliză, formează acid glucuronic, glucozamină, acid sulfuric şi acid acetic. Este un anticoagulant natural produs de mastocite, apoi eliberat în sânge unde se asociază cu un factor proteic

117

antitrombina. Complexul format inhibă coagularea sângelui şi previne formarea trombozelor. Heparina purificată se adaugă în sângele donat pentru transfuzie pentru a evita coagularea acestuia. Tabelul 6.9. Unităţile repetitive ale glicozoaminelor din matricea celulară [4] Acidul hialuronic

№ unităţilor repetitive ~50,000

Condroitin-4-sulfat

~20 ̶ 60

Keratansulfat

~25

Heparină

~15 ̶ 90

Glicozoaminoglicani

Diglucide repetitive

6.5. ROLUL BIOLOGIC AL GLUCIDELOR În organismele vii glucidele îndeplinesc următoarele funcţii. 1. De structură şi susţinere. Glucidele sunt componente ale diferitor structuri celulare de susţinere. Astfel, peptoglicanul conferă rigiditate şi rezistenţă capsulei bacteriene, dextranul asigură 118

adeziunea extracelulară la bacterii, agaroza este un component al peretelui celular la alge, celuloza şi hemiceluloza sunt componente ale pereţilor celulari la plante, chitina este un component al peretelui celular la ciuperci şi al exoscheletului la artropode. Galactoza este un component al galactolipidelor prezente în membranele celulare ale plantelor şi ale glicoproteinelor tisulare. 2. De sinteză. Glucidele intră în componenţa unor molecule complexe. De exemplu, pentozele riboza şi dezoxiriboza sunt componente ale moleculelor de ATP, ADN, ARN. Triozele sunt produse intermediare în respiraţie, fotosinteză şi în alte procese ale metabolismului glucidic. Ribuloza şi xiluloza sunt metaboliţi în ciclul pentozofosfaţilor. Manoza participă în metabolismul uman, în special la glicozilarea unor proteine [11]. 3. De rezervă. Glucidele se acumulează în unele organe vegetale şi animale în calitate de substanţe nutritive de rezervă. Bunăoară, glicogenul se stochează în ficatul animalelor, iar amidonul şi inulină ̶ în endospermul seminţelor la plante. Trehaloza, glucida principală a insectelor, este hidrolizată rapid în două molecule de glucoză pentru a susţine energetic zborul acestora [11]. 4. Energetică. De regulă, glucoza este principala sursă de energie în celulă. Astfel, la oxidarea a unui gram de glucoză se degajă 3,9 kcal/mol, a unui gram de amidon se degajă 4,2 kcal/mol [1]. 5. Osmotică. Glucidele participă la reglarea presiunii osmotice în organism. Bunăoară, presiunea osmotică a sângelui depinde de concentraţia de glucoză. 6. Receptoare. Oligoglucidele sunt o parte componentă a receptorilor celulari. TESTE DE EVALUARE 1. Completaţi spaţiile libere din text. 1.1. Monoglucidele cu grupa......................se numesc aldoze, iar cele cu grupa ........................ – cetoze. 1.2. .............................................la plante şi .................................la animale sunt poliglucide de rezervă. 1.3. Celuloza este un polimer ............................format prin legături......................................................... 1.4. Procesul transformării protopectinei în pectină are loc....................................................................... 1.5. Pentozele riboza şi dezoxiriboza sunt componente ale........................................................................ 2. Alegeţi răspunsul corect din două variante alternative: Da / Nu. 2.1. Prin încălzire monoglucidele se caramelizează. 2.2. Amiloza se gelifică. 2.3. Poliglucidele de ordinul II sunt dulci şi solubile în apă. 2.4. Mucopoliglucidele sunt caracteristice regnului animal. 2.5. Celuloza este un metabolit în ciclul pentozofosfaţilor. 3. Alegeţi varianta sau variantele de răspuns corecte. 3.1. Cel mai răspândit glucid pe Pământ: а) zaharoză; b) amidon; c) celuloză; d) glicogen. 3.2. Glucide cu proprietăţi reducătoare: a) zаharoză; b) lactoză; c) maltoză; d) celobioză. 3.3. Zaharoză: а) glucoză + glucoză; b) fructoză + glucoză; c) glucoză + galactoză; d) fructoză + fructoză. 3.4. Cea mai dulce monoglucidă: a) glucoză; b) fructoză; c) galactoză; d) manoză. 3.5. Maltoza poate fi folosită în: a) panificaţie; b) industria laptelui; c) industria berii

119

4. Asociaţi. Clasificarea glucidelor după reacţia de hidroliză 1. Monoglucide A. Fructoză 2. Oligoglucide B. Amidon 3. Poliglucide C. Hemiceluloză D. Maltoză E. Dezoxiriboză

F. Lactoză G. Rafinoză H. Xiloză I. Celuloză K. Zaharoză

5. Selectaţi termenul care nu se încadrează în grupul tematic prezentat şi explicaţi de ce l-aţi separat. 5.1. Amidon; glicogen; pectină; celuloză; hemiceluloză. 5.2. Amidon; inulină; glicogen; celuloză. 5.3. Zaharoză; maltoză; galactoză; lactoză; rafinoză; stahioză. 6. Completaţi tabelul. Amiloză/Amilopectină Asemănări 1. 2. 3. 4.

Deosebiri 1. 2. 3. 4.

7. Scrieţi un referat la tema. 7.1. Clasificarea glucidelor. 7.2. Proprietăţile fizico-chimice ale glucidelor. 7.3. Funcţiile glucidelor în celulă. 7.4. Rolul glucidelor în fermentaţiile folosite în industria alimentră.

120

GLOSAR Chemosinteză ̶ fenomen prin care organismele vii folosesc, în sintezele organice, energia chimică rezultată prin oxidarea unor substanțe minerale. Fotosinteză ̶ proces fiziologic prin care plantele verzi sintetizează substanțele organice din dioxid de carbon și apă cu ajutorul luminii solare absorbite de clorofilă și eliberează oxigen. Glicocalix ̶ înveliş periferic la suprafaţa celulelor animale alcătuit din glicolipide şi glicoproteine. Laxativ ̶ Substanță, medicament care posedă proprietăți purgative. Lizozimă ̶ enzimă în secreția a numeroase mucoase (oculară, nazală etc.), având proprietăți bactericide, analgezice. Mastocite ̶ celule din țesutul mezenchimatos, care intră în rețeaua de susținere a unor organe (splină, ganglioni, măduvă etc.), cu rol fagocitar. Oomicete ̶ organisme eucariote filamentoase, microscopice din regnul Fungi care se pot reproduce sexuat şi asexuat. Osteoporoză ̶ leziune osoasă caracterizată prin subțierea și rarefierea oaselor. Probiotice ̶ o serie de microorganisme care au capacitatea de a străbate stomacul fără a fi distruse de sucul gastric şi care, odata ajunse la nivel intestinal, faciliteaza refacerea florei intestinale şi menţinerii echilibrului colonic. Proteoglicani ̶ proteine glicolizate. Purină ̶ compus organic heterociclic, unitate de bază a acidului uric, care formează adenina și guanina din structura acizilor nucleici. Rutinoză ̶ diglucidă formată din ramnoză şi glucoză unite prin legături α(1→6)-glicozidice prezentă în unele flavonoide, glicozide.

121

BIBLIOGRAFIE 1. Duca, M. Fiziologie vegetală. − Chişinău, CEP USM, 2006.- 288 p. 2. Koolman, J., Roehm, K. Color Atlas of Biochemistry. Second edition, revised and enlarged, Stuttgart, New-York, 2005.-476 p. 3. Neamţu, G., Cîmpeanu, G., Socaciu, C. Biochimie vegetală: (partea structurală). – Bucureşti: Editura didactică şi pedagogică, 1993.-347 p. 4. Nelson, D., Cox, M. Lehninger Principles of Biochemistry. Publisher: W. Freeman; 4th edition, April 23, 2004.- 1110 p. 5. Oprică, L. Biochimia produselor alimentare. – Iaşi: Tehnopresss, 2011.-384 p. 6. Vrabie T., Musteaţă G. Biochimie. − Chişinău: U.T.M., 2006.- 234 p. 7. Кретович В.Л. Биохимия растений. М.: Высшая школа, 1986. - 503 с. 8. Титова, Н., Савченко, А., Замай, Т. Боровкова, Г., Субботина, Т., Инжеваткин Е. Биохимия и молекулярная биология: конспект лекций – Россия, Красноярск, 2008. 9. http: Agar //en.wikipedia.org/wiki/Agar 10. http: Aminosugars //en.wikipedia.org/wiki/Aminosugars 11. http: Carbohydrates //en.wikipedia.org/wiki/Carbohydrates 12. http: Cellulose //en.wikipedia.org/wiki/Cellulose 13. http: Chicory //en.wikipedia.org/wiki/Chicory 14. http: Cicoare //ro.wikipedia.org/wiki/Cicoare 15. http: Cyclodextrin //en.wikipedia.org/wiki/Cyclodextrin 16. http: D-Galacturonic acid //en.wikipedia.org/wiki/D-Galacturonic_acid 17. http: Deoxy sugars //en.wikipedia.org/wiki/Deoxy_sugars 18. http: Deoxyribose //en.wikipedia.org/wiki/Deoxyribose 19. http: Dextran //en.wikipedia.org/wiki/Dextran 20. http: Disaccharide //en.wikipedia.org/wiki/Disaccharide 21. http: Gluconate //en.wikipedia.org/wiki/Gluconate 22. http: Gluconolactone //en.wikipedia.org/wiki/Gluconolactone 23. http: Glucuronate //en.wikipedia.org/wiki/Glucuronate 24. http: Glucose //en.wikipedia.org/wiki/Glucose 25. http: Glycoside //en.wikipedia.org/wiki/Glycoside 26. http: Fucoidan //en.wikipedia.org/wiki/Fucoidan 27. http: Hexoses //en.wikipedia.org/wiki/Hexoses 28. http: Inulin //en.wikipedia.org/wiki/Inulin 29. http: N-Acetylglucosamine //en.wikipedia.org/wiki/N-Acetylglucosamine 30. http: N-Acetylmuramic_acid //en.wikipedia.org/wiki/N-Acetylmuramic_acid 31. http: N-acetylneuraminic acid //en.wikipedia.org/wiki/N-acetylneuraminic_acid 32. http: Mannan //en.wikipedia.org/wiki/Mannan 33. http: Pectin //en.wikipedia.org/wiki/Pectin 34. http: Rhamnose //en.wikipedia.org/wiki/Rhamnose 35. http: Sugar acids //en.wikipedia.org/wiki/Sugar_acids 36. http: Tetrasaccharide //en.wikipedia.org/wiki/Tetrasaccharide 37. http: Trisaccharide //en.wikipedia.org/wiki/Trisaccharide 38. http: Xylan //en.wikipedia.org/wiki/Xylan 39. http: Альдиты //ru.wikipedia.org/wiki/Альдиты 40. http: Гептозы //ru.wikipedia.org/wiki/Гептозы 41. http: Гликолевый альдегид //ru.wikipedia.org/wiki/Гликолевый_альдегид 42. http: Крахмал //ru.wikipedia.org/wiki/ Крахмал 43. https: Моносахариды //ru.wikipedia.org/wiki/Моносахариды 44. http: Пектин //ru.wikipedia.org/wiki/Пектин 45. http: Триозы //ru.wikipedia.org/wiki/Триозы 46. http: Трисахариды //ru.wikipedia.org/wiki/Трисахарид

122

CAPITOLUL 7. LIPIDELE 7.1. Aspecte generale 7.2. Acizii graşi 7.3. Lipidele simple 7.4. Lipidele complexe 7.5. Compuşii cu caracter lipidic 7.6. Rolul biologic al lipidelor 7.1. ASPECTE GENERALE Lipidele constituie o clasă eterogenă de compuşi naturali, pe larg răspândiţi în organismele vii. Se caracterizează, în general, printr-o structură hidrofobă apolară, care le conferă solubilitate în solvenţi organici (cloroform, acetonă, benzen, eter etilic etc.) şi insolubilitate în apă şi săruri minerale. Lipidele sunt molecule formate, în principal, din carbon, hidrogen şi oxigen. Originea lipidelor la organismele animale poate fi exogenă (din alimentaţie) şi endogenă (din biosinteză). Cele mai importante produse alimentare bogate în lipide sunt: margarina şi untul (80 ̶ 85%), slănina (70%), untura (100%), uleiuri vegetale (98 ̶ 100%), brânzeturi grase (40 ̶ 60%), nucile şi alunele (60 ̶ 64%), smântâna (20%). Organismul uman necesită pe zi 70 ̶ 145 g de lipide [24]. Lipidele se pot clasifica după mai multe criterii. Astfel, în funcţie de structură şi capacitatea de hidroliză, lipidele pot fi clasificate în două clase mari [5]:  lipide saponificabile (pe bază de acizi graşi, hidrolizabile);  lipide nesaponificabile (hidrocarburi superioare şi derivaţi oxigenaţi ai acestora, nehidrolizabile). Din clasa lipidelor saponificabile fac parte: acizii graşi, lipidele simple (formate din atomi de C, H şi O) şi lipidele complexe (care conţin în moleculă pe lângă atomi de C, H, O şi atomi de N, P, S etc.). Fiecare dintre acestea se împart, la rândul lor, în mai multe categorii de compuşi lipidici, în funcţie de structură. Lipidele simple (neutre) sunt esteri ai acizilor graşi cu diferiţi alcooli. După natura alcoolului, lipidele simple se clasifică în:  gliceride ̶ esteri ai glicerolului cu acizi graşi;  ceride ̶ esteri ai alcooliilor alifatici superiori cu acizi graşi;  steride ̶ esteri ai sterolilor (alcooli policiclici) cu acizi graşi;  etolide ̶ esteri intermoleculari ai hidroxiacizilor graşi; Lipidele complexe (polare) conţin pe lângă acizi graşi esterificaţi cu alcooli şi alte componente: acid fosforic, aminoalcooli, aminoacizi, inozitol, glucide. În această categorie intră lipoproteinele, fosfolipidele (glicerofosfolipide, inozitolfosfolipide, sfingofosfolipide), glicolipidele (cerebrozide, gangliozide). În clasa lipidelor nesaponificabile (lipoide) sunt incluse diferite categorii de compuşi care nu se hidrolizează în compuşi simpli. Caracterul lipidic al compuşilor respectivi este determinat de prezenţa unor regiuni hidrofobe în moleculă. Lipidele nesaponificabile se împart în următoarele categorii: hidrocarburi alifatice, terpene, carotenoizi, steroizi. În funcţie de importanţa fiziologică, lipidele se grupează în lipide de rezervă şi lipide de constituţie. Lipidele de rezervă sunt depozitate în cantităţi mari în diferite ţesuturi şi organe ale plantelor sau animalelor, utilizându-se în funcţie de necesităţile energetice ale organismului. Ele reprezintă elementul variabil al constituenţilor celulari, se consumă în procesele metabolice şi sunt formate din lipide simple. La plante lipidele de rezervă se găsesc în cantităţi mari în fructe (măsline, migdale, curmale, cătină) şi seminţe (floarea-soarelui, ricin, soia, in, cânepă etc.), constituind o substanţă de 123

rezervă importantă pentru dezvoltarea embrionului. La animale lipidele de rezervă se depun în ţesutul adipos, sub piele şi în jurul organelor interne (rinichi, ficat, inimă, plămâni), având un rol însemnat în susţinerea şi protecţia acestora de zdruncinare. Lipidele de constituţie reprezintă elementul constant al componenţilor celulari. Ele nu-şi modifică conţinutul în funcţie de condiţiile de nutriţie. Lipidele structurale participă la formarea membranelor biologice, fiind formate în cea mai mare parte din lipide complexe (fosfolipide, glicolipide) şi colesterol. Au un rol important în reglarea permeabilităţii membranelor celulare. Se cunosc două căi metabolice de formare a lipidelor (fig. 7.1). Lipidele vegetale şi animale derivă de la acetil-CoA (acid acetic activat). În cadrul primei căi metabolice, din acetil-CoA se formează acid gras activat (acil-CoA), grăsimi, fosfolipide şi glicolipide.

Fig. 7.1. Căile metabolice de formare a lipidelor [2]

În cadrul căii metabolice secundare, din acetil-CoA se formează izopentenil difosfat (izopren activ), care este componentul de bază al izoprenidelor (vezi cap. 7.5). 7.2. ACIZII GRAŞI Acizii graşi sunt acizi carboxilici alifatici, cu o catenă carbonică cu cel puţin 4 atomi de carbon, prezenţi în grăsimile vegetale şi animale. Au un gust acru şi un miros pronunţat, sunt insolubili în apă, dar solubili în solvenţi organici. Acizii graşi, după forma catenei carbonice, pot fi aciclici (liniari sau ramificaţi) şi ciclici. Majoritatea acizilor graşi sunt monocarboxilici, conţin o grupare carboxilică ionizabilă şi o catenă de atomi de carbon nepolară, aciclică, neramificată (fig. 7.2). Fiecare segment liniar al zigzagului reprezintă o legătură simplă dintre atomii de carbon adiacenţi. Acizii graşi sunt componente de bază ale lipidelor. În natură, se găsesc şi în stare liberă, dar mult mai rar. Proprietăţile lipidelor depind în mare parte de tipul, lungimea şi configuraţia catenei carbonice a acizilor graşi, de tipul şi numărul legăturilor moleculare interatomice precum şi de tipul şi numărul grupărilor funcţionale. Acizii graşi conţin, în general, un număr par de atomi de carbon şi se deosebesc între ei prin lungimea catenei carbonice [11]. Astfel, se întâlnesc acizi graşi cu: a) catenă scurtă (engl. SCFA ̶ shortchain fatty acids) conţin mai puţin de 6 atomi de carbon; b) catenă medie Fig. 7.2. Structura unui acid gras [4]; (engl. MCFA ̶ medium-chain fatty acids) posedă între 6 ̶ 12 atomi de carbon; c) catenă lungă (engl. LCFA ̶ long-chain fatty acids) posedă între 13 ̶ 21 atomi de carbon; d) catenă foarte lungă (engl. VLCFA ̶ medium-chain fatty acids) conţin mai mult de 22 atomi de carbon.

124

În funcţie de tipul legăturilor dintre atomii de carbon, acizii graşi pot fi saturaţi sau nesaturaţi. Acizii graşi nesaturaţi conţin legături carbon-carbon duble, iar acizii graşi saturaţi nu conţin legătui duble. În afară de denumirea uzuală a aizilor graşi, nomenclatura internaţională (IUB ̶ IUPAC) utilizează o denumire prescurtată, în funcţie de numărul atomilor de carbon din moleculă, numărul de duble legături, precum şi poziţia acestora. Astfel, acizii graşi saturaţi au formula generală Cx:0 (unde x indică numărul atomilor de carbon, iar 0 indică lipsa legăturilor duble dintre atomii de carbon). În cazul acizilor graşi nesaturaţi, formula generală este Cx:y (ω-z) (unde x reprezintă numărul atomilor de carbon, y indică numărul legăturilor duble, iar z indică poziţia primei legături duble în raport cu gruparea metil); numerotarea primului atom de carbon al legăturei duble, se face fie de la grupa carboxilică (se notează cu ∆ sau C ), fie de la gruparea metilică (se notează cu n sau ω) (fig. 7.3).

Fig. 7.3. Numerotarea atomilor de carbon la acizii graşi [11]

Bunăoară, acidul linolenic poate fi notat C18:3 (9, 12, 15) în care 18 reprezintă numărul atomilor de carbon, 3 reprezintă numărul legăturilor duble, iar poziţia legăturilor duble în raport cu grupa carboxilică este ∆9, ∆12, ∆15. Dacă numărătoarea atomului de carbon care se leagă de următorul prin puntea C=C, se realiza dinspre grupa metilică spre cea carboxilică, atunci acidul linolenic se notează omega (ω-3) În cazul acizilor graşi nesaturaţi, există diverse sisteme de nomenclatură (tab. 7.1). Tabelul 7.1. Modalităţi de nomenclatură a acizilor graşi nesaturaţi [5] Sistem Exemple Explicaţii Nomenclatura uzuală

Acid oleic

Nomenclatura sistematică (IUPAC)

Acid (9Z)Octadecenoic

Nomenclatura ∆x

Acid cis-∆9octadecenoic

Nomenclatura n-x sau ω-x

Acid 18:1ω-9 sau 18:1 n-9

Denumirea comună este utilizată cel mai frecvent în literatură. De regulă, această denumire este însoţită de denumirea sistematică (IUPAC). Denumirea (IUPAC) prevede ca numărătoarea să înceapă de la capătul terminal carboxilic. Legăturile duble pot fi marcate cu cis ̸ trans sau E ̸ Z. În nomenclatura ∆x, X indică poziţia dublei (dublelor) legături, numărătoarea realizându-se de la gruparea COOH. Fiecare legătură dublă poate fi precedată de prefixul cis sau trans. Nomenclatura n-x sau ω-x este o modalitate de a clasifica acizii graşi în funcţie de proprietăţile fiziologice. Astfel, numărătoarea începe de la gruparea CH3 spre carbonul X (desemnat ca n sau ω) al primei legături duble C=C.

Acizii graşi saturaţi sunt cei mai răspândiţi acizi graşi în natură. Sunt acizi monocarboxilici cu formula generală CnH2nO2, au catena carbonică liniară sau ramificată, conţin 4 ̶ 30 atomi de carbon legaţi prin legături covalente simple. Principalii acizi graşi saturaţi se prezintă în tabelul 7.2. Acizii graşi saturaţi importanţi din punct de vedere biologic au între 14 şi 24 atomi de carbon: acidul miristic – С13Н27СООН, acidul palmitic – С15Н31СООН, acidul stearic – С17Н35СООН, acidul arahic – С19Н39COOH, acidul behenic – С21Н43COOH, acidul lignoceric – С23Н47СООН). În grăsimile de natură animală predomină acidul palmitic şi acidul stearic. Acizii graşi nesaturaţi sunt monocarboxilici, au număr par de atomi de carbon şi conţin în moleculă o legătură dublă (mononesaturaţi sau monoenici) sau mai multe legături duble (polinesaturaţi sau polienici). Prezenţa legăturii duble se notează prin litera grecească ∆, care se situează după atomul de carbon de la care începe legătura dublă. Se găsesc în gliceride într-o proporţie mai mare decât cei saturaţi. 125

Tabelul 7.2. Exemple de acizi graşi saturaţi [5] Denumirea Denumirea Structura sistematică uzuală chimică

Răspândire

Lungimea relativă

Simbol numeric

Catenă scurtă Catenă medie

C4:0

Acid n-butanoic

Acid butiric

CH3-(CH2)2-COOH

Unt, lapte

C6:0 C8:0 C10:0 C12:0 C14:0 C16:0 C18:0 C20:0 C22:0 C24:0 C26:0 C28:0 C30:0 C32:0

Acid n-hexanoic Acid n-octanoic Acid n-decanoic Acid n-dodecanoic Acid n-tetradecanoic Acid n-hexadecanoic Acid n-octadecanoic Acid n-icosanoic Acid n-docosanoic Acid n-tetracosanoic Acid n-hexacosanoic Acid n-octacosanoic Acid n-triacontanoic Acid n-dotriacontanoic

Acid capronic Acid caprilic Acid capric Acid lauric Acid miristic Acid palmitic Acid stearic Acid arahic Acid behenic Acid lignoceric Acid cerotic Acid montanic Acid melisic Acid laceroic

CH3-(CH2)4-COOH CH3-(CH2)6-COOH CH3-(CH2)8-COOH CH3-(CH2)10-COOH CH3-(CH2)12-COOH CH3-(CH2)14-COOH CH3-(CH2)16-COOH CH3-(CH2)18-COOH CH3-(CH2)20-COOH CH3-(CH2)22-COOH CH3-(CH2)24-COOH CH3-(CH2)26-COOH CH3-(CH2)28-COOH CH3-(CH2)30-COOH

Lapte

Catenă lungă

Catenă foarte lungă

Grăsimi animale şi vegetale, seminţe Ceara unor plante şi insecte

În cazul acizilor graşi polinesaturaţi, legăturile duble pot fi de tip malonic ̶ CH=CH ̶ CH2 ̶ CH=CH ̶ sau, în cantităţi foarte scăzute, de tip conjugat ̶ CH=CH ̶ CH=CH ̶ . Reactivitatea acizilor graşi cu legături duble de tip conjugat este mai ridicată, în ceea ce priveşte capacitatea de oxidare. Cei mai răspândiţi acizi graşi nesaturaţi au 18, 20, 22 sau 24 atomi de carbon şi una, două, trei, patru sau cinci legături duble. Cu creşterea numărului de legături duble, scade temperatura lor de topire şi creşte solubilitatea lor în solvenţi nepolari. Toţi acizii graşi nesaturaţi care se întâlnesc în natură la temperatura camerei sunt în stare lichidă. Principalii acizi graşi nesaturaţi sunt: acid oleic – С17Н33СООН (se conţine în majoritatea grăsimilor); acid linoleic – С17H31COOH – ω-6 (se conţine în majoritatea grăsimilor); acid linolenic – C17H29COOH – ω-3 (se conţine în ulei de soia, ulei de in); acid arahidonic – ω-6 (se conţine în ulei de peşte), acid clupanodonic – ω-3 (se conţine în ulei de peşte). Acizii graşi esenţiali (acizi omega ̶ ω) sunt acizi graşi polinesaturaţi cu mai multe legături duble care nu se sintetizează în organismul animal. Organismul animal îşi asigura necesarul de acizi graşi esenţiali numai din hrana. Nutriţioniştii numesc acizii ω ̶ acizi indispensabili, deoarece au proprietăţi biologice unice, iar lipsa sau prezenţa lor în organism într-o cantitate suficientă împiedică utilizarea celorlalţi acizi graşi din organism. Absenţa acizilor graşi esenţiali din regimul alimentar determină tulburări esenţiale (încetinire a creşterii, boli ale pielii, boli ale mucoaselor, dereglări ale sistemului endocrin). Una din principalele cauze ale multiplelor tulburări pe care le provoacă lipsa acizilor graşi polinesaturaţi este legată de faptul că toţi aceştia intră în structura fosfolipidelor, care sunt componente de bază ale membranelor celulare. Acizii ω sunt necesari în sistemul imunitar, pentru dezvoltarea normală a creierului, ochilor, nervilor, au rol în reglarea presiunii sângelui, sunt precursori ai prostaglandinelor. În tabelul 7.3 sunt prezentate familiile de acizi graşi esenţiali: ω-9 (acid oleic, acid erucic, acid nevronic), ω-6 (acid linoleic, acid γ-linolenic, acid dihomo-γ-linolenic, acid arahidonic), ω-3 (acid αlinolenic, acid eicosapentanoic, acid decosahexanoic). Acidul oleic (C18:1, ω-9) se conţine în diferite grăsimi animale şi uleiuri vegetale. Este un acid gras incolor, fără miros, cu formula CH3(CH2)7CH=CH(CH2)7COOH. Termenul oleic derivă de la cuvintele ulei sau olivă, uleiul de olive (măsline) având un conţinut ridicat de acid oleic.

126

Tabelul 7.3. Exemple de acizi graşi nesaturaţi [5] Denumirea Structura chimică uzuală A. Acizi graşi nesaturaţi cu legături duble cis neconjugate

Denumirea prescurtată Familia ω-9 C18:1 (9) C22:1 (13) C24:1 (15) Familia ω-6 C18:2 (9, 12) C18:3 (6, 9, 12) C20:3 (8, 11, 14) C20:4 (5, 8, 11, 14) Familia ω-3 C18:3 (9, 12, 15) C20:5 (5, 8, 11, 14,17) C22:6 (4, 7, 10, 13, 16, 19) Familia ∆-9 C18:1 (9) C16:1 (9) C14:1 (9)

Acid oleic Acid erucic Acid nevronic

CH3-(CH2)7-CH=CH-(CH2)7-COOH CH3-(CH2)7-CH=CH-(CH2)11-COOH CH3-(CH2)7-CH=CH-(CH2)13-COOH

Acid linoleic Acid γ-linolenic Acid dihomo γ-linolenic Acid arahidonic

CH3-(CH2)4-(CH=CH-CH2)2-(CH2)6-COOH CH3-(CH2)4-(CH=CH-CH2)3-(CH2)3-COOH CH3-(CH2)4-(CH=CH-CH2)3-(CH2)5-COOH

Acid α-linolenic (ALA) Acid eicosapentanoic (EPA) Acid decosahexanoic (DHA)

CH3-CH2-(CH=CH-CH2)3-(CH2)6-COOH

Acid oleic Acid palmitoleic Acid miristoleic

CH3-(CH2)7-CH=CH-(CH2)7-COOH CH3-(CH2)5-CH=CH-(CH2)7-COOH CH3-(CH2)3-CH=CH-(CH2)7-COOH

CH3-(CH2)4-(CH=CH-CH2)4-(CH2)2-COOH

CH3-CH2-(CH=CH-CH2)5-(CH2)2-COOH CH3-CH2-(CH=CH-CH2)6-CH2-COOH

B. Acizi graşi nesaturaţi cu legături duble trans neconjugate C18:1 (tr 9) C18:1 (tr 9, tr 12) C18:3 (9, tr 11, tr 13) C18:3 (tr9, tr 11, tr 13)

Acid elaidic Acid linoelaidic

CH3-(CH2)7-CHtr=CH-(CH2)7-COOH CH3-(CH2)4-CHtr=CH-CH2-CHtr= CH-(CH2)7-COOH

C. Acizi graşi nesaturaţi cu legături duble trans conjugate Acid α-eleostearic CH3-(CH2)3-CHtr=CH-CHtr=CH-CHc=CH-(CH2)7-COOH Acid β-eleostearic CH3-(CH2)3-CHtr=CH-CHtr=CH-CHtr=CH-(CH2)7-COOH

Acidul linoleic (C18:2, ω-6, fig. 7.4) se conţine în unele uleiuri vegetale, denumite virgine, presate la rece (ulei de soia, ulei de floarea soarelui), în ouă, lactate, carnea de vânat sălbatic (în special în ficat).

Fig. 7.4. Structura chimică a acidului linoleic [17]

Din acidul linoleic se sintetizează acidul arahidonic şi acidul linolenic. Acidul linoleic scade nivelul de colesterol din sânge şi contribuie la prevenirea maladiilor cardiovasculare. Deficienţa acestui acid gras este asociată cu pielea uscată, căderea părului etc. Acidul linoleic, pe lângă efectele proprii, acţionează ca precursor pentru alţi acizi graşi ̶ acidul arahidonic sau acidul dihomo-γ-linolenic. Acidul arahidonic (C20:4, ω-6, fig. 7.5) se poate sintetiza în organism din acid linoleic. Este o sursă importantă pentru sinteza prostaglandinelor, intră în componenţa fosfolipidelor membranare. Se conţine în ouă şi ficat.

Fig. 7.5. Structura chimică a acidului arahidonic [7]

127

Acidul α-linolenic (C18:3, ω-3, fig. 7.6) se conţine în plantele verzi, algele albastre-verzi Spirulina, specii marine de peşti (somon, macrou), anumite uleiuri vegetale (ulei de nuci, soia, in etc.).

Fig. 7.6. Structura chimică a acidului α-linolenic [6]

Este un component al creierului, cortexului cerebral; favorizează dezvoltarea neuronilor la nounăscuţii alimentaţi la sân. Acidul α-linolenic este indispensabil pentru o funcţionare normală a retinei, reduce riscul apariţiei bolilor cardiovasculare; poate servi la om, în calitate de precursor, la sinteza acizilor eicosapentaenoic şi docosahexaenoic. Hidroxiacizi graşi superiori au fost identificaţi în constituţia unor lipide naturale (tab. 7.4). Acidul ricinoleic din uleiul de ricin reprezintă 90% din totalul acizilor graşi şi intră în categoria hidroxiacizilor graşi cu catenă nesaturată. Tabelul 7.4. Principalii hidroxiacizi din constituţia unor lipide naturale [5] Hidroxiacizi Structura chimică Răspândire graşi superiori Saturaţi Sabinic Iuniperic Cerebronic Nesaturaţi Ricinoleic Hidroxinevronic

HO-CH2-(CH2)10-COOH HO-CH2-(CH2)14-COOH CH3-(CH2)21-CHOH-COOH

Ceara de conifere Ceara de conifere Creier

CH3-(CH2)5-CHOH-CH2-CH=CH-(CH2)7-COOH CH3-(CH2)7-CH=CH-(CH2)12-CHOH-COOH

Ulei de ricin Creier

Hidroxiacizii graşi conţin în moleculă pe lângă gruparea carboxilică şi gruparea hidroxilică şi pot fi monohidroxilici sau polihidroxilici, saturaţi sau nesaturaţi.

Proprietăţile acizilor graşi Proprietăţi fizice. Acizii graşi saturaţi sunt substanţe solide la temperatura obişnuită, cu excepţia acizilor butiric, capronic şi tuberculostearic, care sunt lichizi. Acizii nesaturaţi au o consistenţă lichidă la temperatura camerei, cu excepţia acizilor erucic şi elaeostearic, care sunt solizi. Punctele de topire ale acizilor graşi cresc odată cu creşterea catenei carbonice. Legăturile duble din moleculă micşorează punctele de topire. Acizii graşi nesaturaţi au puncte de topire mai joase decât acizii graşi saturaţi. De asemenea, acizii graşi ramificaţi au puncte de topire mai mici decât acizii cu catena liniară, cu acelaşi număr de atomi de carbon în moleculă. Solubilitatea acizilor graşi în apă scade odată cu creşterea catenei carbonice. Acidul butiric are o solubilitate de 5,6%, iar acidul capronic de numai 0,4% [3]. Acizii cu peste 8 atomi de carbon în moleculă sunt practic insolubili în solvenţi organici. Acizii butiric, capronic şi caprilic sunt volatili. Acizii graşi se disociază în ioni de H+ şi anionul acidului carboxilic, conform ecuaţiei: R ̶ COOH → R ̶ COO ̶ + H+ După gradul de disociere, acizii graşi sunt acizi slabi. Gruparea carboxilică este hidrofilă, iar catena carbonică este hidrofobă.

128

Din punct de vedere chimic acizii graşi saturaţi sunt stabili, inerţi, se oxidează greu. Acizii graşi nesaturaţi sunt substanţe active, care dau cu uşurinţă reacţii de adiţie la nivelul legăturilor duble. Prin adiţie de hidrogen acizii graşi nesaturaţi se transformă în acizi saturaţi. Hidrogenarea are loc în prezenţa catalizatorilor (Ni, Pt). Pe acest principiu se bazează transformarea grăsimilor lichide în grăsimi solide. Datorită prezenţei în moleculă a legăturilor duble acizii graşi nesaturaţi se pot autooxida, adică se pot combina cu oxigenul din aer. În reacţia de oxidare un rol important îi revine şi metilenului alilic din poziţia α faţă de legătura dublă. Acidul gras formează iniţial cu oxigenul molecular un hidroperoxid, care poate să cedeze oxigen altor molecule de acizi graşi nesaturaţi formând hidroxiacizi. Acizii graşi nesaturaţi reacţionează cu ozonul la nivelul legăturilor duble şi formează ozonide, care prin descompunere cu apa dau aldehide şi aldoacizi. Această reacţie este foarte importantă deoarece poate servi la stabilirea numărului şi poziţiei legăturilor duble din moleculă. În rezultatul interacţiunii acizilor graşi cu alcoolii se formează esteri, substanţe stabile, larg răspândite în natură. Acizii graşi reacţionează cu metale alcaline, baze, oxizi bazici formând săpunuri. Componentul principal al săpunurilor este un amestec de săruri solubile ale acizilor graşi superiori. De regulă, acestea sunt săruri de sodiu, mai rar potasiu şi amoniu ale acizilor stearic, palmitic, miristic, lauric şi oleic. Astfel, săpunul solid este o sare de sodiu a acidului stearic C17H35COONa, iar săpunul lichid ̶ o sare de potasiu C17H35COOK. Izomerie. Acizii graşi formează izomeri atât datorită configuraţiei catenei carbonice, poziţiei legăturilor duble, cât şi datorită atomilor de carbon asimetrici. Izomeria acizilor graşi poate fi de structură şi izomerie spaţială (stereoizomerie). Izomeria de structură poate fi de mai multe tipuri. Izomerie de catenă, care se referă la forma catenei carbonice, liniară sau ramificată. Acizii cu catenă ramificată poartă numele de izoacizi. În cazul acidului butiric, se cunosc doi izomeri de catenă: acidul butiric normal (n-butiric) şi acidul izobutiric, cu nomenclatura 2-metil-propionic (fig. 7.7). Izomerii acidului butiric, cu aceeaşi formulă chimică C3H7COOH, au o structură diferită. H3C ̶ CH2 ̶ CH2 ̶ COOH

H3C ̶ CH ̶ COOH CH3

Acidul n-butiric

Acidul izobutiric

Fig. 7.7. Izomeri ai acidului butiric

Izomerie de poziţie a dublei legături, care se referă la poziţia dublei legături la catena carbonică (fig. 7.8). Acidul oleic (18:1) se găseşte în natură sub formă de 14 izomeri, dintre care se menţionează: acizii oleic (18:1) Δ9; petroselinic (18:1) Δ6 şi vaccenic (18:1) Δ11. 10 9 CH3-(CH2)7-CH=CH-(CH2)7-COOH Acid oleic

7 6 CH3-(CH2)10-CH=CH-(CH2)4-COOH

11 12 CH3-(CH2)5-CH=CH-(CH2)9-COOH

Acid petroselinic

Acid vaccenic

Fig. 7.8. Izomeri de poziţie ai acidului oleic [3]

În diferite produse naturale s-au identificat 14 acizi izooleici, care au puncte de topire şi forme de cristalizare diferite. Izomerie de poziţie în funcţie de poziţia grupării funcţionale HO ̶ pe catena carbonică. Astfel, în cazul acidului hidroxibutiric se cunosc izomerii α-, β- şi γ-hidroxibutirici (fig. 7.9).

Acid α-hidroxibutiric

Acid β-hidroxibutiric

Acid γ-hidroxibutiric

Fig. 7.9. Izomeri ai acidului hidroxibutiric în funcţie de poziţia grupării HO ̶ [14]

129

Izomerie spaţială. Acizii graşi formează izomeri spaţiali (cis-trans) în funcţie de configuraţia legăturilor duble. Izomeria cis-trans se întâlneşte frecvent la acizii nesaturaţi liniari (fig.7.10). În natură predomină izomerii cis. Dintre acizii mononesaturaţi, acidul oleic natural este izomerul cis, iar izomerul oleic trans se numeşte acid elaidic. Cei doi izomeri se deosebesc atât prin structura moleculară, cât şi prin proprietăţile fizico-chimice. Izomerie optică. Acizii graşi formează puţini izomeri optici. Izomerii optici sunt semnalaţi la acizii hidnocarpic, ricinoleic etc., care posedă atomi de carbon asimetrici. Izomerii optici pot fi Fig. 7. 10. Izomeri spaţiali ai acidului oleic ̶ cis şi trans dextrogiri (+) sau levogiri ( ̶ ), după sensul de rotire a luminii monocromatice. [11] 7.3. LIPIDELE SIMPLE Lipidele simple sunt esteri ai unui alcool cu un acid gras superior. Din clasa lipidelor simple fac parte: gliceridele, ceridele, etolidele, steridele. 1. Gliceride (grăsimi, acilgliceroli, triacilgliceroli, trigliceride). Gliceridele sunt cele mai răspândite lipide de rezervă din regnul animal şi vegetal, care se acumulează în cantităţi mari în ţesutul adipos al animalelor, iar la plante, în seminţe (floarea soarelui, ricin, mac, bumbac) şi fructe (măsline, arahide, migdale). Din punct de vedere chimic, gliceridele sunt esteri ai glicerolului cu acizi graşi superiori; esterificarea poate avea loc la una, două sau cele trei grupe hidroxil ale glicerolului (fig. 7.11).

Fig. 7.11. Structura gliceridelor [2]

Radicalii pot fi identici, obţinându-se digliceride, respectiv, trigliceride omogene (tripalmitina, trioleina, tristearina), iar dacă radicalii sunt diferiţi, rezultă digliceride şi trigliceride mixte 130

(palmitooleostearina, stearopalmitooleina etc.). Acizii graşi cei mai răspândiţi care intră în constituţia gliceidelor sunt acidul palmitic, stearic, oleic, linoleic şi linolenic. Triacilglicerolii sunt constituenţii majori ai tuturor materiilor alimentare grase, în timp ce diacil- şi monoacilglicerolii reprezintă doar 2% din totalul lipidelor [5]. Nomenclatura gliceridelor se formează din numele şi numărul acizilor graşi, la care se adaogă sufixul ină. De exemplu, tripalmitină, oleopalmitostearină, distearooleină. Uleiurile vegetale şi grăsimile animale au o largă întrebuinţare. Ele se utilizează în cantităţi mari în alimentaţie, la fabricarea săpunurilor, a lacurilor, vopselelor, lubrefianţilor, lumânărilor etc.

Proprietăţile fizico-chimice ale gliceridelor Gliceridele sunt lipide nepolare, hidrofobe şi insolubile în apă. Datorită caracterului nepolar gliceridele agitate în apă, formează emulsii foarte instabile, care se transformă în bistraturi lipidice. Gliceridele sunt buni solvenţi organici pentru vitaminele liposolubile, hormoni, pentru unii pigmenţi. Sunt substanţe incolore, în stare proaspătă nu au gust şi nici miros. Gliceridele care au atomi de carbon asimetrici în moleculă prezintă activitate optică, ca de exemplu palmitooleostearina, oleodipalmitina etc. Trigliceridele reprezintă componentele principale ale uleiurlor vegetale (conţin predominant acizi graşi nesaturaţi) şi ale grăsimilor animale (conţin acizi graşi saturaţi). Gliceridele de origine animală (grăsimi) la t = 20°С au o consistenţă solidă, iar gliceridele de origine vegetală (uleiuri) la t = 20°С au consistenţă lichidă. Excepţie fac uleiul de cocos şi uleiul boabelor de cacao, care la temperatura camerei au o consistenţă solidă. Hidroliza gliceridelor. Prin hidroliza trigliceridelor se obţine glicerol şi acizi graşi (fig. 7.12). Hidroliza gliceridelor este o reacţie reversibilă, care se realizează în laborator prin fierberea gliceridelor cu apa la Fig. 7.12. Reacţia generală de hidroliză a trigliceridelor [19] 200°C şi la o P de 6 ̶ 8 atm. Hidroliza chimică a gliceridelor este utilizată în scopuri tehnice pentru obşinerea glicerolului pur şi a acizilor graşi. Degradarea lipidelor alimentare se realizează prin hidroliză (lipoliză), în cursul digestiei, sub acţiunea enzimelor lipaze. Lipaza este o carboxilesterază, inactivă în mediu apos, care însă devine activă la interfaţa ulei ̸ apă, într-o emulsie de micele. Saponificarea grăsimilor. Prin reacţia de saponificare se înţelege reacţia dintre grăsimi şi hidroxiacizi alcalini (KOH, NaOH), în urma căreia rezultă un alcool şi săruri ale acizilor graşi numite săpunuri (fig. 7.13). Reacţia de saponificare este o reacţie nereversibilă de hidroliză, Fig. 7.13. Reacţie generală de saponificare [19] care se produce în soluţie apoasă sau alcoolică de hidroxizi. Fiecare grăsime necesită o anumită cantitate de hidroxid pentru saponificarea ei completă. Această cantitate se exprimă prin indicele de saponificare. Hidrogenarea grăsimilor. Gliceridele care conţin în moleculă acizi nesaturaţi pot adiţiona hidrogen la nivelul legăturilor duble. Uleiurile prin hidrogenare se transformă în grăsimi solide (fig.7.14). 131

Fig. 7.14. Reacţia generală de hidrogenizare a uleiurilor [19]

Această reacţie stă la baza preparării margarinei din uleiurile vegetale. Reacţia se realizează la aproximativ 200°C, în prezenţă de catalizatori (Ni). Reacţia de hidrogenare se foloseşte, de asemenea, pentru a transforma uleiuri cu miros neplăcut (ulei de peşte, bumbac, balenă) în grăsimi comestibile utilizate în industria alimentară. Halogenarea grăsimilor. Gliceridele care conţin în moleculă acizi graşi nesaturaţi pot adiţiona la nivelul legăturilor duble halogeni (Cl, Br, I). Cu cât numărul legăturilor duble este mai mare, cu atât se adiţionează o cantitate mai mare de halogeni. Gradul de nesaturare a unei grăsimi se exprimă prin indicele de iod. Râncezirea grăsimilor. În prezenţa aerului, a luminii şi a vaporilor de apă, gliceridele sunt supuse unui proces de degradare care se numeşte râncezire. Se disting trei tipuri de râncezire: hidrolitică, oxidativă (aldehidică) şi cetonică. Râncezirea hidrolitică apare de obicei în prezenţa umezelii, metalelor grele şi a enzimelor lipaze. Ea este caracteristică produselor lactate, uleiurilor şi grăsimilor nerafinate brute, bogate în enzime. În cadrul acestui proces are loc hidroliza parţială a grăsimilor, în urma căreia rezultă glicerol şi acizi graşi liberi, care au un miros şi gust neplăcut. Râncezirea hidrolitică favorizează şi desfăşurarea celorlalte tipuri de degradări a grăsimilor. Râncezirea oxidativă este cel mai răspândit tip de degradare a grăsimilor condiţionat de oxidarea acizilor graşi nesaturaţi cu oxigenul din aer, care se fixează la nivelul legăturilor duble, sub formă de peroxizi sau hidroperoxizi. Aceste substanţe sunt instabile şi dau naştere la alcooli, aldehide, hidroxiacizi, acizi volatili care au un miros şi gust neplăcut. Procesul de râncezire oxidativă este direct proporţional cu gradul de nesaturare ale grăsimilor. Râncezirea cetonică cunoscută şi sub denumirea de râncezire aromatică,constă în transformarea oxidativă a acizilor graşi saturaţi în metilcetone (fig. 7.15).

Fig. 7.15. Reacţia generală a râncezirii cetonice [19]

Râncezirea poate fi evitată prin păstrarea grăsimilor la rece, în locuri ferite de lumină şi umezeală, prin adăugarea unor substanţe antioxidante (vitamina E, chinone, fenoli, carotenoizi etc.). Calitatea grăsimilor se caracterizează prin o serie de indici. Indicele de saponificare (Is) este o măsură a cantităţii de bază − KOH (mg) folosite pentru saponificarea unei cantităţi exacte de materie grasă (g), solubilizată iniţial în etanol. Acesta este un indiciu al masei moleculare medii a acizilor graşi şi implică hidroliza fiecărei legături esterice, care uneşte acizii graşi cu moleculele glicerinei. Spre exemplu, (Is) al untului de vacă este de 220 ̶ 240 mg, al uleiului de floarea-soarelui este 186 ̶ 198 mg. Cu cât greutatea moleculară a grăsimilor este mai mare cu atât indicele de saponificare este mai mic. Indicele de iod (Ii) este utilizat frecvent pentru a clasa uleiurile în funcţie de domeniul lor de utilizare şi pentru controlul procesului de hidrogenare. Indicele de iod reprezintă cantitatea de iod (exprimată în g) absorbită de materia grasă, reflectă numărul legăturilor duble în gliceride şi gradul de 132

nesaturare a uleiului. Spre exemplu, (Ii) al uleiului de floarea-soarelui este de 114 ̶ 135, uleiul de soia – 114 ̶ 140. Uleiurile cu grad mare de nesaturare vor avea indici de iod mărit. Indicele de acid (IA) sau acizi graşi liberi (AGL). Aciditatea uleiului se apreciază prin indicele de acid sau prin conţinutul de acizi graşi liberi, exprimat pe baza unui singur acid gras, acidul oleic. Indicele de acid se defineşte prin cantitatea de KOH necesară pentru neutralizarea unui gram de ulei. Indicele de peroxid (IP). Peroxizii sunt primele substanţe formate la degradarea lipidelor, respectiv determinarea cantităţii lor reprezintă interes pentru aprecierea gradului de oxidare a materiei grase. Indicele de peroxid se defineşte ca fiind numărul de miliechivalenţi de peroxid pe kg de materie grasă. 2. Ceride (ceruri). Ceridele sunt esteri naturali ai acizilor graşi cu alcoolii alifatici superiori. În general, alcoolii au un număr par de atomi de carbon, sunt saturaţi şi neramificaţi. Lungimea catenei carbonice variază între 14 ̶ 30 atomi de carbon pentru un alcool gras (tab. 7.5). Tabelul 7.5. Principalii alcooli superiori şi acizi graşi din structura ceridelor [5] Denumire Formula Denumire Formula acid gras acizilor graşi alcool superior alcoolilor Acid palmitic Acid stearic Acid arahic Acid carnaubic Acid cerotic Acid melisic

CH3 ̶ (CH2)14 ̶ COOH CH3 ̶ (CH2)16 ̶ COOH CH3 ̶ (CH2)20 ̶ COOH CH3 ̶ (CH2)22 ̶ COOH CH3 ̶ (CH2)24 ̶ COOH CH3 ̶ (CH2)28 ̶ COOH

Alcool cetilic Alcool stearilic Alcool arahic Alcool carnaubic Alcool cerilic Alcool miricilic

CH3 ̶ (CH2)14 ̶ CH2 ̶ COOH CH3 ̶ (CH2)16 ̶ CH2 ̶ COOH CH3 ̶ (CH2)18 ̶ CH2 ̶ COOH CH3 ̶ (CH2)22 ̶ CH2 ̶ COOH CH3 ̶ (CH2)24 ̶ CH2 ̶ COOH CH3 ̶ (CH2)28 ̶ CH2 ̶ COOH

Ceridele sunt substanţe albe-gălbui, solide la temperatură obişnuită, insolubile în apă, solubile în solvenţi organici. Au puncte de topire mai ridicate decât gliceridele, fiind cuprinse între 50 ̶ 80°C, sunt substanţe rezistente la acţiunea agenţilor fizici şi chimici, nu râncezesc şi sunt greu hidrolizabile. Nu prezintă interes nutriţional pentru om, nefiind metabolizate. Ceridele se găsesc atât în regnul vegetal, unde predomină, cât şi în cel animal. În regnul vegetal, ceridele se găsesc sub formă de cutină pe suprafaţa fructelor, frunzelor, florilor, constituind un înveliş protector împotriva umidităţii şi luminii excesive, căldurii, pierderii de apă şi atacului microbian. Îndepărtarea stratului protector de ceară de pe suprafaţa fructelor determină alterarea lor mai rapidă, datorită acţiunii microorganismelor. Ceridele se mai găsesc în fibrele de in şi cânepă, în sucul lăptos al diferitor plante laticifere, în celulele bacteriilor acido-rezistente. În cantitate mai mare ceridele se găsesc în plantele din zona tropicală şi subtropicală. Cerurile naturale reprezintă un amestec de substanţe formate din ceride, hidrocarburi, alcooli şi acizi superiori liberi. În ceruri se mai găsesc în cantitate mică gliceride, steride, răşini şi alte substanţe. Dintre cerurile naturale vegetale fac parte: ceara de carnauba, ceara merelor, ceara de candelilla, ceara de albine, lanolina. Ceara de Carnauba obţinută de pe frunzele palmierului Corypha cerifera din America de Sud este formată preponderent din cerotat de miricil, fiind bogată în alcooli superiori. În cantităţi mici se găseşte în bumbac, cânepă, trestie de zahăr. Se utilizează în industria chimică, cosmetică, farmaceutică. În industria alimentară este înregistrată în calitate de aditiv E903 [9] Ceara merelor conţine un număr mare de acizi graşi (acid miristic, acid palmitic, acid stearic, acid oleic, acid linoleic, acid arahic, acid metiltetradecanoic, acid hexadecanoic). Pe suprafaţa majorităţii legumelor şi fructelor se găsesc de asemenea acizii melisic şi ursolic. Soiurile de măr care au un conţinut mai ridicat de ceride (Red Delicios) au pierderi mai mici de apă şi pot fi păstrate un timp mai îndelungat. Ceara de Candelilla este o ceară bogată în parafine care se găseşte predominant în plantele Euphorbia cerifera. Acest tip de ceară este un aditiv alimentar (E902) utilizat în industria alimentară în calitate de agent de glazurare; se foloseşte de asemenea în industria cosmetică [9]. 133

În regnul animal cerurile se întâlnesc la insecte, păsări, mamifere. Ceara de albine este secretată de glandele specializate din abdomenul albinelor lucrătoare ale speciei Apis melifera. Componentul principal al cerii de albine este un ester al triacontanolului şi acidului palmitic (fig. 7.16). În ceara de albine se mai conţin acizi superiori liberi, hidrocarburi, alcooli liberi etc. [23].

Fig. 7.16. Componentele principale ale cerii de albină [4]

Este o substanţă solidă, galbenă, care se topeşte la 62 ̶ 65°C. Ea formează pereţii celulelor în care albinele depozitează mierea. Este folosită la prepararea lumânărilor, a cerii de parchet, la obţinerea unor produse cosmetice, la acoperirea produselor alimentare (caşcaval, bomboane etc.), a preparatelor medicinale. Cerurile sunt înregistrate în calitate de aditivi alimentari E901 ̶ E903. Lanolina este o substanţă higroscopică, ceroasă, de culoare galbenă secretată de glandele sebacee ale animalelor cu lână. Conţine esteri ai cerurilor cu catenă lungă (circa 97% din masa totală), alcooli, steroli liberi, acizi graşi şi hidrocarburi [15]. Lanolina protejează lâna şi pielea animalelor de umezeală şi uscăciune. Datorită puterii mari de emulsionare cu apa lanolina se foloseşte în industria cosmetică la obţinerea cremelor. Este folosită în medicină, în industria textilă şi a pielăriei. 3. Etolidele sunt lipide simple, întâlnite în cerurile unor conifere (pin, jneapăn). Din punct de vedere chimic, sunt esteri ciclici ai unor hidroxiacizi superiori: acidul sabinic HO ̶ CH2 ̶ (CH2)10 ̶ COOH şi acidul juniperic HO ̶ CH2 ̶ (CH2)14 ̶ COOH. În structura etolidelor intră două molecule ale aceluiaşi acid: una din molecule participă la esterificare prin grupa carboxilică, iar cealaltă ̶ prin grupa hidroxilică. Prin condensarea mai multor molecule de hidroxiacizi, se pot obţine etolide cu greutate moleculară de peste 2 000. 4. Steridele sunt lipide simple care se găsesc în cantităţi mici în toate organismele vegetale şi animale; din punct de vedere chimic, sunt esteri ai acizilor graşi superiori (acidul palmitic, acidul stearic, acidul oleic) cu steroli (alcooli superiori ciclici aromatici). Sterolii sunt monoalcooli secundari ciclici cu 30 atomi de carbon, care derivă de la hidrocarbura saturată tetraciclică steran (C17H28). Derivaţii steranului poartă denumirea de steroizi. Steranul are trei cicluri hexagonale (A, B, C) şi un ciclu pentagonal (D), iar numerotarea atomilor de carbon începe din partea superioară a inelului A (fig. 7.17).

Fig. 7.17. Structura steranului [25]

Fig. 7.18. Elementele constitutive ale colesterolului [2]

134

Nucleul steranului reprezintă un element structural de bază a următoarelor substanţe biologic active: colesterol, acizi biliari, hormoni steroizi, glicozide cardiotonice. Sterolii pe lângă nucleul steranic conţin în moleculă următoarele elemente constitutive (fig. 7.18):  la C3 au o grupă hidroxilică, care le conferă caracterul de alcooli secundari;  la C17 au fixată o catenă laterală, formată din 8 ̶ 10 atomi de carbon, care se termină printr-un radical izopropilic;  la punctele de legătură dintre cicluri, respectiv la C10 şi C13 sunt fixaţi doi radicali metil, notaţi cu C18 şi C19 care se numesc metili angulari;  ciclurile şi catena laterală pot fi complet saturate sau pot conţine 1 ̶ 3 legături duble. Sterolii de deosebesc între ei prin structura catenei laterale, prin gradul de saturare, prin numărul şi poziţia legăturilor duble, prin poziţia şi orientarea hidroxilului de la C3 şi a hidrogenului de la C5. Sterolii sunt substanţe cristalizabile, care au puncte de topire mai ridicate decât ale gliceridelor, variind între 102 ̶ 170 °C. Sunt solubili în solvenţi organici şi insolubili în apă. Cei care prezintă legături duble în moleculă dau reacţii de adiţie cu hidrogenul şi halogenii. Steridele sunt substanţe de culoare albă, solide, insolubile în apă; cu apa formează emulsii fine, stabile. Sunt solubile în hidrocarburi, acetonă, greu solubile în alcool. Steridele se hidrolizează mai greu decât gliceridele. În funcţie de originea lor, steridele se clasifică în trei grupe mari: micosteride, fitosteride, zoosteride [5]. Micosteridele sunt steride cu o componentă alcoolică ergosterol, prezente în micoorganisme (drojdii şi ciuperci). Ergosterolul a fost izolat pentru prima dată din ciuperca fitoparazită Cornul Secarei (Claviceps purpurea ̶ rye ergot fungus). Este un component al membranelor celulare ale drojdiilor şi ciupercilor. Prezenţa ergosterolului în plante (secară, lucernă, hamei) se explică prin faptul că acestea sunt infectate frecvent cu ciuperci parazite [26]. Formula moleculară a ergosterolului este C28H44O. În stare pură ergosterolul este cristalin, de culoare albă, insolubil în apă, dar solubil în solvenţi organici. Este provitamina vitaminei D2. Spre deosebire de majoritatea sterolilor, ergosterolul posedă în ciclul B două legături duble (fig. 7.19).

Fig. 7.19. Structura chimică a mico-, fito-, şi zoosterolilor [2]

Fitosteridele sunt steride sintetizate de plante, cu o componentă alcoolică reprezentată de fitosteroli ̶ sitosterol şi stigmasterol (fig. 7.19). Sitosterolul este principalul component al sterolilor din diferite uleiuri (de soia, din seminţe de bumbac şi din germeni de cereale) şi este adesea însoţit de stigmasterol, mai ales în uleiul din germenii de cereale. Stigmasterolul se deosebeşte de sitosterol prin faptul că are o legătură dublă între atomii de carbon C22 şi C23. Fitosterolii se găsesc în natură atât sub

135

formă de fitosteride, cât şi sub formă liberă. Ei au importanţă în biosinteza hormonilor steroizi şi a vitaminelor D. Fitosterolii conţin în molecula lor 29 atomi de carbon. Zoosteridele, steride prezente la animale, au o componentă alcoolică reprezentată frecvent de colesterol, răspândit pe larg în toate celulele corpului omenesc. Circa 80% din colesterol se sintetizează în organism (în ficat, rinichi, glande sexuale) şi 20% pătrunde în organism cu hrana [26]; se găseşte în cantităţi mai mari în sânge, ficat, creier. Colesterolul pur este o substanţă cristalină, insolubilă în apă, solubilă în solvenţi organici, are în moleculă 27 atomi de carbon. Formează cu acizii graşi esteri complecşi numiţi colesteride (în special cu acizii palmitic, stearic sau oleic); din totalul colesterolului, 1/3 se găseşte în stare liberă, restul de 2/3 este esterificat. Oxidarea colesterolului conduce la formarea 7-dehidrocolesterolului care conţine o pereche de legături duble conjugate. Acest sterol se găseşte în piele şi constituie precursorul vitaminei D. Colesterolul îndeplineşte în organism o serie de funcţii vitale:  reglează permeabilitatea membranelor celulare şi asigură stabilitatea lor într-un diapazon larg de temperaturi;  este un precursor chimic al acizilor biliari, vitaminei D3, hormonilor steroizi;  are o acţiune antihemolitică şi antitoxică;  joacă un rol important în răspunsul imun al organismului şi în activitatea sistemului nervos;  favorizează absorbţia acizilor graşi. Acizii biliari sunt steroizi a căror catenă laterală este alcătuită din cinci atomi de carbon şi se termină cu o grupă carboxilică. Împreună cu sărurile lor reprezintă componenţii principali ai bilei şi sunt sintetizaţi de organismul animal din colesterol. Structura lor deriva de la hidrocarbura colan. Acizii biliari se deosebesc între ei prin numărul de grupe hidroxilice şi locul ocupat de acestea în moleculă. În bila umană au fost izolaţi patru acizi biliari: acidul colic, acidul dezoxicolic, acidul chenodezoxicolic şi acidul litocolic (fig. 7.20).

Fig. 7.20. Structura chimică a acizilor biliari [2]

În bila umană predomină acidul colic. Acidul colic şi acidul chenodezoxicolic se sintetizează în ficat din colesterol şi se numesc acizi biliari primari. Acidul dezoxicolic şi litocolic se numesc acizi biliari secundari, întrucât se sintetizează din acizii biliari primari în lumenul intestinal sub acţiunea microorganismelor. Hormonii steroizi (fig.7.21) sunt o grupă de substanţe biologic active (hormoni sexuali, hormoni corticosteroizi etc.) care reglează procesele metabolice, de creştere şi reproducere la animale şi oameni. La animalele vertebrate, hormonii steroizi se sintetizează din colesterol în măduva glandelor suprarenale, în celulele Leydig ale testiculelor, în foliculele şi corpul galben ale ovarelor, în placentă. Dat fiind faptul că aceste substanţe au un caracter lipofil, acestea trec uşor din citoplasma celulelor

136

prin membranele plasmatice în sânge, de unde pătrund în celulele ţintă. La oameni sunt prezenţi următorii hormoni steroizi: progesteron, cortizol, aldosteron, testosteron, estradiol şi calcitrol.

Fig. 7.21. Structura chimică a hormonilor steroizi [2]

Ecdisonul este hormonul năpârlirii sau hormonul stimulării metamorfozării (de crestere, de diferenţiere) secretat de glandele protoracice ale insectelor. 7.4. LIPIDELE COMPLEXE Lipidele complexe reprezintă un grup de substanţe larg răspândite în natură. Ele predomină în regnul animal. În cantitate mai mare se află în ţesuturile şi organele cu activitate biochimică şi fiziologică intensă ̶ creier 30%, ficat 10%, inimă 7%, în membrana celulară etc [3]. La plante se află în cantitate mai însemnată în seminţe şi fructe. Din punct de vedere chimic, lipidele complexe sunt esteri sau amide ai unor alcooli cu acizii graşi. În structura lipidelor complexe mai intră acid fosforic, aminoalcooli, inozitol şi diferite glucide. Se împart în două categorii: fosfolipide (conţin în moleculă acid fosforic) şi glicolipide (nu conţin acid fosforic). 1. Fosfolipidele (fosfatide) sunt esteri ai unor polialcooli cu acizi graşi superiori în constituţia cărora mai intră un rest de acid fosforic, mai rar două şi o bază azotată sau compuşi cu azot (colina, etanolamina şi serina). Fosfolipidele se dizolvă bine în solvenţi organici; cu apa dau emulsii şi, de asemenea, formează soluţii coloidale deoarece posedă grupe polare. Capătul la care este aşezat restul de acid fosforic are proprietăţi hidrofile, în timp ce cele două grupe acil, provenite de la acizii graşi, formează partea hidrofobă. Datorită acestei structuri, fosfolipidele au proprietatea de a forma emulsii stabile şi sunt utilizate în industria alimentară în calitate de emulgatori pentru fabricarea cremelor, ciocolatei, maionezei, sosurilor etc. Fosfolipidele intră în compoziţia tuturor ţesuturilor şi celulelor organismelor animale şi vegetale, însă cantităţi foarte mari conţine ţesutul nervos al omului şi vertebratelor. Multe fosfolipide se conţin în inima şi ficatul animalelor, seminţele plantelor (soia, bumbac, floarea-soarelui), ouăle păsărilor, icrele şi lapţii peştilor etc. Ele formează complexe cu proteinele, participă la formarea biomembranelor şi graţie structurii lor chimice (prezenţa grupelor polare, a părţilor hidrofilă şi hidrofobă), fosfolipidele asigură semipermeabilitatea acestora.

137

În funcţie de tipul polialcoolului (glicerol sau sfingozina) care intră în compoziţia lor, fosfolipidele se împart în glicerofosfolipide şi sfingofosfolipide. Acizii graşi superiori care intră în molecula fosfolipidelor pot fi: saturaţi (acizii palmitic, stearic) sau nesaturaţi (acizii linoleic, linolenic, arahidonic, lignoceric etc.). 1.1. Glicerofosfolipidele (glicerofosfatide, fosfogliceride, fosfoacilgliceroli) intră în componenţa tuturor membranelor celulare. Sunt diacilgliceroli cu un rest de acid fosforic în poziţia 3, rest care poate lega o serie de compuşi: un hidroxiaminoacid (serina), o amină hidroxilată (colina, etanolamina) sau un poliol (inozitol). Glicerofosfolipidele sunt substanţe solubile în solvenţi organici, dar insolubile în acetonă, deosebindu-se sub acest aspect de lipidele simple. Din această categorie de lipide fac parte: acizii fosfatidici, fosfatidilcolina, fosfatidiletanolamina, fosfatidilserina, fosfatidilinozitol, fosfatidilglicerol, difosfatidilglicerol (fig. 7.22).

Fig. 7.22. Structura unor glicerofosfolipide [4]

Acizii fosfatidici, cele mai simple lipide complexe, se găsesc în ţesuturile animale (ficat, ţesut nervos) şi vegetale (germenii cerealelor, frunzele plantelor), având rol în biosinteza gliceridelor şi 138

fosfolipidelor; acizii fosfatidici se găsesc în plante atât în stare liberă, cât şi sub formă de săruri de magneziu, calciu şi de potasiu. Acizii fosfatidici sunt diacilgliceroli care au în poziţia α sau β un rest de acid fosforic. În natură se găseşte forma α a acidului fosfatidic, în timp ce forma β apare prin hidroliza unor lipide complexe. Cardiolipina (difosfatilglicerolul) este abundentă în ţesuturile animale (în special în mitocondrii). Fosfatidilcolinele (lecitinele) se găsesc în cantităţi importante în diferite organe şi ţesuturi de origine animală (ficat, creier, rinichi, gălbenuş de ou) şi vegetală (soia, germeni de cereale); sunt diacilgliceroli care în poziţia 3 au un rest de acid fosforic, care la rândul său, leagă baza azotată colina. Acizii graşi esterificaţi din structura 1,2 diacilglicerolilor pot fi saturaţi (esterifică un ̶ OH primar) sau nesaturaţi (esterifică un ̶ OH secundar). În funcţie de poziţia restului de acid fosforic la atomul de carbon α sau β al glicerolului, se deosebesc α- şi β-colinfosfolipide. Lecitinele naturale sunt de formă α. Sunt optic active şi aparţin seriei L. Lecitinele sunt substanţe albe, hidroscopice, ceroase, care se solubilizează bine în solvenţi ai grăsimilor; se obţin la scară industrială din soia, iar în industria alimentară se folosesc ca emulgatori. Fosfatidiletanolaminele (cefaline) şi fosfatidilserinele sunt diacilgliceroli care prezintă în poziţia 3 un rest de acid fosforic, care leagă, la rândul său, compuşi cu azot ̶ etanolamina sau serina. Acizii graşi esterificaţi din structura 1,2 diacilglicerolilor sunt acizii palmitic, stearic şi oleic. Intră în structura biomembranelor. Fosfatidilinozitolii sunt lipide complexe care prin hidroliză formează o moleculă de glicerol, o moleculă de inozitol, două molecule de acid gras şi 1 ̶ 3 molecule de acid fosforic. Sunt derivaţi ai acidului α-fosfatidic, răspândiţi în diferite organe (creier, ficat, muşchi, inimă) şi au rol în transportul acizilor graşi; sunt prezenţi în regnul vegetal, în special, în seminţele de arahide, grâu şi porumb. 1.2. Sfingofosfolipidele (sfingofosfatide, sfingomieline, fosfosfingolipide) au în moleculă, în locul glicerolului, un aminoalcool cu lanţ lung, numit sfingozină, care prin legătură amidică se leagă cu un acid gras, formând un compus numit ceramidă, care la rândul său, se asociază, prin legătură esterică, cu acidul fosforic şi colina (fig. 7.23). Se găsesc în cantităţi mici în toate ţesuturile animale, în stare liberă în diverse structuri, de exemplu în membrana celulară sau în teaca de mielină a axonilor. Datorită acestui fapt sfingofosfolipidele se mai numesc sfingomieline. Fig. 7.23. Structura generală a unei sfingomieline [21] Acestea diferă între ele în funcţie de acidul gras (acidul lignoceric, nervonic, stearic, palmitic) din compoziţia lor.

139

2. Glicolipidele sunt substanţe complexe, cu o structură destul de diferită, însă în toate sunt prezente sfingozina şi o componentă glucidică (fig. 7.24). Se împart în cerebrozide şi gangliozide.

Fig. 7.24. Structura unor glicolipide [4] * ̶ Glc, D-glucoză; Gal, D-galactoză; GalNAc, N-acetil-D-galactozamină; Neu5Ac, acid N-acetilneuraminic (acid sialic)

2.1. Cerebrozidele sunt lipide complexe care prin hidroliză formează o moleculă de sfingozină, un acid gras şi o hexoză (mai frecvent galactoza, mai rar glucoza). În molecula unei cerebrozide restul de sfingozină este legat amidic cu acidul gras şi eteric cu o moleculă de hexoză; nu conţin fosfor. Restul de hexoză este legat β-glicozidic. Cele mai răspândite cerebrozide sunt glucocerebrozidele şi galactocerebrozidele. Cerebrozidele din plante, ficat şi splină conţin glucoză, iar cele din creier conţin galactoză. Cerebrozidele se deosebesc între ele prin natura acidului gras pe care-l conţin în moleculă. În funcţie de acidul gras constituent cerebrozidele au denumiri diferite: cerebrone – care conţin acid cerebronic, cerazine – care conţin acid lignoceric, nervone – care conţin acid nervonic etc.

140

2.2. Gangliozidele sunt lipide complexe cu masă moleculară mare în compoziţia cărora, alături de acizii graşi superiori, aminoalcoolul sfingozina, hexoze şi galactozamină intră şi acidul neuraminic sau derivatul său acidul sialic (fig. 7.25).

Fig. 7.25. Structura generală a unei gangliozide [12]; * ̶ GM1, GM2, GM3 ̶ tipuri de gangliozide; G ̶ gangliozid; M ̶ monosialic

Principalul acid sialic din ţesuturile umane este acidul N-acetilneuraminic (Neu Ac). Sunt cunoscute mai mult de 60 de gangliozide care diferă prin numărul şi poziţia acidului neuraminic. Gangliozidele se găsesc în cantităţi mari în creier, la nivelul terminaţiilor nervoase. Au rol important în transmiterea impulsului nervos la nivelul sinapselor. Au capacitatea de a restabili excitabilitatea electrică a ţesutului nervos. De asemenea, gangliozidele leagă specific sau inactivează unele toxine bacteriene. 7.5. COMPUŞII CU CARACTER LIPIDIC Compuşii cu caracter lipidic sau lipoidele sunt compuşi naturali lipsiţi de acizi graşi, care au caracteristicile comune unor lipide adevărate. Au o structură poliizoprenică, fiind derivaţi ai izoprenului, şi un grad mai mare sau mai mic de nesaturare. Lipoidele se împart în eicosanoide şi izoprenide. 1. Eicosanoidele sunt substanţe derivate din trei acizi polinesaturaţi cu 20 atomi de carbon [10]: acidul eicosapentaenoic (ω-3, cu 5 legături duble); acidul arahidonic (ω-6, cu 4 legături duble); acidul γ-dihomolinolenic (ω-6, cu 3 legături duble). Două familii de enzime catalizează oxidarea acizilor graşi şi formarea eicosanoidelor:

141

 ciclooxigenaze (COX) generează o subclasă de eicosanoide ̶ prostanoide, care includ prostaglandine (mediatori ai reacţiilor inflamatorii), tromboxane (mediatori ai vasoconstricţiei), prostacicline (implicate în procesele inlamatorii);  lipooxigenaze (LOX) generează o subclasă de eicosanoide ̶ leucotriene, mediatori ai reacţiilor inflamatorii, produşi în leucocite în rezultatul oxidării acidului arahidonic sub acţiunea enzimei arahidonat 5-lipoxigenază [16]. 2. Izoprenidele sunt substanţe derivate din izopren şi se clasifică în două clase: terpene şi steroizi (derivaţi sterolici). 2.1. Terpenele sunt compuşi foarte răspândiţi în regnul vegetal, intrând în componenţa uleiurilor eterice care conferă florilor şi fructelor un miros caracteristic. Se întâlnesc şi în regnul animal: la unele termite şi specii de fluturi. Multe terpene reprezintă, din punct de vedere chimic, hidrocarburi aromatice care au un rol de protecţie a plantelor de paraziţi, de exemplu la conifere. Un număr mare de compuşi naturali din familia terpenelor provin din polimerizarea şi rearanjarea scheletului carbonic al aceluiaşi precursor izopren, o dienă cu 5 atomi de carbon, cu formula moleculară C5H8. Formula moleculară a terpenelor este (C5H8)n, unde n ̶ reprezintă numărul de unităţi de izopren [22]. Transformările biochimice, precum oxidarea sau rearanjarea scheletului carbonic din moleculă, adăugarea la moleculă a unor grupări funcţionale conduce la formarea terpenidelor. Terpenele se clasifică în funcţie de numărul unităţilor de izopren în moleculă; prefixul în denumirea terpenelor indică numărul de unităţi de izopren (fig. 7.26). Se deosebesc monoterpene, sesquiterpene, diterpene, triterpene, sesquaterpene, tetraterpene şi politerpene.

Fig. 7.26. Principalele izoprenide naturale [2]

142

Monoterpenele (C10H16, I = 2) sunt alcătuite din două unităţi de izopren. Monoterpenele pot fi liniare (aciclice) sau ciclice. Din categoria monoterpenelor aciclice întâlnite frecvent în componenţa uleiurilor eterice şi a răşinilor fac parte următorii compuşi: ocimen (din busuioc), mircen (din dafin, hamei), geraniol şi citronelol (din ulei de trandafir), linalool (din ulei de portocale, coriandru, levănţică). Monoterpenele ciclice sunt reprezentate de limonen (din ulei de chimion, mărar şi coaja fructelor de citrice), pinen (din esenţe de levănţică, lămâie, coriandru, pătrunjel), mentol (din uleiul eteric de mentă), camfor (din arborele Cinnamomum camphora). Sesquiterpenele (C15H24, I = 3) sunt alcătuite din trei unităţi de izopren, se găsesc în uleiuri esenţiale ale unor plante (Humulus lupulus ̶ hamei, Cannabis sativa ̶ cânepă, Rosmarinus officinalis ̶ rozmarin, Artemisia absinthum ̶ absintin, Acacia farnesiana ̶ acacia etc.). Sunt constituenţi ai răşinilor de mir (Commiphora molmol). Sesquiterpenele pot fi aciclice (farnesol), mono- sau biciclice (humulenă, cariofilenă). S-a constatat că sesquiterpenele au proprietăţi anestezice, antibacteriene şi antifungice. Mono- şi sesqueterpenele, prezente în fructe, legume, condimente şi vin determină un spectru larg de arome plăcute. Diterpenele (C20H32, I = 4) sunt compuşi alcătuiţi din patru unităţi de izopren, derivaţi ai metabolitului geranilgeranil pirofosfat [22]. Compuşii din această categorie pot fi aciclici şi ciclici (bi-, tri-, tetraciclici). Exemple de diterpene vegetale sunt cafestolul, kahweolul, taxolul etc. Cafestolul şi kahweolul se conţin în cafea (Coffee arabica), taxolul se conţine în scoarţa coniferului Taxis brevifolia şi este utilizat în calitate de medicament pentru tratarea tumorilor cervicale şi a cancerului de sân. La animale, din categoria diterpenelor face parte fitolul, precum şi vitaminele A, E, K (fig. 7.26). Au un efect antiinflamator şi proprietăţi antimicrobiene. Triterpenele (C30H48, I = 6) sunt substanţe alcătuite din şase unităţi de izopren, derivate dintr-un compus triterpenic liniar scualena (componentul principal al uleiului din ficat de rechin) (fig. 7.26). Acesta din urmă derivă din asocierea reductivă a două molecule de farnesil pirofosfat. Din scualenă se sintetizează lanosterol şi cicloartenol ̶ precursorii structurali ai tuturor steroizilor [22]. Sescuaterpenele (C35H56, I = 7) sunt substanţe de origine microbiană alcătuite din şapte unităţi de izopren. Exemple de sescuaterpene sunt ferugicadiol şi tetraprenilcurcumen. Tetraterpenele (C40H64, I = 8) conţin opt unităţi de izopren şi formează familia de carotenoizi la plante, iar la animale sunt precursori ai vitaminei A. Din această categorie fac parte: substanţe aciclice (licopen), monociclice (γ-caroten), biciclice (α- şi β-caroten). Politerpenele reprezintă lanţuri lungi alcătuite din unităţi de izopren. Guma naturală, produsă de arborele de cauciuc (Hevea brasiliensis), e un poliizopren la care legăturile duble au configuraţia cis. Arborele Palaquium gutta produce gutapercă ̶ o răşină asemănătoare cauciucului, care din punct de vedere chimic reprezintă un poliizopren cu legături duble în configuraţia trans. 2.2. Steroizii (derivaţii sterolici) diferă între ei prin grupele funcţionale şi catenele laterale grefate pe nucleul steranic, prin prezenţa unor legături duble şi a unui număr mare de stereoizomeri. La animale principalele grupe de sterozi naturali sunt: sterolii, acizii biliari şi hormonii steroizi (vezi cap.7.3). La plante, de asemenea, au fost identificate o serie de substanţe cu structură steroidică cu proprietăţi farmacogenetice: alcaloizi steroidici, glicozide cardiotonice şi saponine.

143

7.6. ROLUL BIOLOGIC AL LIPIDELOR În organism, lipidele îndeplinesc următoarele funcţii importante. 1. Funcţia energetică (de rezervă). Trigliceridele sunt folosite de organism în calitate de sursă de energie. La oxidarea completă a unui gram de grăsime se degajă 9,4 kcal [1], dublu faţă de energia furnizată de glucoză (3,9 kcal). Grăsimile se descompun sub acţiunea enzimelor lipaze până la glicerol şi acizi graşi, care la rândul său se oxidează în mitocondriile celulare până la CO2 şi H2O (fig. 7.27). Grăsimile se acumulează în citoplasma celulei sub formă de picături. Depunerile de Fig. 7.27. Schema generală de oxidare a acizilor graşi în grăsime se utilizează la animale în calitate de mitocondriile celulare [2] sursă de substanţe de rezervă şi se acumulează în ţesutul adipos, sub piele (subcutanat) şi în jurul organelor interne. Plantele utilizează, de regulă, glucidele în calitate de substanţe de rezervă, însă în fructele şi seminţele unor specii de plante (Olea europaea ̶ măsline, Prunus dulcis ̶ migdale, Phoenix dactylifera ̶ curmale, Hippophaë rhamnoides ̶ cătină, Helianthus annuus ̶ floarea-soarelui, Ricinus communis ̶ ricin, Glycine max ̶ soia, Linum usitatissimum ̶ in, Cannabis sativa ̶ cânepă etc.), grăsimile de rezervă se găsesc în cantităţi mari, constituind o substanţă de nutriţie importantă pentru embrion. 2. Funcţia de termoizolare şi protecţie mecanică. La multe animale termofile lipidele se acumulează în ţesutul gras subcutanat, micşorând astfel pierderea de căldură. Un strat lipidic gros subcutanat este caracteristic, în special, mamiferelor acvatice (balene, morse etc.). În acelaşi timp, la animalele care vieţuiesc într-un mediu arid (cămile, iepurele pitic cu coada groasă etc.) grăsimile se depun pe sectoare izolate ale corpului (în cocoaşa cămilei, în coada iepurelui pitic cu coada groasa ̶ Salpingotus crassicauda) în calitate de rezervă de apă, care este un produs de oxidare a grăsimilor. Stratul subcutanat de grăsime asigură şi o protecţie mecanică a animalului, atenuează efectul loviturilor mecanice, iar lipidele din ţesutul adipos în jurul organelor interne au un rol însemnat în susţinerea şi protecţia acestora de zdruncinare. Ceridele îndeplinesc funcţii de protecţie şi de hidroizolare, acoperind pielea şi lâna animalelor (lanolina), frunzele şi fructele plantelor (pruina). 3. Funcţia de structură. Lipidele sunt componente ale membranelor celulare. În 1 μm (10-6m) de membrană biologică se conţin ~1 mln. de molecule lipidice [24]. Lipidele membranare tipice includ: fosfolipide, glicolipide, colesterol (fig. 7.28). La suprafaţa celulelor animale glicolipidele şi glicoproteidele formează un înveliş periferic – glicocalix, care asigură recunoaşterea şi adeziunea intercelulară. În membranele celulare ale drojdiilor şi ciupercilor se conţine ergosterol. Membranele tilacoizilor cloroplastelor conţin o cantitate mare de galactolipide şi sulfolipide. Acizii graşi din componenţa fosfolipidelor conferă membranelor proprietăţi fizice particulare ̶ elasticitate, vâscozitate, iar prezenţa colesterolului în bistratul lipidic reglează fluiditatea membranelor. Toate lipidele din componenţa membranelor posedă proprietăţi amfifilice: acestea sunt alcătuite dintr-o parte hidrofilă şi una hidrofobă. În mediu apos astfel de molecule formează spontan micelii şi bistraturi în rezultatul interacţiunilor hidrofobe; în astfel de structuri părţile superioare polare ale moleculelor (head group) sunt orientate în exterior spre faza apoasă, iar părţile inferioare apolare (tail group) sunt îndreptate spre interior. Aşa o amplasare este caracteristică şi pentru lipidele membranare (fig. 7.28). Prezenţa unui strat hidrofob este foarte importantă pentru funcţionalitatea membranelor, deoarece acesta este impermeabil pentru ioni şi compuşi polari.

144

Fig. 7.28. Lipidele membranare la animale [2]

4. Funcţia reglatoare şi de semnalizare. Unele lipide joacă un rol activ în reglarea metabolismului celular. Bunăoară, hormonii steroizi, secretaţi de glandele sexuale şi măduva glandelor suprarenale, se transportă cu sângele prin tot organismul şi asigură creşterea, diferenţierea celulelor, ţesuturilor şi organelor, reglează căile de biosinteză şi degradare a metaboliţilor principali (glucoză, acizi graşi etc.), procesele digestive, homeostazia celulară etc. Eicosanoidele, substanţe derivate de la acizii graşi polinesaturaţi, de asemenea, reglează un spectru larg de funcţii fiziologice ale organismului. Aceste substanţe, de exemplu, sunt necesare pentru funcţionarea normală a sistemului reproducător, inducţia şi derularea procesului imflamator, coagularea sângelui, reglarea presiunii arteriale etc. În cadrul clasei lipidelor se remarcă o grupă de substanţe cu denumirea de mediatori secundari (engl. second messengers), care asigură transmiterea semnalului de la hormoni sau alte substanţe biologic active în interiorul celulei. Spre exemplu, prostaglandinele şi leukotrienele sunt mediatori ai reacţiilor inflamatorii, tromboxanele mediază vasoconstricţia, fosfatidilinozitol-4,5-bifosfat este un compus implicat în semnalizare cu participarea G-proteinelor (engl. G proteins), fosfatidilinozitol3,4,5-trifosfat iniţiază formarea unor complexe supramoleculare de proteine de semnalizare la acţiunea unor factori extracelulari [24]. Lipidele pot ataşa proteine specifice de membranele celulare (fig. 7.29). Ancorele lipidice reprezentate de acizi graşi (acid palmitic, acid miristic), izoprenide (farnesol), glicolipide (glicozil fosfatidilinozitol ̶ GPI) se leagă covalent cu lanţurile peptidice ale moleculelor proteice membranare.

Fig. 7.29. Proteinele membranare V şi VI ancorate de lipide [2]

145

Fig. 7.30. Funcţiile specifice ale lipidelor [2]

De natură lipidică sunt cofactorii enzimatici, precum vitamina K şi ubiquinona (Coenzima Q sau CoQ), pigmentul retinal sau pigmentul vizual care are un rol central în procesul vederii (fig. 7.30). TESTE DE EVALUARE 1. Completaţi spaţiile libere din text. 1.1. Lipidele simple reprezintă compuşi alcătuiţi din............................................................................ 1.2. Uleiurile vegetale conţin acizi graşi................................................................................................. 1.3. La oxidarea acizilor graşi se formează............................................................................................. 1.4. În organismul uman vitamina D se sintetizează din....................................................................... 1.5. Steridele sunt esteri ai ......................................................cu .......................................................... 2. Alegeţi răspunsul corect din două variante alternative: Da / Nu. 2.1. Indicele de iod reflectă gradul de nesaturare al grăsimilor. 2.2. Acizii graşi esenţiali nu se sintetizează în organismul animal. 2.3. Fosfolipidele pot forma emulsii stabile. 2.4. Cele mai răspândite lipide în natură sunt trigliceridele. 2.5. Râncezirea este un proces de maturare a brânzeturilor. 3. Alegeţi varianta sau variantele de răspuns corecte. 3.1. Lipide: а) clorofilă; b) ceride; c) gliceride; d) pectină; e) cumarină. 3.2. În componenţa gliceridelor intră: a) aminoacizi; b) glucoză; c) baze azotate; d) acizi graşi; e) glicerină. 3.3. Săpunurile se formează la interacţiunea gliceridelor cu: a) HCl; b) H2O; c) NaOH; d) H2. 3.4. Ceride: a) lanolina; b) pruina; c) ergosterol; d) ceară de albine; e) glicerină. 3.5. În compoziţia fosfolipidelor intră: a) gliceroli; b) steroli; c) fosfaţi; d) inozitol; e) sfingozină. 4. Asociaţi. Clasificarea acizilor graşi după gradul de saturaţie 1. Acizi graşi saturaţi A. Palmitic 2. Acizi graşi nesaturaţi B. Stearic C. Oleic D. Linolic E. Arahic F. Linolenic G. Miristic H. Arahidonic I. Ricinoleic

146

5. Selectaţi termenul care nu se încadrează în grupul tematic prezentat şi explicaţi de ce l-aţi separat. 5.1. Lipoproteide, gliceride, gangliozide, sfingofosfolipide, inozitolfosfolipide, cerebrozoide. 5.2. Acid linoleic, acid oleic, acid linolenic, acid arahidonic, acid clupanodonic. 5.3. Carne de somon, ulei de in, untura de peşte, soia, ulei de muştar, arahide, brânză, seminţe de floarea-soarelui. 6. Completaţi tabelul. Acizi graşi saturaţi / Acizi graşi nesaturaţi Asemănări Deosebiri 1. 1. 2. 2. 3. 3. 4. 4. 7. Scrieţi un referat la tema. 7.1. Caracteristica generală şi clasificarea lipidelor. 7.2. Proprietăţile fizico-chimice ale lipidelor. 7.3. Indicii de calitate ai grăsimilor. 7.4. Funcţiile lipidelor în celulă. 7.5. Râncezirea grăsimilor. GLOSAR Artropode ̶ încrengătură de animale nevertebrate, cu schelet chitinos, segmentat și articulat (racul, furnica, păianjenul, cărăbușul etc.). Axon ̶ prelungire a neuronului. Celulele Leydig ̶ un grup de celule adiacente tubilor seminiferi în testicule, având rol în producerea testosteronului. Cutină ̶ substanță ceroasă, impermeabilă, care impregnează cuticula vegetalelor. Dienă ̶ hidrocarbură care conține două legături duble în moleculă. Fitol ̶ alcool diterpenic aciclic care poate fi folosit în calitate de precursor la sinteza chimică a vitaminelor E şi K1. G-proteine ̶ familie de proteine (GTPaze) care funcţionează în calitate de mediatori secundari în cascade de semnalizare intercelulare. Geranilgeranil pirophosphate ̶ metabolit intermediar utilizat de organisme în biosinteza terpenelor şi terpenidelor; la plante este un precursor al carotenoidelor, giberelinelor, tocoferolilor, clorofilei. Izoprenide ̶ compuşi naturali din clasa lipidelor care se formează din acid mevalonic. Homeostazie ̶ proprietate a organismelor vii de a-și menține constantele fiziologice în condiții diferite de mediu; echilibru al mediului interior al individului. Ozonidă ̶ compus organic obținut prin adăugarea ozonului la o alchenă. Prostaglandine ̶ grup de substanțe derivate din acizi grași esențiali, cu rol important în reglarea hormonală, agregarea trombocitelor, producerea inflamațiilor, contracția musculaturii netede. Tilacoizi ̶ compartimente separate de o membrană din cadrul cloroplastelor şi cianobacteriilor. Ubiquinonă ̶ coenzimă liposolubilă prezentă în mitocondriile celulelor eucariote; component al lanţului de transport al electronilor care participă la fosforilarea oxidativă.

147

BIBLIOGRAFIE 1. Duca, M. Fiziologie vegetală. − Chişinău, CEP USM, 2006.- 288 p. 2. Koolman, J., Roehm, K. Color Atlas of Biochemistry. Second edition, revised and enlarged, Stuttgart, New-York, 2005.-476 p. 3. Neamţu, G., Cîmpeanu, G., Socaciu, C. Biochimie vegetală: (partea structurală). – Bucureşti: Editura didactică şi pedagogică, 1993.-347 p. 4. Nelson, D., Cox, M. Lehninger Principles of Biochemistry. Publisher: W. Freeman; 4th edition, April 23, 2004.- 1110 p. 5. Oprică, L. Biochimia produselor alimentare. – Iaşi: Tehnopresss, 2011.-384 p. 6. http: Alpha-linolenic acid //en.wikipedia.org/wiki/Alpha-linolenic_acid 7. http: Arachidonic acid //en.wikipedia.org/wiki/Arachidonic_acid 8. http: Candelilla wax //en.wikipedia.org/wiki/Candelilla_wax 9. http: Carnauba wax //en.wikipedia.org/wiki/Carnauba_wax 10. http: Eicosanoid //en.wikipedia.org/wiki/Eicosanoid 11. http: Fatty acid //en.wikipedia.org/wiki/Fatty_acid 12. http: Ganglioside //en.wikipedia.org/wiki/Ganglioside 13. http: Glycerophospholipid //en.wikipedia.org/wiki/Glycerophospholipid 14. http: Hydroxybutyric acid //en.wikipedia.org/wiki/Hydroxybutyric_acid 15. http: Lanolin //en.wikipedia.org/wiki/Lanolin 16. http: Leukotrienes //en.wikipedia.org/wiki/Leukotrienes 17. http: Linoleic acid //en.wikipedia.org/wiki/Linoleic_acid 18. http: Lipid //en.wikipedia.org/wiki/Lipid 19. http: Lipide //ru.scribd.com/doc/52014275/Lipide 20. http: Monoterpenoid //en.wikipedia.org/wiki/Monoterpenoid 21. http: Sphingomyelins //catalog.flatworldknowledge.com/bookhub/reader/2547?e=gob-ch17_s03 22. http: Terpene //en.wikipedia.org/wiki/Terpene 23. http: Waxes //en.wikipedia.org/wiki/Waxes 24. http: Липиды //ru.wikipedia.org/wiki/ Липиды 25. http: Стеран //ru.wikipedia.org/wiki/ Стеран 26. https: Холестерин //ru.wikipedia.org/wiki/ Холестерин 27. http: Эргостерол //lifebio.ru /Эргостерол?rev=1388152045

148

CAPITOLUL 8. METABOLIŢII SECUNDARI 8.1. Particularităţile metabolismului secundar la plante 8.2. Alcaloizii 8.3. Izoprenidele 8.4. Compuşii fenolici 8.1. PARTICULARITĂŢILE METABOLISMULUI SECUNDAR LA PLANTE Plantele, spre deosebire de microorganisme şi animale, se caracterizează printr-o diversitate extrem de mare de procese metabolice, în rezultatul cărora se formează substanţe cu o structură chimică foarte variată. Substanţele organice care nu sunt implicate într-un mod direct asupra creşterii, dezvoltării şi reproducerii plantelor au primit denumirea de metaboliţi secundari [50]. O gamă largă de metaboliţi secundari sunt substanţe biologic active (SBA), care au un mecanism diferit de acţiune asupra microorganismelor, animalelor şi omului. Această proprietate stă la baza utilizării metaboliţilor secundari în medicină şi farmaceutică. Metaboliţii de origine vegetală pot fi nişte modele naturale pentru sinteza unor compuşi chimici utili omului. Un exemplu în acest sens îl reprezintă acidul salicilic, izolat din scoarţa de salcie (Salix L.) şi a altor specii de plante. Pe baza acidului salicilic a fost creat medicamentul aspirina (acid acetilsalicilic). Substanţele active din plantele medicinale au o structură foarte complexă şi cu toate că s-au înregistrat succese notabile în sinteza compuşilor organici, în prezent din plante se obţin mai mult de 1/3 din preparatele medicinale [62]. Substanţele biologic active prezente în plantele medicinale şi care exercită un efect terapeutic asupra organismului animal şi uman sunt, de regulă, produse secundare ale metabolismului. Reacţiile şi compuşii chimici ai metabolismului primar au un caracter general pentru toate organismele vii. În acelaşi timp, există un număr mare de căi metabolice, care duc la formarea unor compuşi chimici specifici doar unor specii de plante. Cu cât mai multe reacţii chimice sunt necesare pentru formarea unui metabolit secundar, cu atât mai limitată este răspândirea acestuia. Metabolismul secundar este o particularitate a celulelor diferenţiate şi a ţesuturilor vegetale. El este caracteristic doar unor organe specializate şi doar în anumite faze de dezvoltare ale plantelor. Metaboliţii secundari posedă o specificitate taxonomică, cu alte cuvinte fiecare metabolit se formează în cadrul unui taxon specific (familie, gen, specie). Trebuie de remarcat existenţa unei legături dintre metabolismul primar şi cel secundar: de regulă, precursorii metaboliţilor secundari se formează în cadrul metabolismului primar (fig. 8.1). Este cunoscut faptul că una din condiţiile principale de supravieţuire a plantelor în biocenoze este adaptarea biochimică, proces în care metaboliţii secundari joacă un rol important. În clasa respectivă au fost identificaţi compuşi cu acţiune:  alelopatică (acţionează asupra plantelor vecine);  insecticidă (acţionează asupra insectelor);  fungicidă (acţionează asupra ciupercilor);  bactericidă (acţionează asupra bacteriilor). Au fost, de asemenea, identificate substanţe toxice pentru peşti şi animale, substanţe care protejează plantele de microorganisme (fitoalexine), substanţe care protejează plantele de animalele erbivore, substanţe asemănătoare cu hormonii animalelor ̶ analogi vegetali ai hormonilor sexuali la animale, analogi ai hormonilor năpârlirii la insecte (fitoecdison). În fructele plantelor metaboliţii secundari au un rol de conservant, reprezintă semnale (gustative, de culoare, olfactive) pentru animale, care după ce consumă fructele răspândesc seminţele în natură. Unii metaboliţi secundari se sintetizează în plante în condiţii de stres [59].

149

Fig. 8.1. Schema generală de biosinteză a claselor principale de metaboliţi secundari din produse ale metabolismului primar (* ̶ denumirile claselor de metaboliţi secundari sunt marcate cu culoare albastră) [62]

Metaboliţii secundari au următoarele particularităţi generale [65]:  posedă o masă moleculară mică (cu excepţia poliizoprenidelor ̶ cauciuc, gutapercă);  nu sunt prezenţi în fiecare organism (unii metaboliţi sunt larg răspândiţi, spre exemplu fenilpropanidele se întâlnesc aproape în toate plantele);  sunt, de regulă, substanţe biologic active (SBA);  se sintetizează din metaboliţi primari. Principalele grupe de compuşi din clasa metaboliţilor secundari sunt alcaloizii, izoprenidele, compuşii fenolici. 8.2. ALCALOIZII Termenul de alcaloid (lat. alcali ̶ bază; arabă al-qalwi ̶ cenuşă vegetală; gr. eidos ̶ aspect) a fost propus de chimistul german Carl Meissner în 1818 pentru a delimita un şir de substanţe azotate cu caracter bazic de bazele obişnuite [7] şi care aveau o acţiune fiziologică asupra organismelor animale. Primul alcaloid a fost izolat de chimistul german Friedrich Serturner din opiul macului de grădină sau macului opiaceu (Papaver somniferum) şi a fost numit principiu somnifer (lat. principium somniferum) sau morfină în cinstea lui Morfeus, zeul grecesc al somnului [3]. Alcaloizii sunt substanțe organice heterociclice cu azot, de origine vegetală, cu caracter bazic, rezultate în urma metabolismului secundar al plantelor, care dau reacții caracteristice cu unii reactivi și au acțiune asupra organismelor animale, de cele mai multe ori de natură toxică. În majoritatea cazurilor precursori ai alcaloizilor sunt diferiţi aminoacizi: ornitina, lizina, triptofanul, Fig. 8.2 A. Macul de Fig. 8.2 B. Structura fenilalanina, care în procesul de sinteză a alcaloizilor, grădină [3] moleculară a morfinei [62] sunt supuşi unor transformări chimice:  se oxidează (cedează hidrogen sau adiţionează oxigen);  se dehidratează (cedează apă);  se reduc (adiţionează hidrogen); 150



se asociază cu diferite grupe funcţionale. De obicei, la etapele finale ale sintezei alcaloizilor are loc o ciclizare a moleculelor. În figura 8.3 este prezentată schema generală de biosinteză a alcaloidului L-hiosciamina din aminoacidul Lornitină.

Fig. 8.3. Schema generală de biosinteză a L-hiosciaminei din L-ornitină [62]

Alcaloizii se găsesc în vacuolele celulelor vegetale în stare liberă şi mai cu seamă sub formă de săruri ale acizilor organici (acid oxalic, acid malic, acid succinic, acid citric, acid tartric etc.) şi uneori anorganici (acid fosforic, acid sulfuric). Se acumulează în anumite părţi ale plantelor, în rădăcini, seminţe, fructe, frunze şi mai puţin în flori. Pentru extragerea alcaloizilor se foloseşte de obicei un amestec de alcool şi cloroform sau alcool şi benzen. În soluţie alcaloizii au un caracter bazic, uneori destul de accentuat. Conţinutul de alcaloizi depinde de tipul plantei, de faza de vegetaţie şi de influenţa factorilor pedoclimatici. Plantele, de regulă, nu conţin un singur alcaloid ci o grupă de alcaloizi înrudiţi structural. Spre exemplu, în latexul din capsulele de mac au fost identificaţi circa 20 de alcaloizi cu heterociclu izochinolinic: morfina, codeina, papaverina, tebaina etc. În stare liberă, alcaloizii sunt insolubili în apă şi solubili în majoritatea solvenţilor organici. Sub formă de săruri sunt solubili şi în apă. Sub aspectul stării de agregare, majoritatea alcaloizilor ce conţin atomi de C, H, N (ternari) sunt substanţe lichide şi unele volatile la temperatura camerei. Alcaloizii cu atomi de C, H, O, N (cuaternari) sunt în general substanţe solide şi cristaline. Alcaloizii sunt compuşi incolori, cu activitate optică (de obicei levogiră) şi cu gust amar. Având caracter bazic, alcaloizii reacţionează cu acizii şi formează săruri, dau reacţii de precipitare cu unele săruri (iodura de potasiu), cu unii acizi (acid fosfomolibdenic). Cu acidul sulfuric şi azotic dau reacţii de culoare. Alcaloizii exercită asupra organismelor animale o acţiune fiziologic activă, acţionează asupra sistemului nervos central şi periferic, asupra musculaturii netede. Încă din vechime opiul, extras din fructele de mac, era folosit ca somnifer, fructele şi frunzele de coca sau frunzele Cusco (Erythroxylum coca) erau folosite drept stimulent, iar măselăriţa (Hyoscyamus niger), mătrăguna (Atropa belladona) şi cucuta (Conium maculatum) erau folosite ca otrăvuri. Către anul 2008 au fost identificaţi mai mult de 12.000 de alcaloizi [3]. După structura chimică a heterociclului azotat, alcaloizii se clasifică în mai multe clase [1; 3], cele mai răspândite fiind următoarele. 1. Alcaloizii cu ciclu pirolidinic. Principalii alcaloizii din această grupă sunt cuscohigrina, higrina, stahidrina etc. Etapele principale ale sintezei alcaloizilor cu cilcu pirolidinic sunt următoarele: Ornitină sau arginină → putrescină → N-metilputrescină → N-metill-Δ1-pirolină [3] Alcaloizii cuscohigrina (C13H24N2O ̶ fig. 8.4) şi higrina (C8H15NO), au fost izolaţi pentru prima dată de chimistul german Carl Lieberman în 1889 din frunzele de coca împreună cu alcaloidul cocaina [21]. De asemenea, alcaloizii respectivi au fost izolaţi din speciile de Fig. 8.4. Structura chimică a plante ale familiei Solanaceae: rădăcini de mătrăgună (Atropa cuscohigrinei [22] belladona), rădăcini de ciumăfaie (Datura stramonium), frunze de mă-

151

selariţă (Hyosciamus niger) şi mandragoră (Mandragora officinarum). Stahidrina se găseşte în frunzele plantelor citrice, lămâi (Citrus limon), portocali (Citrus sinensis). 2. Alcaloizii cu heterociclu piperidinic. Din clasa respectivă fac parte două grupe de alcaloizi. 2.1. Coniina (C8H17N), cel mai cunoscut alcaloid din prima grupă, este extras din cucută (Conium maculatum); este primul alcaloid sintetizat artificial de către chimistul german Albert Ladenburg în 1886 [18]. Schema generală de sinteză a coniinei este următoarea: Acid octanoic → coniceină → coniină [3] Coniina este o otravă puternică ce afectează nervii motori, iar dacă se administrează în doze mari produce moartea organismului, prin paralizia centrului respirator. Socrate, filizof din Grecia Antică, a fost condamnat la moarte prin otrăvire cu zeamă de cucută. 2.2. Piperina (C17H19NO3 ̶ fig. 8.5), reprezentant al grupei a doua, se sintetizează conform schemei generale: Lizină → cadaverină → Δ1-piperidină [3] Piperina se conţine în diferite specii de piper (Piper nigrum) şi (Piper longum). Este o substanţă cristalină, puţin solubilă în apă, solubilă în etanol, cloroform şi eter. Datorită piperinei, piperul are gustul arzător plăcut. Fig. 8.5. Structura chimică a piperinei [45] 3. Alcaloizii cu nucleu piridinic se conţin în numeroase specii de plante. Alcaloidul arecolina se conţine în nucile areca (Areca catechu), alcaloizii nicotina şi anabazina se conţin în frunzele diferitor specii de tutun (Nicotiana tabacum, Nicotiana rustica, Nicotiana glauca etc.). Alcaloizii din grupa respectivă se sintetizează după următoarea schemă: Acid nicotinic → acid dihidronicotinic → 1,2-dihidropiridină [3] Molecula de nicotină conţine un inel piridinic (stânga) legat de un heterociclu pirolidinic (dreapta) (fig. 8.6). Nicotina (C10H14N2) în doze mici este un excitant al nervilor centrali periferici, stimulează secreţia salivară, secreţia gastrică, produce hipertensiune. Pentru mamifere doza de nicotină de Fig. 8.6. Structura chimică a nicotinei [40] 50 ̶ 100 mg poate fi dăunătoare [40]. Nicotina este o substanţă cancerigenă şi are o acţiune paralizantă asupra sistemului nervos. Este o substanţă optic activă şi are doi enantiomeri ̶ levogiri şi dextrogiri; forma naturală a nicotinei este levogiră. Nicotina reprezintă un lichid incolor sau galben-deschis, cu miros neplăcut, sufocant şi gust arzător. 4. Alcaloizii cu ciclu tropanic. Tropanul este un compus cu o structură biciclică, fiind format dintr-un hexaciclu condensat cu un pentaciclu. Cele două cicluri se unesc prin intermediul unei legături de azot între atomii C1 şi C5. Sub aspect chimic alcaloizii respectivi sunt esteri ai unor alcooli derivaţi din tropan şi se formează după următoarea schemă: Ornitină sau arginină → putrescină → N-metilputrescină → N-metill-Δ1-pirolină [3] Sunt două grupe principale de alcaloizi cu nucleu tropanic:  grupa atropinei din care fac parte atropina extrasă din mătrăgună (Atropa belladona), hioscina extrasă din măselăriţă (Hyosciamus niger), scopalamina izolată din ciumăfaie (Datura stramonium);  grupa cocainei care include cocaina şi ecgonina, izolate din arbustul de coca (Eritroxylon coca) (fig. 8.7 A).

152

4.1. Atropina (C17H23NO3) acţionează asupra sistemului nervos parasimpatic. Ea produce o relaxare a muşchilor netezi şi se foloseşte ca medicament spasmodic. În cantitate foarte mică produce dilatarea pupilei. În cantitate mare este extrem de toxică. În mod similar acţionează hioscinamina şi scopolamina. Hioscina sau scopolamina (C17H21NO4) este extrasă din rădăcinile, frunzele și semințele mătrăgunei japoneze (Scopolia japonica), măselăriţei (Hyoscyamus niger), mătrăgunei (Atropa belladonna), ciumăfaie (Datura stramonium). Dozele mici de scopolamină au un efect ușor sedativ, hipnotic, spasmolitic și antiemetic (antivomitiv). În medicină este utilizată la tratarea spasmelor biliare, renale, gastrointestinale. 4.2. Cocaina (C17H21NO4 ̶ fig. 8.7 B) în doze mari produce paralizia sistemului nervos central. În cantitate foarte mică se foloseşte ca anestezic local, acţionând asupra nervilor periferici. Frunzele arbustului de coca se folosesc din antichitate de Fig. 8.7. A. Arbustul de Fig 8.7. B. Structura moleculară a către indienii din America de Sud ca Coca [12] cocainei [13] substanţe stimulente şi excitante. 5. Alcaloizii cu heterociclu izochinolinic. Această clasă include mai multe grupe de alcaloizi. Se găsesc în cantitate mai mare în capsulele uscate sau în opiul (sucul lăptos) din capsulele necoapte de mac (Papaver somniferum). Principalii alcaloizi din grupa respectivă sunt morfina, codeina, tebaina, papaverina, narcotina şi laudanina. 5.1. Morfina (C17H19NO3) are un efect deprimant al sistemului nervos, precedat de o stare de euforie. În doze mari este un narcotic puternic, iar în doze mici este un calmant al durerilor. 5.2. Codeina sau 3-metilmorfina (C18H21NO3) nu are însuşiri narcotice. În cantităţi mici se foloseşte ca medicament contra tusei şi analgezic. Are formula similară morfinei, dar în Fig. 8.8. Structura chimică a codeinei [14] locul hidroxilului din nucleul A conţine o grupare metoxilică (fig. 8.8). 6. Alcaloizii cu heterociclu indolic reprezintă o clasă ce conţin ̶ indol, compus organic heterociclic format dintr-un nucleu aromatic condensat cu un nucleu pirolic (fig. 8.9). Această clasă de alcaloizi este una din cele mai numeroase; în prezent se cunosc peste 4.100 de alcaloizi indolici [32]. Mulţi dintre aceştia au un efect fiziologic pronunţat şi sunt utilizaţi în medicină. Alcaloizii indolici se împart în două grupe mari [3]: alcaloizi indolici non-izoprenici (derivaţi indolici simpli, Fig. 8.9. Formula structurală a indolului [32] derivaţi simpli ai β-carbolinei, alcaloizi piroloindolici) şi alcaloizi indolici cu grupe izoprene (alcaloizi indolici monoterpenici, alcaloizi indolici semiterpenici). Precursorul biochimic al alcaloizilor indolici este aminoacidul triptofan. Spre exemplu, etapele principale de sinteză a alcaloizilor indolici semiterpenici sunt următoarele: Triptofan → cianoclavină → agroclavină → elimoclavină → acid paspalic → acid lisergic [3] 6.1. Alcaloizii ergolinici (ergotamina, ergobasina, ergosina, ergometrina etc.) sunt alcaloizi indolici semiterpenici, produşi de ciuperca cornul secarei (Claviceps purpurea ̶ fig. 8.10 A); au un pre

153

cursor biochimic comun ̶ acidul lisergic (fig. 8.10 B). Termenul de acid lisergic îşi trage originea de la cuvântul liză, care se referă la liza alcaloizilor ergolinici [37]. Amidele acidului lisergic se folosesc pe larg în farmaceutică şi în calitate de droguri psihedelice (LSD). Scleroții ciupercii pot ajunge în produsele de panificație prin folosirea făinii obținute din măcinarea unor boabe parazitate. Datorită Fig. 8.10 A. Sclerot al Fig. 8.10 B. Structura conținutului ridicat de alcaloizi ergolinici toxici ciupercii cornul secarei moleculară a acidului din cornul secarei, consumul prelungit de cereale [32] lisergic [32] contaminate provoacă o intoxicație cronică gravă, * ̶ triptofanul este marcat cu galben, partea izoprenică numită ergotism sau focul sfântului Anton [11]. În (dimetilalil) este colorată în albastru grâul alimentar, proporţia alcaloizilor ergolinici nu trebuie să depăşească 0,1%, iar în făină 0,05%. Alcaloizii ergolinici determină contractarea puternică a uterului şi a vaselor sangvine periferice. 6.2. Stricnina (C21H22N2O2) şi brucina (C23H26N2O4) sunt alcaloizi indolici monoterpenici, care acţionează asupra sistemului nervos central şi provoacă convulsiuni ale muşchilor. Se extrag din arborele tropical turta lupului (Strychnos nux-vomica L.) şi alte plante înrudite. În cantităţi foarte mici sulfatul de stricnină se foloseşte ca stimulator al sistemului nervos central (neurotonic) şi în tratamentul paraliziilor locomotorii. 6.3. Alcaloizii vinca (vinblastină ̶ fig. 8.11 B, vincristină, vindesină, vinorelbină etc.) se extrag din Brebenocul de Madagascar (Catharanthus roseus ̶ fig. 8.11 A) şi reprezintă unele din cele mai eficiente preparate în tratarea cancerului [58]; sunt substanţe citostatice (citotoxice), Fig. 8.11 A. Brebenocul de Fig. 8.11 B. Structura moleculară blochează formarea fusului mitotic şi Madagascar [9] a vinblastinei [62] dividerea celulelor canceroase. 7. Alcaloizii cu ciclu purinic reprezintă o clasă de alcaloizi ce conţin ̶ purină, compus organic heterociclic cu azot, cu un schelet format dintr-un inel de pirimidină condensat cu un inel de imidazol (fig. 8.12). Cei mai importanţi alcaloizi purinici sunt: cafeina (cofeina) extrasă din boabele arborelui de cafea (Coffea arabica), teobromina extrasă din boabele de cacao (Teobroma cacao), teofilina extrasă din frunzele de ceai (Camellia sinensis). Fig. 8.12. Structura moleculară a Alcaloizii purinici sunt derivaţii metilaţi ai xantinei. Astfel, purinei [47] etapele principale de biosinteză a cafeinei sunt următoarele: Xantozină (formată în biosinteza purinelor) → 7-metilxantozină → 7-metilxantină → teobromină → cafeină [3] 7.1. Cafeina (C8H10N4O2) a fost izolată pentru prima dată de chimistul german Friedlieb Runge în 1819. Numele de cafeină provine de la cafea, din care a fost extrasă pentru prima dată substanța. Se

154

găseşte de asemenea în ceai şi cacao.În boabele de cafea ale speciei Coffea Arabica (75 ̶ 80% din cafeaua consumată în lume) conţinutul de cafeină constituie 0,8 ̶ 1,4% [15]. Cafeina pură se prezintă sub formă de cristale hexagonale incolore, inodore cu gust amar, solubile în apă şi alcool. Cafeina este metabolizată în ficatul uman în trei compuşi primari: paraxantina, teobromina şi teofilina (fig. 8.13). Cafeina este un excitant al sistemului nervos central, un stimulent al inimii şi al peristaltismului intestinal, măreşte tensiunea arterială, are un efect diuretic. În medicină cafeina se utilizează în calitate de analgezic şi Fig. 8.13. Metabolismul cafeinei în ficatul uman [6] stimulent. 7.2. Teobromina (C7H8N4O2) este prezentă în boabele de cacao, de cafea și în frunzele de ceai. Numele provine din limba greacă (theos ̶ zeu; broma ̶ hrană). Teobromina a fost extrasă din boabele de cacao de chimistul rus Alexander Voskresensky în 1841; conţinutul de alcaloid din pudra de cacao poate varia de la 2% la 10%, iar în nucile cola (Cola) ̶ de la 1,0 la 2,5% [56]. Teobromina este o substanta cristalină incoloră, cu gust amar, insolubilă în apă. Exercită ca și cofeina un efect excitant asupra sistemului nervos. 7.3. Teofilina (C7H8N4O2) a fost izolată pentru prima dată din frunzele de ceai şi identificată chimic în 1888 de biochimistul german Albrecht Kossel [57]. Se conţine în cantitate mai mare în boabele de cacao (3,7 mg/g). Este mai puţin solubilă în apă rece, dar solubilă în apă caldă. Teofilina are acţiune diuretică şi bronholitică. În medicină teofilina este folosită la tratarea astmului. 7.4. Protoalcaloizi. Din această clasă fac parte alcaloizi, derivaţi din aminoacizi, ce conţin un atom de azot aciclic (în lanţul lateral): efedrină, muscarină, colhamină, adrenalină, colchicină (fig. 8.14). Unul din cei mai cunoscuţi alcaloizi din clasa respectivă este colchicina, extrasă din brânduşa de toamnă (Colchicum autumnale), plantă folosită la tratarea reumatismului şi inflamaţiilor încă în Egiptul Antic. Colchicina a fost izolată pentru prima dată de savanţii francezi Pierre Pelletier şi Joseph Caventou. În prezent, colchicina se utilizează în medicină ca analgezic, în tratamentul reumatismului şi a gutei. Se Fig. 8.14. Structura chimică a colchicinei [16] foloseşte pe larg în cercetările de genetică la obţinerea experimentală a plantelor poliploide, întrucât are proprietatea de a bloca formarea fusului de diviziune celulară. Etapele de sinteză a colchicinei sunt următoarele: Tirozină sau fenilalanină → dopamină → otomnalină → colchicină [3] 8. Alcaloizii cu hetrociclu chinolinic reprezintă o clasă ce conţine ̶ chinolina, un compus organic heterociclic aromatic cu formula chimică C9H7N (fig. 8.15 B). Clasa dată include câteva grupe, principala fiind cea a chininelor (chinina, cinconina, chinidina etc.). Alcaloizii din grupa chininelor se extrag din scoarţa speciilor (cca. 38) ale arborelui de chinină (Cinchona officinalis ̶ fig. 8.15 A), arbore naţional al statelor Peru şi Ecuador [10].

155

Precursorul biochimic al alcaloizilor din grupa chininelor este aminoacidul triptofan [3]. Cel mai important alcaloid din grupa respectivă este chinina, care a fost izolată şi numită astfel de chimiştii francezi Pierre Pelletier şi Joseph Caventou în 1820. Numele de chinină îşi trage originea din limba Quechua a indienilor SudAmericani quina-quina, ce înseamnă scoarţă Fig. 8.15 A. Scoarţă a Fig. 8.15 B. Structura sfântă [48]. Chinina are o formă de pulbere arborelui de chinină [10] moleculară a chinolinei [49] cristalină albă, fără miros, cu gust foarte amar, este greu solubilă în apă, ușor solubilă în alcool. În medicină se folosește sub formă de săruri (sulfat de chinină, clorhidrat de chinină etc.). Chinina are acțiune antimalarică, antipiretică, analgezică. Se adaugă în băuturi (gin tonic, apă tonică), le conferă un gust amar. 8.3. IZOPRENIDELE Izoprenidele reprezintă cea mai numeroasă clasă de metaboliţi secundari. Către anul 1997 numărul de izoprenide izolate depăşea cifra de 23.000 [62]. Majoritatea izoprenidelor au o structură policiclică, fiind alcătuite din unităţi izoprenice ramificate, cu 5 atomi de carbon: H2C=C(CH3) ̶ CH=CH2. Numărul acestor unităţi în moleculă variază de la 1 la 1000 (la cauciuc >1000). Fig. 8.16. Structura chimică a izopentenildifosfat [33] Precursorul biochimic comun al izoprenidelor este izopentenil difosfat sau izopentenil pirofosfat (IPP ̶ fig. 8.16). Izopentenil difosfat se formează la animale, arhebacterii, ciuperci şi în citoplasma celulelor vegetale din acetil-CoA printr-un stadiu intermediar în care se formează acid mevalonic (engl. acetate/mevalonate pathway ̶ fig. 8.17 A). La eubacterii şi în cloroplastele plantelor se desfăşoară altă cale metabolică de formare a izopentenil difosfatului (fig. 8.17 B): prin condensarea aldehidei-3fosfoglicerice cu produsul de decarboxilare a acidului piruvic (engl. ̶ pyruvate/glyceraldehyde-3phosphate pathway). Această cale metabolică necesită un consum mai mic de energie.

Fig. 8.17. Schema generală a două căi metabolice de biosinteză a izoprenidelor până la stadiul de izopentenil difosfat [62]: A ̶ din acetil-CoA prin stadiul de acid mevalonic; B ̶ din acid piruvic şi aldehidă-3-fosfoglicerică prin stadiul de 1dezoxixiluloză-5-fosfat

La plante se întâlnesc compuşi la care doar o parte din moleculă se formează pe cale izoprenică. Procesul de ataşare a izoprenidelor la molecule de chinone, clorofile, proteine se numeşte izoprenilare [34]. Lanţul lateral izoprenic hidrofob (fig. 8.18) este responsabil pentru Fig. 8.18. Grupare funcţională izoprenil [34] integrarea acestor substanţe în membranele celulare. În anii

156

80 ai sec. XX au fost descoperite proteinele izoprenilate [62], la care de restul de cisteină de la capătul C- al moleculei de proteină este ataşat un rest C15 sau C20- izoprenic. Acest rest izoprenic joacă un rol de ancoră care asigură integrarea proteinelor în membrana celulară (vezi cap. 7.6, fig. 7.29). S-a constatat că circa 2% din proteine sunt izoprenilate şi că în această grupă intră şi proteine fiziologic active [61]. În prezent o atenţie deosebită în tratarea cancerului i se acordă diterpenului taxol (vezi cap. 7.5) ̶ izoprenid alcătuite din patru unităţi de izopren (C20H32, I = 4), extras din scoarţa arborelui Tisă (Taxus Baccata, Taxus Brevifolia) (fig. 8.19 A).

Fig. 8.19 A. Fructele şi frunzele arborelui Tisă [55]

Fig. 8.19 B. Structura chimică a taxolului [62]

Taxolul are o structură policiclică (fig. 8.19 B), din care se produc preparatele paclitaxel, docetaxel ̶ citostatice puternice care în doze foarte mici distrug celulele canceroase [54]. Din punct de vedere farmacologic, cea mai importantă grupă a izoprenidelor o constituie glicozidele cardiotonice (GC) sau cardenolidele folosite la tratamentul insuficienţei cardiace datorită acţiunii lor de stimulare a contracţiei miocardului. Moleculele (GC) sunt alcătuite dintr-o catenă glucidică (câteva resturi de glucide) şi o componentă steroidică (aglicon) (cap. 6.2). Cele mai importante plante producătoare de (GC) sunt degeţelul roşu (Digitalis purpurea), degeţelul lânos (Digitalis lanata), strofantul (Strophanthus Kombe) şi lăcrămioara (Convallaria majalis). Din degeţelul roşu (fig. 8.20 A) şi degeţelul lânos se extrag peste 50 de glicozide steroidice, principalul fiind Fig. 8.20 A. Degeţelul Fig. 8.20 B. Structura chimică a digitoxina (fig. 8.20 B). Cardenolidele se digitoxinei [62]; * ̶ R ̶ digitoxoza roşu [23] deosebesc între ele prin structura agliconului şi catena glucidică prezentă în moleculă. Catena glucidică este constituită atât din glucide obişnuite (D-glucoza, D-fructoza, L-ramnoza), cât şi din glucide specifice prezente numai în structura anumitor glicozide cardiotonice (digitoxoza, cimaroza) [62]. Din seminţele lianei tropicale strofant (Strophanthus Kombe) a fost izolată k-strofantozidă. Această glicozidă cardiotonică este un preparat de neînlocuit în acordarea primului ajutor medical, iar după injectare intravenoasă acţionează asupra inimii în 1 ̶ 3 minute. Circa 38 de glicozide cardiotonice au fost izolate din lăcrămioară (Convallaria majalis) [19], dintre care convalatoxina depăşeşte după activitatea sa biologică alte glicozide cardiotonice, precum digitoxina sau cimarina [62]. Convalotoxina acţionează asupra transportului ionilor de Na+, K+ şi asupra contracţiei miocardului. Glicozidele împreună cu alcaloizii reprezintă principalele substanţe cu rol biologic activ existente în plantele medicinale utilizate în diferite tratamente profilactice şi curative.

157

8.4. COMPUŞII FENOLICI Compuşii fenolici sunt substanţe organice vegetale care conţin în moleculă un nucleu aromatic (benzenic), la care sunt ataşate, de atomii de carbon, una sau mai multe grupe hidroxilice. Cei mai simpli reprezentanţi ai acestei clase fenolul sau acidul carbolic ̶ C6H5OH (fig. 8.21 A), hidrochinona şi pirocatehina ̶ C6H6O2, pirogalolul ̶ C6H6O3 şi floroglucina ̶ C6H8OH3 + 2H2O (fig. 8.21 B) se deosebesc între ei prin numărul grupărilor hidroxilice. Fenolul C6H5OH este o substanţă incoloră, cristalină. În Fig. 8.21. Structura fenolului [44] prezenţa oxigenului, fenolul se oxidează şi capătă o culoare roz, este solubil în apă, iar la temperatura mai mare de 66 °C se amestecă cu apa. Este toxic, produce arsuri ale pielii, este un antiseptic. Fenolul reprezintă capătul lanţului lateral al aminoacidului tirozina, şi intră în componenţa moleculelor proteice.

Hidrochinonă

Pirocatehină

Floroglucină

Pirogalol

Fig. 8.21. Structura fenolilor simpli cu 2 şi 3 grupări hidroxilice [68]

Fenolii reprezintă substanţe polare (dipoli). Inelul benzenic este componentul dipolului cu sarcină negativă, iar gruparea –OH posedă sarcină pozitivă. Fenolii sunt substanţe slab acide. Fenolul şi derivaţii lui se întâlnesc rar în stare liberă. Astfel, fenolul se conţine în conurile şi acele de pin, pirocatehina – în coaja de ceapă, fructele de grapefrut, floroglucina – în conurile secvoii. În condiţii naturale, compuşii fenolici se formează în urma oxidării şi transformării chimice a substanţelor organice şi reprezintă produse intermediare ale metabolismului celular. Substanţele fenolice se clasifică în două clase mari [2]:  substanţe fenolice monomere;  substanţe fenolice polimere.

Substanţele fenolice monomere Substanţele fenolice monomere, în funcţie de scheletul carbonic (numărul inelelor benzenice şi numărul atomilor de carbon în scheletul carbonic) se clasifică în 3 clase principale [60]:  compuşi С6-С1;  compuşi С6-С3;  compuşi С6-С3-С6. Tabelul 8.1. Principalele grupe de substanţe fenolice monomere [44] Nr. atomilor de carbon 7 9 15

Scheletul carbonic С6-С1 С6-С3 С6-С3-С6

Nr. inelelor benzenice 1 1 2

158

Clasa Acizi fenolici, aldehide fenolice Acizi hidroxicinamici, cumarine Flavonoide

1. Clasa compuşilor C6-C1 include acizi fenolici (oxibenzoici) şi aldehide fenolice. 1.1. Acizii fenolici includ acidul 4-hidroxibenzoic (C7H6O3), acidul salicilic (C6H4(OH)COOH), acidul protocatehic (C7H6O4), acidul vanilic (C8H8O4), acidul galic (C7H6O5), acidul sirenic (C9H10O5) (fig. 8.22) etc.

Acidul 4-hidroxibenzoic

Acidul salicilic

Acidul protocatehic

Fig. 8.22 A. Acizi fenolici monohidrobenzoici [42]

Acidul vanilic

Fig. 8.22 B. Acizi fenolici dihidrobenzoici [42]

Acizii oxibenzoici sunt răspândiţi pe larg în plante şi de regulă, sunt prezenţi în formă legată şi se eliberează prin hidroliză. Acidul 4-hidroxibenzoic se conţine în nucile de cocos (Cocos nucifera), fructele de acai (Euterpe oleracea), a fost identificat în vin, vanilie. Acidul 4-hidroxibenzoic este un izomer cu acidul salicilic (2-hidroxibenzoic) ̶ precursor al aspirinei. Acidul salicilic (SA) este un fitohormon fenolic care are un rol în creştere, dezvoltare, fotosinteză, transpiraţie, absorbţia şi transportul ionilor la plante [42]. Acidul protocatehic (PCA) extras din hibiscus (Hibiscus sabdariffa) este o substanţă cu efect antioxidant şi antiinflamator [42]. Acidul vanilic este un compus utilizat în industria alimentară în calitate de aromatizator. Cel mai înalt conţinut de acid vanilic a fost identificat în rădăcinile de Angelica sinensis, plantă ierboasă originară din China, folosită în medicina tradiţională chineză [42]. Acidul sirenic se găseşte în fructele de acai [42], iar în formă de eter, împreună cu acidul vanilic, sunt componente ale ligninei din plantele lemnoase.

Acidul galic

Acidul sirenic

Fig. 8.22 C. Acizi fenolici trihidrobenzoici [42]

Fig. 8.23. Structura acidului metadigalic [2]

Acidul galic a fost izolat din scoarţa stejarului, frunzele de ceai, oţetar mirositor sau sumac (Rhus aromatica). Se găseşte în plante în stare liberă şi sub formă de dimer ̶ acid metadigalic [60] (fig. 8.23). Legătura esterică formată din grupa hidroxilică a unui acid fenolic şi grupa carboxilică a altui acid fenolic poartă denumirea de legătură depsidică. Compuşii cu legătura depsidică se numesc depside. Depsidele acidului galic sunt componente ale taninurilor hidrolizabile [60]. 1.2. Aldehidele fenolice cuprind vanilina (C8H8O3), aldehida protocatehică (C7H6O3), aldehida salicilică (C7H6O2) (fig. 8.24) etc.

159

Aldehidă protocatehică

Vanilină

Aldehidă salicilică

Fig. 8.24. Structura aldehidelor fenolice [43]

Cea mai cunoscută aldehidă fenolică este vanilina extrasă din vanilie (Vanilla planifolia), plantă cu miros plăcut din categoria mirodeniilor, originară din Mexic. Este folosită în industria alimentară fiind un ingredient esenţial pentru multe reţete de prăjituri, budinci, checuri, ciocolate, băuturi, sosuri, produse de patiserie. Rachiurile de struguri mature au un buchet plăcut, expresiv cu nuanţe de vanilie. În procesul de maturare a rachiurilor de struguri, vanilina se formează în rezultatul oxidării alcoolului coniferilic care se conţine în lemnul de stejar al butoaielor Aldehida protocatechică se conţine în dopul fabricat din lemnul stejarului de plută (Quercus suber) şi se eliberează în vin. A fost identificată, de asemenea, în ciuperca Phellinus linteus [43]. Aldehida protocatechică poate fi utilizată în calitate de precursor în sinteza vanilinei în cultura in vitro a celulelor de ardei Chili (Capsicum frutescens). Aldehidă salicilică este un component caracteristic al aromei plantei de hrişcă (Fagopyrum esculentum). Se foloseşte în parfumerie. 2. Clasa compuşilor C6-C3 include acizi hidroxicinamici şi cumarine [60]. 2.1. Acizii hidroxicinamici (cumarici) sunt o clasă de acizi aromatici sau fenilpropanoide, derivaţi hidroxilici ai acidului cinamic, prezenţi în plante atât în stare liberă, cât şi în stare legată. Prezenţa izomeriei cis-trans este o particularitate a acizilor hidroxicinamici. Principalii reprezentanţi ai aceste clase sunt acidul cumaric, acidul cafeic, acidul ferulic, acidul sinapic (fig. 8.25).

Acid p-cumaric

Acid cafeic

Acid ferulic

Acid sinapic

Fig. 8.25. Structura acizilor hidroxicinamici [31]

Acidul p-cumaric (C9H8O3) are trei izomeri ̶ acizii o-cumaric, m-cumaric şi p-cumaric, care diferă după poziţia substituentului hidroxilic al grupului fenil [41]. Cel mai răspândit izomer în natură dintre acizii susmenţionaţi este acidul p-cumaric. Este o substanţă cristalină, greu solubilă în apă şi uşor solubilă în etanol şi dietileter. Acidul p-cumaric se găseşte în tomate, morcov, usturoi, arahide. A fost identificat în vin, oţet şi boabele de orz. Acidul p-cumaric din polen este un constituent al mierii de albine. Acidul cafeic (C9H8O4) este o substanţă solidă de culoare galbenă ce conţine o grupare fenolică şi una acrilică. Se conţine în toate plantele întrucât este un metabolit intermediar în biosinteza ligninei, 160

unul din componentele principale ale biomasei vegetale. A fost izolat din boabele de cafea şi orz, din uleiul de argan produs din seminţele fructelor de argan (Argania spinosa L.). Acidul cafeic este precursorul acidului ferulic, alcoolului coniferilic şi al alcoolului sinapic, toate aceste substanţe fiind componente ale ligninei. În plante acidul cafeic se formează din acid 4hidroxicinamic şi se transformă în acid ferulic, reacţie catalizată de enzima acid cafeic-Ometiltransferaza [5]. Acidul ferulic (C10H10O4) este un compus fenolic din componenţa arabinoxilanilor pereţilor celulari la plante. Fiind un component al ligninei, acidul ferulic poate fi utilizat în calitate de precursor în producerea industrială a compuşilor aromatici, spre exemplu a vanilinei sintetice [25]. Se conţine în seminţele de cafea, mere, arahide, portocale, în învelişul boabelor de orez, grâu, ovăz, orz. Acidul ferulic, ca multe alte substanţe fenolice naturale, are proprietăţi antibacteriene şi antioxidante. Acidul sinapic (C11H12O5) poate forma dimeri cu sine însuşi şi cu acidul ferulic în pereţii celulari ai cerealelor [52]. Poate fi izolat din vin şi oţet. Esterul colinic al acidului sinapic ̶ sinapina, se conţine în seminţele muştarului negru (Brassica nigra). 2.2. Cumarinele sunt o clasă de compuşi organici naturali care reprezintă lactone aromatice nesaturate. Elementul principal al cumarinelor este cumarina (C9H6O2 ̶ fig. 8.26). Sunt substanţe cristaline, incolore, greu solubile în apă, uşor solubile în solvenţi organici. La dizolvarea în soluţii bazice se rupe inelul lactonic al cumarinelor şi se formează săruri ale acidului oxicorismic. Biosinteza cumarinelor se realizează din aminoacizi aromatici (fenilalanină, tirozină) prin stadiul de acizi fenolici (acizii corismic, cumaric, cafeic, ferulic). Cumarina (C9H6O2 ̶ fig. 8.26), cel mai simplu compus din clasa respectivă, se formează în rezultatul ciclizării formei cis a acidul orto-hidroxicinamic (o-cumaric) în mediu acid [60]. Este o substanţă cristalină, incoloră cu un miros plăcut de fân proaspăt cosit.

Cumarina

Esculetina

Bergaptol

Fig. 8.26. Structura chimică a unor cumarine [20]

Cumarina pură împreună cu florile de sulfină (Melilotus officinalis) se utilizează în calitate de aromatizatori la producerea unor soiuri de tutun şi în parfumerie. Esculetina (C9H6O4 ̶ fig. 8.26), un derivat hidroxilat al cumarinei, sub formă de glucozid-7esculină se conţine în pericarpul castanului şi se foloseşte în medicină pentru întărirea capilarelor. Bergaptolul (C11H6O4 ̶ fig. 8.26) este o furanocumarină care se conţine în uleiul de bergamot extras din fructele de bergamot (Citrus bergamia). Acesta se foloseşte în industria alimentară la aromatizarea ceaiului. În clasa compuşilor C6-C3 unii autori includ alcoolii cumarici: alcoolul p-cumaric, alcoolul coniferilic şi alcoolul sinapic, care sunt componente iniţiale în biosinteza ligninei [60]. 3. Clasa compuşilor С6-С3-С6 se caracterizează printr-o mare diversitate. Din diferite plante au fost izolate şi studiate peste 5000 de flavonoide [27]. Compuşii din această clasă mai poartă denumirea de flavonoide (din latină flavus ̶ galben) [60]. Flavonoidele sunt compuşi derivaţi ale flavonului (C15H10O2 ̶ fig. 8.27), au un schelet cu 15 atomi de carbon, conţin două inele benzenice (A şi B) şi un inel heterociclic sau (piranic ̶ C). Heterociclul piranic se condensează cu un inel benzenic (A) şi se asociază cu alt inel benzenic (B). În funcţie de gradul de oxidare sau reducere a Fig. 8.27. Structura moleculară a flavonului [26] segmentului heterociclic, flavonoidele se clasifică în: 161

catehine, leucoantocianidine (flavan-3,4-diol), antocianidine şi antociani, flavanone, flavone şi flavanole (3-hidroxiflavone) (fig. 8.28).

Catehine

Leucoantocianidine

Antocianidine

Flavanone

Flavone

Flavonole

Fig. 8.28. Structura moleculară a flavonoidelor [27]

3.1. Catehinele constituie cea mai redusă formă a flavonoidelor. Denumirea de catehină provine de la catechu, extract obţinut din arborele catechu (Acacia catechu) folosit în calitate de aditiv alimentar [8]. Molecula de catehină are două inele benzenice (A şi B) şi un heterociclu dihidropiranic (C) cu o grupare hidroxilică la atomul de carbon în poziţia 3. Datorită prezenţei a doi atomi asimetrici de carbon (atomii în poziţiile 2 şi 3) în molecula de catehină, în natură se întâlnesc patru stereoizomeri: doi izomeri ̶ catehine ̶ au configuraţia-trans, ceilalţi doi ̶ epicatehine ̶ se găsesc în configuraţia-cis. Catehinele sunt substanţe incolore, cristaline, solubile în alcool şi apă, au un gust astringent. Se oxidează uşor la încălzire, la acţiunea razelor solare şi a enzimelor, în mediul bazic; brunificarea legumelor şi fructelor la tratarea lor mecanică şi termică este cauzată de oxidarea catehinelor. La polimerizarea catehinelor se formează substanţe tanante condensate. Au proprietăţi antimicrobiene şi ale vitaminei P, contribuie la o utilizare mai eficientă a acidului ascorbic de către organism. Catehinele sunt substanţe biologic active, asigură elasticitatea şi rezistenţa mecanică a capilarelor, reglează permeabilitatea lor. Sunt substanţe antioxidante şi antitumorale, protejează organismul de acţiunea radicalilor liberi, întăresc sistemul imunitar. Catehinele se găsesc în cantităţi mari în fructele de mere, pere, piersici, caise, zmeură, struguri, gutui, citrice, în pomuşoarele de pădure, în boabele de cacao, în scoarţa pinului, bradului, în lăstarii şi frunzele de ceai, în frunzele de pătrunjel. Lăstarii plantei de ceai (Camelia sinensis) conţin până la 30% de catehine din masa uscată [60]. 3.2. Leucoantocianidinele (flavan-3,4-diol) sunt substanţe incolore, mai instabile decât catehinele şi doar în cazuri singulare au fost izolate în formă cristalină. Leucoantocianidinele au fost izolate din diferite specii de plante. S-a demonstrat că leucoantocianidinele sunt metaboliţi intermediari în biosinteza antocianidineleor în florile de matiolă (Matthiola incana) [35]. 3.3. Antocianidinele şi antocianii. Antocianidinele sunt pigmenţi care dau culoarea roşie şi albastră florilor şi fructelor. Se găsesc în natură de obicei sub formă de glicozide, care poartă numele de antociani [4]. Cele mai importante antocianidine sunt: aurantidina, cianidina, delfinidina, malvidina, pelargonidina, peonidina, petunidina (tab. 8.2), care se deosebesc între ele prin numărul şi poziţia grupărilor hidroxilice şi metoxilice (-OCH3) la inelele benzenice.

162

Tabelul 8.2. Antocianidine şi substituenţii lor [4] Structura chimică de bază

Antocianidină Aurantidină Cianidină Delfinidină Malvidină Pelargonidină Peonidină Petunidină

R3' -H -OH -OH -OCH3 -H -OCH3 -OH

R4' -OH -OH -OH -OH -OH -OH -OH

R5' -H -H -OH -OCH3 -H -H -OCH3

R3 -OH -OH -OH -OH -OH -OH -OH

R5 -OH -OH -OH -OH -OH -OH -OH

R6 -OH -H -H -H -H -H -H

R7 -OH -OH -OH -OH -OH -OH -OH

Antocianii (din greacă anthos ̶ floare, kyanos ̶ albastru) sunt pigmenţi vacuolari de culoare roşie, purpurie şi albastră. În literatura de specialitate, către anul 2006, au fost puşi în evidenţă peste 550 de antociani [4]. Se conţin în ţesuturile plantelor superioare: frunze, tulpini, rădăcini, flori şi fructe. Antocianii sunt solubili în apă şi alcool, greu solubili în eter, benzen şi cloroform. Sunt substanţe fără miros, cu un gust slab astringent. Antocianii sunt glicozide ale antocianidinelor. În antociani, mono- sau diglucidele se Fig. 8.29. Structura moleculară a keracianina leagă de antocianidine (aglicon), de regulă, la hidroxilul rutinozil-3-cianidină [64] de la C3 de pe heterociclul piranic (fig. 8.29). Toţi antocianii conţin în heterociclu oxigen tetravalent (oxoniu) şi datorită acestui fapt formează săruri. Pigmentaţia antocianică a ţesuturilor vegetale depinde de câţiva factori: sărurile de potasiu ale antocianilor sunt de culoare purpurie, sărurile de calciu şi magneziu sunt de culoare albastră; metilarea antocianidinelor produce o nuanţă purpurie. Antocianii îşi schimbă culoarea în funcţie de pH, fapt pentru care se utilizează ca indicatori acido-bazici [1]. Antocianii sunt folosiţi în industria alimentară în Tomate albastre Conopidă purpurie calitate de aditivi cu numărul E163 (fig. 8.30), aprobaţi Fig. 8.30. Culturi agricole cu un conţinut înalt de antociani [4] pentru folosire în ţările Uniunii Europene, Australia şi Noua Zelandă [4]. 3.4. Flavanonele sunt substanţe incolore, cristaline care se conţin în fructele diferitor specii de citrice. De regulă, flavanonele se găsesc în ţesuturile vegetale sub formă glicozilată de diglucide la atomii C7. Spre exemplu, naringhina este un 7-ramnoglucozid al angliconului naringhenina, hesperidina este un 7-ramnoglucozid al angliconului hesperitina etc. (fig. 8.31). Naringhina se conţine în grepfrut şi conferă acestuia un gust amar, iar hesperidina se coţine în fructele citricilor.

Naringhina

Hesperidina

Fig. 8.31. Structura moleculară a glicozidelor flavanonice [29; 39]

163

3.5. Flavonele sunt substanţe cristaline, pigmenţi de culoare galbenă solubili în apă sau alcool. Dintre flavonele cele mai răspândite sunt apigenina, luteolina şi tangeritina [26]. La flavone este posibilă o gamă largă de substituţii, inclusiv hidroxilarea, metilarea, glicolizarea. Se conţin în ţelină, pătrunjel, unele condimente; sub formă de glicozide se găsesc în flori, fructe, frunze, în lemn. 3.6. Flavonolele sunt pigmenţi de culoare galbenă răspândiţi pe larg în regnul vegetal. Sunt o clasă de flavonoide cu un schelet 3-hidroxiflavonic (fig. 8.28). Formează un spectru larg de glicozide, cele mai răspândite fiind astragalina, izochercitina, miricitrina, chercitrina, rutina (tab. 8.3).

Structura

Tabelul 8.3. Glicozide flavonolice [28] Denumirea Aglicon

C-3

Astragalină

Chempferol

Glucoză

Izochercitină

Chercitină

Glucoză

Miricitrină

Miricină

Ramnoză

Chercitrină

Chercitină

Ramnoză

Rutină

Chercitină

Rutinoză

Se cunosc două căi de biosinteză a substanţelor fenolice: calea şichimatică şi calea acetat-malonatică. Calea şichimatică este o cale metabolică de biosinteză a compuşilor fenolici care au un precursor comun – acidul şichimic (C7H10O5 ̶ fig. 8.32). Calea şichimatică (fig. 8.33) începe de la glucide (produse ale Fig. 8.32. Structura moleculară fotosintezei), din care se formează precursorii acidului şichimic: a acidului şichimic [51] eritrozo-4-fosfat şi fosfoenolpiruvat. Apoi din acidul şichimic se formează aminoacizi aromatici: L-fenilalanină, L-tirozină, Ltriptofan. Din acidul L-fenilalanina, printr-un stadiu intermediar de acizi oxicorismici (fenilpropanoide) se formează flavonoidele, cea mai răspândită grupă de compuşi fenolici.

164

Fig. 8.33. Calea şichimatică de biosinteză a substanţelor fenolice [62]

Calea acetat-malonatică este caracteristică pentru ciuperci, microorganisme. La plante superioare calea respectivă se realizează concomitent cu calea şichimatică. La flavonoide precursorul inelului A este acetatul (sau malonatul), iar precursorul inelului B este acidul şichimic.

Substanţele fenolice polimere Substanţele fenolice polimere sunt substanţe organice heterogene derivate de la polifenoli care se împart în 3 clase (tab. 8.4):  substanţe tanante (taninuri);  lignină;  melanină. Tabelul 8.4. Polimeri fenolici [44] Unitatea de bază

Clasa polimerului

Acid galic Taninuri hidrolizabile

Flavonul Flavonoide, Taninuri condensate

Acid cinamic Lignină

Potrivit unei definiţii recente acceptate în literatura de specialitate (WBSSH), în grupa polifenolilor sunt incluse substanţe cu următoarele caracteristici [46]:  în general, sunt compuşi moderat solubili în apă;  au o masă moleculară de 500 ̶ 4000 D;  posedă mai mult de 12 grupări hidroxilice;  au în componenţa lor 5 ̶ 7 inele benzenice. 1. Taninurile (din germana veche tanna ̶ stejar, brad) sunt substanţe organice heterogene derivate de la polifenoli, care precipită proteinele din soluţiile lor apoase sau care pot forma complexe cu proteine, aminoacizi, poliglucide şi alcaloizi [53]. Termenul taninuri a apărut în contextul folosirii substanţelor tanante din lemnul arborilor la transformarea pielii crude a animalelor în piele tăbăcită. La baza procesului de tăbăcire a pieilor se află proprietatea taninurilor de a interacţiona cu colagenul (proteina fibrilară a pielii) şi de a forma o structură stabilă intercalată. Taninurile au o masă moleculară care variază într-un diapazon de 500 ̶ 3000 D (esteri ai acidului galic). Sub aspectul proprietăţilor fizico-chimice, taninurile sunt în majoritatea cazurilor substanţe amorfe, de culoare albă sau gălbuie, cu gust astringent sau amar, solubile în apă caldă, etanol şi glicerină şi insolubile în solvenţi organici; în apă formează soluţii coloidale. Se pot extrage din plante cu apă fierbinte. Taninurile au caracter slab acid şi prezintă proprietăţi reducătoare, se oxidează uşor şi se brunifică. Acest fenomen se observă la suprafaţa mărului proaspăt tăiat sau a frunzei de ceai vătămată mecanic. 165

Taninurile sunt substanţe foarte răspândite în regnul vegetal. Se găsesc în scoarţa arborilor, în frunze, fructe, rădăcini. Taninurile determină valoarea alimentară şi gustativă a unor produse alimentare (vin, ceai, cafea, cacao etc.). În industrie taninurile sunt folosite la tăbăcirea pielor, fabricarea cernelilor, în calitate de aditiv alimentar pentru a conferi unor produse un gust astringent şi colorant alimentar E181 [67]. După reacţia de hidroliză şi structura chimică, taninurile se clasifică în două grupe mari: taninuri hidrolizabile şi taninuri condensate (catechintaninuri). 1.1. Taninurile hidrolizabile sunt esteri naturali ai glucozei cu acidul galic (monomer polifenolic) sau cu produse de condensare ale acidului galic (acidul m-digalic, acidul elagic etc.). Conţin în molecula lor de la 3 la 12 resturi de acid galic (tab. 8.4). Taninurile hidrolizabile se pot extrage din: castanul comestibil (Castanea sativa), scoarţa de stejar (Quercus robur, Quercus petraea şi Quercus alba), arbustul Pasărea paradisului (Caesalpinia spinosa), haritaki (Terminalia chebula), sumac (Rhus coriaria). Se obţin în cantitate mare, de asemenea, din gale coronate care se formează pe frunzele următoarelor specii: Quercus infectoria, Rhus semialata, Andricus kollari etc., [30] sau din gogoşi de ristic care se formează din transformarea mugurilor foliari ai speciei Quercus lusitanica var. infectoria. În funcţie de structura chimică, se deosebesc taninuri galice (galotaninuri) şi taninuri elagice. Taninurile galice sunt polimeri formaţi din acid galic, esterificat şi legat la grupa hidroxilică a glucozei. Galotaninurile se hidrolizează uşor în glucoză şi acid galic în mediu acid sau sub acţiunea unor enzime specifice tanaze, produse de ciupercile Aspergillus niger şi Penicillium glaucum. Componentul principal al galotaninei este pentagaloilglucoza, la care prin legături depsidice se asociază resturi de acid galic. Taninurile elagice se deosebesc de cele galice prin faptul că la hidroliză se formează acid elagic, ale cărui resturi se asociază de pentagaloilgucoză prin legături C-C [24]. 1.2. Taninurile condensate sunt polimeri formaţi prin condensarea flavanilor ̶ catehine sau leucoantociane. Moleculele taninurilor condensate nu conţin resturi de glucide şi pot fi liniare (cu legături 4→8) sau ramificate (cu Fig. 8.34. Structura moleculară a taninurilor condensate legături 4→6) (fig. 8.34). [17] Sursele comerciale de taninuri condensate sunt lemnul de quebracho (Schinopsis lorentzii), scoarţa de pin (Pinus sylvestris), molid (Picea abies) şi salcâm (Acacia mollissima), seminţele de viţăde-vie (Vitis vinifera) [17]. 2. Lignina (din lat. lignum – arbore, lemn) este un compus macromolecular, un polimer complex al alcoolilor aromatici (monolignoli). Dintre substanţele monomere fac parte alcoolul pcumarilic, alcoolul coniferilic şi alcoolul sinapic (fig. 8.35).

Alcool p-cumarilic

Alcool coniferilic

Alcool sinapinic

Fig. 8.35. Structura moleculară a monolignolilor (componentele ligninei) [36]

166

Lignina a fost menţionată pentru prima dată de botanistul elveţian Augustin de Candolle în 1813 [36]. Este un polimer larg răspândit în regnul vegetal, ocupând locul al doilea după celuloză. Lignina constituie partea aromatică, nehidrolizabilă a lemnului, intră în componenţă pereţilor celulari secundari ai plantelor şi ai unor alge. Lemnul speciilor de foioase conţine 18 ̶ 24 % de lignină, iar lemnul coniferelor ̶ 27 ̶ 30 % [66]. Pereţii celulari ai celulelor vegetale pot fi comparaţi cu betonul armat: carcasul de metal reprezintă celuloza, iar betonul ̶ lignina. Ligninele se formează după apariţia fibrelor de celuloză, apoi le întrepătrund conferind acestora o rezistenţă mecanică mai mare, o rezistenţă mărită la acţiunea apei, dar le micşorează elasticitatea. Între lignine şi celuloză se stabilesc atât legături fizice, cât şi legături chimice (eterice). Ligninele din diferite plante diferă prin numărul şi tipul unităţilor structurale. În ligninele de foioase predomină acidul sinapic, iar în cele ale coniferelor ̶ acidul coniferilic. Ligninele sunt substanţe amorfe, de culoare închisă, insolubile în apă, în acizi şi baze alcaline diluate. Sunt solubile în acizi tari şi baze alcaline concentrate, din soluţiile cărora precipită prin diluare. La oxidarea cu nitrobenzolul în mediu bazic, lignina se scindează, formând aldehide aromatice (fig. 8.36).

p-Hidroxibenzaldehidă

Vanilină

Aldehidă sirenică

Fig. 8.36. Structura moleculară a aldehidelor aromatice ̶ produse ale oxidării ligninei [60]

Lignina este componentul principal responsabil pentru aroma de vanilie a cărţilor vechi. Odată cu trecerea timpului, lignina este supusă proceselor oxidative şi conferă cărţilor vechi o aromă plăcută. Lignina se extrage din lemn cu hidrosulfit şi acidul sulfuros la fabricarea hârtiei. Deşeurile ligninei la uzinele de hidroliză se utilizează pentru producerea articolelor presate, maselor plastice, răşinilor sintetice, cărbunilor activaţi. 3. Melaninele (din greacă melas ̶ negru, întunecat) constituie un grup de pigmenţi naturali azotaţi de culoare neagră, care se găsesc în plantele superioare, la animalele vertebrate, în cuticula insectelor, a fluturilor etc. La animalele vertebrate, melaninele se stochează în celule specializate (melanocite) şi determină culoarea părului, pielii, a blănii etc. Melaninele sunt polimeri chinoidici şi produse de oxidare a aminoacidului tirozina. Sub acţiunea enzimei tirozinaza, aminoacidul tirozina se transformă în L-3,4-dihidroxifenilalanină (L-DOPA), iar acesta ̶ în L-dopachinonă [38]. Se cunosc trei tipuri de melanine: eumelanină, fenolmelanină şi neuromelanină (fig. 8.37).

167

Eumelanină

Fenolmelanină Fig. 8.37. Tipurile principale de melanine [38]

Cea mai răspândită melanină este eumelanina. Dacă dopachinona reacţionează cu aminoacidul cisteina se formează fenolmelanine, responsabile de culoarea roşie a părului şi apariţia pistruilor. Neuromelaninele sunt prezente în creier însă funcţiile lor încă nu sunt cunoscute.

Funcţiile compuşilor fenolici Compuşii fenolici îndeplinesc următoarele funcţii: 1. Compuşii fenolici participă la oxido-reducere. La oxidarea cu oxigenul, sub acţiunea enzimei polifenoloxidaza, compuşii fenolici se transformă în chinone. Acestea, la rândul său, se reduc cu atomii de hidrogen a substratului respirator şi redevin disponibile la acţiunea enzimei polifenoloxidaza. Aşadar, sistemul polifenol + polifenoloxidaza reprezintă un transportor al atomilor de hidrogen la etapele finale ale respiraţiei [60]. Prezenţa sistemului polifenol + polifenoloxidaza asigură în celula vegetală oxidarea unui şir de compuşi organici (aminoacizi, acid ascorbic, citocromul c, acid malic, acid citric, polifenoli etc.) pe cale neenzimatică. Spre exemplu, oxidarea aminoacidului triptofan, sub acţiunea chinonelor, conduce la formarea unui stimulator al creşterii plantelor ̶ acidului βindolilacetic. Derivaţi ai compuşilor fenolici precum ubichinona (coenzima Q) constituie transportori de hidrogen în lanţul respirator de electroni localizat în mitocondrii. Plastochinonele, compuşi similari cu ubichinonele, sunt componente ale lanţului respirator la cloroplaste. 2. Compuşii fenolici reglează creşterea plantelor. Compuşii fenolici se formează, în special, în ţesuturile tinere ale plantelor şi stimulează şi inhibă procesele de creştere. Substanţele fenolice, precum flavonoidele reglează metabolismul auxinelor [63]. 3. Substanţele fenolice au funcţii de protecţie. Produse de condensare oxidativă a fenolilor se formează pe suprafaţa leziunilor mecanice la ţesuturile vegetale şi inhibă reproducerea microorganismelor patogene. Pe lângă aceasta, unele substanţe fenolice conferă plantelor rezistenţă la boli. Astfel, cojile colorate de ceapă conţin acid protocatehic care protejează planta de patogeni din genul Collectotrichum şi Diplodia [60]. În unele cazuri, la atacul patogenilor, în plante se formează fitoalexine ̶ compuşi toxici pentru patogeni. O bună parte din fitoalexinele cunoscute sunt compuşi fenolici. Bunăoară, fitoalexina orcinol se formează în bulbii orhideelor ca răspuns la infecţia cu ciuperca Rhizoctonia repens. Fitoalexine se formează la diferite specii de plante: ceapă, usturoi, cartofi, bumbac etc.

168

4. Unii fenoli sunt substanţe cu efect antioxidant. Se folosesc pe larg în industria alimentară pentru stabilizarea grăsimilor. Activitatea antioxidantă a compuşilor fenolici se manifestă prin legarea: a) ionilor metalelor grele; b) radicalilor liberi care se formează în rezultatul oxidării compuşilor organici. Orice stres abiotic determină producerea peroxidului de hidrogen (H2O2) în cloroplastele, mitocondriile şi peroxizomii celulelor vegetale. O cantitate substanţială de H2O2 prin difuzie pătrunde în vacuolă ̶ locul principal de localizare a flavonoidelor, care pot inactiva eficient H2O2 şi alte forme active ale oxigenului [63]. 5. O parte din compuşii fenolici sunt pigmenţi. Glicozidele antocianilor determină pigmentaţia florilor (roşie, purpurie, albastră), antocianii şi carotenoidele ̶ pigmentaţia fructelor. Aceşti compuşi îndeplinesc funcţia de pigmenţi vegetali, ale căror molecule sunt capabile de a absorbi selectiv un anumit spectru al luminii solare. Culoarea florii este un factor important de atragere selectivă a polenizatorilor, asigură funcţionarea stabilă a mecanismelor de reproducere [63]. Melaninele sunt pigmenţi de culoare neagră care protejează pielea animalelor de razele ultraviolete. TESTE DE EVALUARE 1. Completaţi spaţiile libere din text. 1.1. Fenolii conţin în molecula lor un................., la care sunt ataşate una sau mai multe.......................... 1.2. În rachiurile de struguri maturizate se conţine aldehida acidului..............., care provine din............. 1.3. Precursorul comun al majorităţii fenolilor este............................ 1.4. La polimerizarea catehinelor se formează.................................... 1.5. Taninurile determină valoarea alimentară a produselor:............ 2. Alegeţi răspunsul corect din două variante alternative: Da / Nu. 2.1. Compuşii fenolici sunt substanţe biologic active. 2.2. Fenolii sunt produse ale catabolismului. 2.3. Catehinele sunt cea mai redusă formă a compuşilor flavonoidici. 2.4. Precursorul specific comun al izoprenidelor este izopentenildifosfat. 2.5. Melaninele se stochează în endospermul gramineelor. 3. Alegeţi varianta sau variantele de răspuns corecte. 3.1. Substanţe fenolice monomere: a) acid oxibenzoic; b) acid sinapic; c) lignină; d) substanţe tanante; e) acid cafeic; f) acid vanilic; g) acid galic. 3.2. C6-C3-C6: a) acid galic; b) acid sinapic; c) flavonoide; d) antociane; e) melanine; f) cumarine; g) flavone. 3.3. Cumarina are un miros de: a) cafea; b) alcool; c) fân; d) mucegai; e) grăsime. 3.4. Catehinele au un gust: a) dulce; b) sărat; c) amar; d) astringent; e) acru. 3.5. Elementele structurale ale substanţelor tanante: a) acid galic; b) cumarine; c) glucoză; d) catehine; e) celuloză.

169

4. Asociaţi. Principalele clase de metaboliţi secundari 1. Flavonoide A. Viţa-de-vie 2. Alcaloizi B. Arborele de cacao 3. Izoprenide C. Arbustul de coca D. Arborele de cafea E. Liana F. Brânduşa de toamnă G. Lăcrămioara H. Macul de grădină 5. Selectaţi termenul care nu se încadrează în grupul tematic prezentat şi explicaţi de ce l-aţi separat. 5.1. Acid vanilic; acid ferulic; acid galic; catehine; acid sirenic; lignină; acid sinapic. 5.2. Flavanone; flavone; catehine; vanilina; antociane; leucoantociane; flavonole. 5.3. Lignină; taninuri elagice; taninuri galice; melanine; acid ρ-oxibenzoic. 6. Completaţi tabelul. Funcţiile compuşilor fenolici în celulă A. B. C. D. E. 7. Scrieţi un referat la tema. 7.1. Flavonoidele – o clasă importantă de substanţe în industria alimentară. 7.2. Proprietăţile flavonoidelor şi folosirea lor în medicină şi farmaceutică. 7.3. Alcaloizii folosiţi în medicină şi farmaceutică. A. Scopolamina sau hioscina extrasă din mătrăgună (Atropa belladona L.). B. Morfina, papaverina şi codeina extrase din mac (Papaverum somniferum L.). 7.4. Izoprenidele utilizate în medicină şi farmaceutică. A. Glicozide cardiace extrase din degeţelul-roşu (Digitalis purpurea L.) şi degeţelul-lânos (Digitalis lanata L.) B. Glicozide triterpene extrase din rădăcina ginseng (Panax ginseng C.A.Mey.) C. Glicozide steroide extrase din rădăcinile lianelor din genul Dioscorea.

170

GLOSAR Antiseptic ̶ substanţă care previne, înlătură infecțiile microbiene sau care împiedică putrefacția. Antipiretic ̶. medicament care combate febra. Arabinoxilan ̶ hemiceluloză alcătuită din două pentoze ̶ arabinoza şi xiloza, prezentă în pereţii celulari ai plantelor. Argan ̶ arbore endemic din Maroc. Auxină ̶ hormon vegetal care condiționează creșterea plantelor. Ciclizare ̶ reacție chimică prin care lanțul de atomi din molecula unui compus organic se închide și formează un ciclu. Dimer ̶ compus chimic rezultat din combinarea a două molecule identice. Fructele Acai ̶ fructe ale palmierilor cu acelaşi nume (Euterpe oleracea), originari din padurile Amazonului, de dimensiuni şi culori asemănătoare coacăzelor. Furanocumarine ̶ grupă din clasa cumarinelor cu un nucleu furanic. Gale ̶ tumori vegetale provocate de înțepăturile unor insecte pe frunzele stejarului sau ale altor plante. Gogoaşă de ristic ̶ excrescenţă sferică, pe frunzele şi pe ramurile tinere ale unor arbori, bogată în tanininuri, care apare în urma înţepăturii făcute de o specie de viespi. Gută (Podagră) ̶ boală provocată de depunerea sărurilor acidului uric în regiunea unor articulații, care se manifestă prin umflături ale articulațiilor însoțite de dureri violente. Haritaki ̶ plantă medicinală din familia Combretaceae utilizată în tratarea tulburărilor de tranzit intestinal. Hibiscus ̶ plantă ierboasă, arbustivă și arborescentă, originară din India și China, cu flori mari, viu colorate. Lactonă ̶ eter ciclic complex ce conţine în inel gruparea –COO–. LSD ̶ dietilamida acidului lisergic (engl. lysergic acid diethylamide), drog psihedelic. Matiolă ̶ plantă erbacee ornamentală, cultivată pentru florile sale mirositoare. Opiu ̶ substanță narcotică toxică obținută prin uscarea latexului extras prin incizie din capsulele necoapte ale macului și folosită ca somnifer, calmant, analgezic, stupefiant. Peristaltism ̶ mișcare de contracție a musculaturii stomacului și intestinului, care face ca alimentele să fie împinse de-a lungul tubului digestiv. Poliploidie ̶ prezența în nucleul celular a mai mult decât două seturi de cromozomi; fenomen întâlnit frecvent la plante şi animalele inferioare. Quebracho ̶ arbore tropical răspândit în America de Sud, cu lemnul foarte dur și bogat în substanțe tanante. Sclerot ̶ organ de rezistență la unele ciuperci, format din îngrămădiri de hife întrețesute. Secvoia (Sequoia sempervirens) ̶ arbore conifer gigant din America. Sistem nervos parasimpatic ̶ una dintre cele două părți periferice ale sistemului nervos vegetativ, care încetinește bătăile inimii și accelerează mișcările tubului digestiv. Sumac ̶ arbust cu frunze bogate în substanțe tanante, folosite în condimentarea unor bucate. WBSSH ̶ abreviere a numelor cercetătorilor Theodore White, Edgar Bate-Smith, Anthony Swain şi Edwin Haslam.

171

BIBLIOGRAFIE 1. Neamţu, G., Cîmpeanu, G., Socaciu, C. Biochimie vegetală: (partea structurală). – Bucureşti: Editura didactică şi pedagogică, 1993.-347 p. 2. Vrabie T., Musteaţă G. Biochimie. − Chişinău: U.T.M., 2006.- 234 p. 3. http: Alkaloid //en.wikipedia.org/wiki/Alkaloid 4. http: Anthocyanin //en.wikipedia.org/wiki/Anthocyanin 5. http: Caffeic acid //en.wikipedia.org/wiki/Caffeic_acid 6. http: Caffeine //en.wikipedia.org/wiki/Caffeine 7. http:Carl Friedrich Wilhelm Meißner //de.wikipedia.org/wiki/Carl_Friedrich_Wilhelm_Meißner 8. http: Catechin //en.wikipedia.org/wiki/Catechin 9. http: Catharanthus roseus //en.wikipedia.org/wiki/Catharanthus_roseus 10. http: Cinchona //en.wikipedia.org/wiki/Cinchona 11. http: Claviceps purpurea //ro.wikipedia.org/wiki/Claviceps_purpurea 12. http: Coca //en.wikipedia.org/wiki/Coca 13. http: Cocaine //en.wikipedia.org/wiki/Cocaine 14. http: Codeine //en.wikipedia.org/wiki/Codeine 15. http: Coffee beans //en.wikipedia.org/wiki/Coffee_beans 16. http: Colchicine //en.wikipedia.org/wiki/Colchicine 17. http: Condensed_tannin //en.wikipedia.org/wiki/Condensed_tannin 18. http: Coniine //en.wikipedia.org/wiki/Coniine 19. http: Convallaria majalis //en.wikipedia.org/wiki/Convallaria_majalis 20. http: Coumarin //en.wikipedia.org/wiki/Coumarin 21. http: Cuscohygrine //en.wikipedia.org/wiki/Cuscohygrine 22. http: Cuscohygrine//www.epharmacognosy.com/2012/07/cuscohygrine 23. http: Digitalis purpurea //en.wikipedia.org/wiki/Digitalis_purpurea 24. http: Ellagitannin //en.wikipedia.org/wiki/Ellagitannin 25. http: Ferulic acid //en.wikipedia.org/wiki/Ferulic_acid 26. http: Flavones //en.wikipedia.org/wiki/Flavones 27. http: Flavonoid //en.wikipedia.org/wiki/Flavonoid 28. http: Flavonols //en.wikipedia.org/wiki/Flavonols 29. http: Hesperidin //en.wikipedia.org/wiki/Hesperidin 30. http: Hydrolysable_tannin //en.wikipedia.org/wiki/Hydrolysable_tannin 31. http: Hydroxycinnamic acid //en.wikipedia.org/wiki/Hydroxycinnamic_acid 32. http: Indole alkaloids//en.wikipedia.org/wiki/Indole_alkaloids 33. http: Isopentenyl pyrophosphate //en.wikipedia.org/wiki/Isopentenyl_pyrophosphate 34. http: Isoprenylation //en.wikipedia.org/wiki/Isoprenylation 35. http: Leucoanthocyanidin //en.wikipedia.org/wiki/Leucoanthocyanidin 36. http: Lignin //en.wikipedia.org/wiki/Lignin 37. http: Lysergic acid //en.wikipedia.org/wiki/Lysergic_acid 38. http: Melanin //en.wikipedia.org/wiki/Melanin 39. http: Naringin //en.wikipedia.org/wiki/Naringin 40. http: Nicotine //en.wikipedia.org/wiki/Nicotine 41. http: P-Coumaric acid //en.wikipedia.org/wiki/P-Coumaric_acid 42. http: Phenolic acid //en.wikipedia.org/wiki/Phenolic_acid 43. http: Phenolic aldehyde //en.wikipedia.org/wiki/Phenolic_aldehyde 44. http: Phenols //en.wikipedia.org/wiki/Phenols 45. http: Piperine //en.wikipedia.org/wiki/Piperine 46. http: Polyphenol //en.wikipedia.org/wiki/Polyphenol 47. http: Purine //en.wikipedia.org/wiki/Purine 172

48. http: Quinine //en.wikipedia.org/wiki/Quinine 49. http: Quinoline //en.wikipedia.org/wiki/Quinoline 50. http: Secondary metabolite //en.wikipedia.org/wiki/Secondary_metabolite 51. http: Shikimic acid //en.wikipedia.org/wiki/Shikimic_acid 52. http: Sinapinic acid //en.wikipedia.org/wiki/Sinapinic_acid 53. http: Tannin //en.wikipedia.org/wiki/Tannin 54. http: Taxol //en.wikipedia.org/wiki/Taxol 55. http: Taxus //ro.wikipedia.org/wiki/Taxus 56. http: Theobromine //en.wikipedia.org/wiki/Theobromine 57. http: Theophylline //en.wikipedia.org/wiki/Theophylline 58. http: Vinca alkaloids //en.wikipedia.org/wiki/Vinca_alkaloids 59. Гутерман, И. Возрождение запаха. http://www.bioclass179.ru/book/guterman19.pdf 60. Кретович В.Л. Биохимия растений. М.: Высшая школа, 1986. - 503 с. 61. Пасешниченко, В. Новый альтернативный путь биосинтеза изопреноидов у бактерий и растений. // Биохимия. 1998. Т.63, №2. С.171− 182. 62. Пасешниченко, В. Растения − продуценты биологически активных веществ. Соросовский Образовательный Журнал, Том 7, № 8, 2001.-13-19 c. 63. Макаренко, О. Левицкий, А. Физиологические функции флавоноидов в растениях. // Физиология и биохимия культурных растений. т. 45. № 2, 2013. -100-112 c. 64. https: Антоцианы //ru.wikipedia.org/wiki/Антоцианы 65. https: Вторичные метаболиты //ru.wikipedia.org/wiki/Вторичные_метаболиты 66. https: Лигнин //ru.wikipedia.org/wiki/Лигнин 67. https: Танины //ru.wikipedia.org/wiki/ Танины 68. https: Фенолы //ru.wikipedia.org/wiki/ Фенолы

173

CAPITOLUL 9. VITAMINELE 9.1. Aspecte generale 9.2. Vitaminele liposolubile 9.3. Vitaminele hidrosolubile 9.1. ASPECTE GENERALE Vitaminele sunt substanţe organice micromoleculare cu rol funcţional care se găsesc în cantităţi mici în alimente şi sunt indispensabile pentru creşterea şi dezvoltarea normală a organismelor. În anul 1897 medicul militar olandez Christiaan Eijkman a descoperit că consumul de orez nedercoticat în locul orezului decorticat prevenea boala umană beriberi. Într-un experiment realizat de către C. Eijkman s-a demonstrat că păsările hrănite exclusiv cu orez decorticat sufereau de polinevrită, o boală analogică cu beriberi. Christiaan Eijkman a presupus că tărâţele de orez conţin nişte substanţe chimice, necunoscute la vremea respectivă, necesare pentru un metabolism echilibrat. Aceste substanţe au fost denumite de biochimistul polonez Casimir Funk vitamine (amine vitale) în 1911, care a izolat din tărâţele de orez o substanţă antineuritică. Acestei substanţe i s-a dat numele de vitamină deoarece substanţa respectivă (vitamina B1) conţinea azot aminic. Ulterior s-a stabilit că nu toate vitaminele conţin azot în molecula lor (de exemplu, vitamina C). În anul 1912 biochimistul englez Frederick Hopkins a publicat în revista The Journal of physiology un articol ştiinţific în care afirma că alimentele conţin, pe lângă proteine, carbohidrați, grăsimi, minerale şi nişte factori accesori (engl. ̶ accessory food factors), indispensabili pentru creşterea şi dezvoltarea normală a organismelor. Pentru contribuţia în descoperirea efectelor vitaminelor cercetătorilor Christiaan Eijkman şi Frederick Christiaan Eijkman Frederick Hopkins Hopkins li s-a decernat premiul Nobel pentru fizilogie sau medicină în 1929 [8]. Lipsa totală a unei vitamine din organism se numeşte avitaminoză, boală care provoacă tulburări grave ale metabolismului celular sau chiar moartea organismelor. Lipsa parţială a vitaminelor este cunoscută sub numele de hipovitaminoză, iar tulburările metabolice în acest caz sunt mai puţin grave. Excesul de vitamine din alimentaţie, în special a vitaminelor liposolubile A şi D, poate determina apariţia hipervitaminozei, care de asemenea provoacă dezechilibrări în desfăşurarea normală a metabolismului (fig. 9.1).

Fig. 9.1. Asigurarea organismului uman cu vitamine [1]

Cu unele excepţii, vitaminele sau precursorii acestora trebuie obţinute din alimente sau suplimente. Excepţiile principale sunt vitamina D, care se poate sintetiza la nivelul pielii din colesterol

174

după expunerea la lumina solară (şi alte forme de radiaţii ultraviolete), precum şi vitamina K, care poate fi sintetizată de microflora intestinală. Compuşii naturali care au o acţiune biochimică similară vitaminelor se numesc vitagene (acizi graşi esenţiali, betaină, colină, unii aminoacizi esenţiali, polialcooli etc.). Substanţele naturale sau de sinteză înrudite structural sau funcţional cu vitaminele se numesc vitamere (retinol, acid retinoic, naftochinone etc.) [2]. În plante şi animale, s-au identificat unele substanţe organice ce au o acţiune fiziologică şi biochimică opusă vitaminelor. Aceste substanţe poartă denumirea de antivitamine. Vitaminele se notează cu ajutorul literelor mari din alfabetul latin (A, B, C, D, E, K). După rolul fiziologic ce-l îndeplinesc în organism, vitaminele se numesc astfel: vitamină antihemoragică (vitamina K), vitamina creşterii (vitamina A), vitamina antirahitică (vitamina D), vitamina antisterilităţii (vitamina E), vitamina antiscorbutică (vitamina C), vitamina antiberiberi (vitamina B1). După solubilitatea vitaminelor în apă sau solvenţi organici, acestea se clasifică în vitamine liposolubile şi vitamine hidrosolubile. 9.2. VITAMINELE LIPOSOLUBILE Vitaminele liposolubile sunt substanţe solubile în grăsimi, în solvenţi organici şi insolubile în apă. Din această grupă fac parte vitaminele A, D, E, K. Vitaminele A şi D se găsesc în plante sub formă de provitamine. Din punct de vedere structural, toate vitaminele liposolubile sunt derivaţi izoprenici. Absorbţia, transportul şi depozitarea lor sunt similare lipidelor. Vitaminele A, D, K se depozitează în cantitate mare în ficat, iar vitamina E ̶ în ţesutul adipos. Vitaminele sunt transportate în organism prin circulaţia sangvină de unele lipoproteine, care se leagă în mod specific de vitaminele respective.

Vitamina A Vitamina A constituie un grup de compuşi organici nesaturaţi care include vitamina A1 (retinol), vitamina A2 (dehidroretinol), retinal (retinaldehidă), acid retinoic şi o serie de provitamine A (carotenoide) [16]. Vitamina A1 este cea mai importantă şi mai răspândită din acest grup, se mai numeşte retinol sau vitamina creşterii. Este prezentă în celula animală, iar din punct de vedere chimic, este un alcool care conţine în moleculă un inel β-iononic, o catenă laterală formată din 9 atomi de carbon, 5 legături duble conjugate, 5 radicali metil şi o grupare terminală ̶ CH2OH (fig. 9.2). În stare pură vitamina A1 se obţine sub formă de cristale de culoare galbenă. Vitamina A2 are în inelul β-iononic două legături duble şi este un metabolit al retinalului. Se conţine în cantitate mai mare în untura de peşte şi în ficatul peştilor de apă dulce [6]. Vitamina A2, în stare pură, are un aspect de ulei galben. Vitaminele A2 şi A1 sunt autooxidabile, termostabile în lipsa aerului, sensibile la acţiunea oxidanţilor şi a luminii, în special a radiaţiilor ultraviolete. Retinalul este un pigment fotoreceptor esenţial pentru vedere. În retină, la om şi la animalele vertebrate, sunt prezente celule fotoreceptoare (bastonaşe) implicate în vederea crepusculară şi nocturnă şi celule implicate în vederea diurnă şi diferenţierea culorilor (conuri) [2]. În bastonaşe este prezentă o substanţă fotosensibilă rodopsina, o carotenoproteină formată din retinol şi opsină (proteină), iar în conuri se găseşte iodopsina formată din retinol şi iodopsină (proteină). Rodopsina are o culoare roşie, iar iodopsina ̶ culoare violetă, fiind sensibile la lungimi de undă diferite. Rodopsina ia parte în procesul de vedere nocturnă, iar iodopsina ̶ în vederea diurnă. În ambele cromoproteine, se găseşte retinalul. Izomerul cis al retinalului se combină cu opsina şi regenerează rodopsina. Izomerul trans al retinalului se transformă în vitamina A1, sub acţiunea enzimei retinen-reductazei [2]. Lipsa retinalului în organismul omului determină tulburări oculare specifice, precum pierderea capacităţii de adaptare a vederii la întuneric (orbire nocturnă) sau dereglări severe prin keratinizarea corneei [2].

175

Fig. 9.2. Vitaminele liposolubile A şi D [1]

Acidul retinoic este important pentru o piele sănătoasă, remineralizarea dinţilor şi creşterea oaselor [11]. Provitaminele A (carotenoide). În regnul vegetal, vitaminele A se găsesc predominant sub formă de provitamine, care se numesc carotenoide (α-caroten, β-caroten, γ-caroten etc.), dintre care cea mai importantă este β-carotenul. Se conţin în legume şi fructe, dar în cantităţi mai mari în morcov, fructe citrice, măcieş, iar în stare liberă în untura de peşte, ficat, lapte, gălbenuşul de ou, unt. Din βcaroten, prin degradare oxidativă se obţin două molecule de vitamină A. Din restul provitaminelor (αcaroten, γ-caroten etc.) se obţine doar o singură moleculă de vitamina A1, deoarece acestea conţin un singur inel β-ionononic nesubstituit în molecula lor. Aşadar, vitamina A are un rol important în transcripţia genelor, dezvoltarea embrionară normală, creşterea organismelor tinere, protejarea ţesuturilor epiteliale, metabolismul ţesutului osos, procesele fotochimice ale vederii, procesele antioxidante. Pe lângă aceasta, vitamina A reglează permeabilitatea membranelor celulare, întăreşte imunitatea, asigură o hematopoieză normală şi funcţionarea normală a aparatului genital, prin sinteza steroizilor sexuali. În avitaminoza A se opreşte creştea organismelor tinere, se produc dereglări ale ţesuturilor epiteliale, ale tubului digestiv, din aparatul respirator şi aparatul urogenital. Pielea devine uscată şi cornoasă, se produc tulburări oculare.

Vitamina D Vitamina D constituie un grup de substanţe care derivă de la steroli, responsabile pentru stimularea absorbţiei intestinale a calciului, fierului, magneziului, fosforului şi zincului [19]. Se găsesc în natură atât în stare liberă, cât şi sub formă de provitamine (steroli), mai cu seamă în regnul vegetal. După natura sterolilor din care provin, se cunosc mai multe vitamine D, notate de la D2 la D7. Pentru oameni cele mai importante sunt vitamina D3 (colecalciferol) şi vitamina D2 (ergocalciferol).

176

Toate vitaminele D au o grupă hidroxilică la atomul C-3, un inel deschis (inelul B) cu trei legături duble conjugate şi o catenă laterală caracteristică fiecărei vitamine (fig. 9.2). Catenele laterale se deosebesc între ele prin numărul atomilor de carbon şi prin prezenţa sau absenţa unei legături duble. Transformarea sterolilor în vitamine D se face în piele şi ţesutul subcutanat sub acţiunea energiei solare, a radiaţiilor ultraviolete (256 ̶ 313 nm), printr-un proces fotochimic cu consum de energie. Din ergosterol, sub influenţa radiaţiilor ultraviolete se formează un produs intermediar numit precalciferol, care sub acţiunea energiei termice se transformă în vitamina D2. Vitaminele D sunt substanţe termostabile, se distrug la 180°C şi rezistă la acţiunea oxigenului. Posedă activitate optică. În cantitate mai mare se găsesc în uleiul de peşte, ficat, unt, ouă, lapte, drojdie de bere. La om, vitaminele D sunt depozitate şi metabolizate predominant în ficat, dar se găsesc şi în intestin, rinichi, sistem osos etc. Vitaminele D sunt mai stabile în mediul acid decât în cel bazic. Vitaminele D au un rol fiziologic foarte important. Acestea favorizează absorbţia calciului şi a fosforului şi formarea sistemului osos. Rolul fundamental al vitaminei D constă în reglarea metabolismului calciului şi al Băiat bolnav de rahitism Acelaşi băiat după 14 luni de fosforului în procesul de osificare. În avitaminoze D apare rahitismul la copii şi tratament cu vitamina D Fig. 9.3. Influenţa vitaminei D3 asupra metabolismului osos osteoporoza la adulţi. Vitaminele D se mai numesc şi vitamine antirahitice, deoarece pre[3] vin şi vindecă rahitismul (fig. 9.3). Simptomele precoce ale avitaminozei D constau în creşterea fosfatazei alcaline, scăderea fosforului şi calciului sangvin. Pentru menţinerea unui proces normal de osificare este necesar ca raportul Ca / P să fie de 1 / 2 [2]. Excesul de vitamine D duce la demineralizarea oaselor şi la apariţia calculilor renali, hepatici etc.

Vitamina E Vitamina E reprezintă un grup de substanţe liposolubile care include tocoferoli şi tocotrienoli [20]. Vitaminele E se mai numesc şi tocoferoli (din greacă tokos − naştere, ferro − a purta), vitaminele antisterilităţii sau vitaminele de reproducere. Ele se sintetizează în plante şi se găsesc în cantitate mai mare în frunze, muguri, seminţe în stare de germinaţie, plantule etc. Din punct de vedere chimic, vitaminele E sunt derivaţi ai cromanului. Ele conţin în molecula lor o grupă hidroxilică la atomul C6, grupări metilice şi o catenă laterală ce derivă din fitol (fig. 9.4). Se cunosc 4 tipuri de tocoferoli notaţi cu litere greceşti α, β, γ, δ, care se deosebesc prin numărul şi poziţia grupelor metilice a inelului cromanic şi activitatea biologică [14]. Toţi tocoferolii au la C6 o grupă hidroxilică şi la C2 o grupare metilică. Sursa principală de vitamină E în dieta europeană şi forma cea mai activă, din punct de vedere biologic, a vitaminei E este α-tocoferolul. Tocotrienolii sunt de patru tipuri, se notează cu litere greceşti α, β, γ, δ, şi au o structură asemănătoare cu tocoferolii. Însă spre deosebire de tocoferoli, tocotrienolii conţin trei legături duble în catena laterală (fig. 9.5).

177

Fig. 9.4. Vitaminele liposolubile E şi K [1]

Tocoferolii protejează oxidarea vitaminelor A, C, D, H (biotina), a carotenoidelor, a acizilor graşi nesaturaţi, a lipidelor, menţin integritatea membranelor biologice, favorizează reacţii de fosforilare şi formare de compuşi macroergici, participă la sinteza hemului. Deviază planul Fig. 9.5. Structura moleculară a α-tocotrienolului [15] luminii polarisate datorită prezenţei a trei atomi de carbon asimetrici (C2, C4 şi C8). Prin transformarea reversibilă a hidroxilului de la C-6 în grupa cetonică, vitaminele E funcţionează în organism ca sisteme redox. Avitaminoza E determină la om şi animale scăderea capacităţii de reproducere, sterilitatea, dereglările metabolice, decalcifierea, slăbirea organismului la infecţii, stările nervoase etc. Vitaminele E asigură formarea spermatozoizilor la masculi, iar la femele influenţează favorabil procesul de gestaţie. În avitaminoza E apar frecvent distrofii musculare, leziuni la nivelul pereţilor vasculari, aparatului genital, se atestă pierderea mobilităţii spermatozoizilor. De asemenea apar tulburări la nivelul ficatului şi al glandelor suprarenale.

Vitamina K Vitamina K reprezintă un grup de substanţe, cu o structură moleculară similară, necesare pentru sinteza unor proteine implicate în coagularea sângelui. Aceste substanţe se mai numesc şi vitamine antihemoragice. Ele determină coagularea sângelui prin transformarea fibrinogenului în fibrină. Vitamina K include doi vitameri: vitamina K1 (filochinonă) şi vitamina K2 (menachinonă) [21]. Vitaminele K sunt sintetizate numai de microorganismele din tubul digestiv şi plante, animalele nu le pot sintetiza. Se găsesc în cantităţi mai mari în frunzele de spanac, varză, lucernă, trifoi, microflora intestinului. Din punct de vedere chimic, vitaminele K sunt formate dintr-un nucleu naftochinonic, care are substituit la C3 o grupare metilică şi la C2 o catenă laterală (fig. 9.4). Vitamina K1 are catena laterală derivată de la fitol, iar la vitamina K2 catena laterală este alcătuită dintr-un număr variabil de resturi de izoprenide [21], de regulă, în catena laterală se conţin 4 resturi.

178

Vitaminele K sunt substanţe solide, cristaline, termostabile şi fotosensibile. Participă activ la oxidările celulare. Prin trecerea reversiblă din forma oxidată în cea redusă se asigură transportul hidrogenului pe cale neenzimatică, formează în celule importante sisteme de oxido-reducere. Iau parte în procesul de fosforilare ca acceptori de electroni. Pe lângă vitaminele naturale K, au fost obţinuţi un şir de Fig. 9.6. Structura moleculară a vicasolului [22] derivaţi naftochinonici prin sinteză chimică. Astfel, vicasolul (fig. 9.6) este un analog al fitochinonei sintetizat artificial. În stări de avitaminoză K, creşte timpul de coagulare a sângelui şi apar hemoragii spontane. Lipsa vitaminei K apare datorită bolilor care împiedică biosinteza vitaminei în intestin sau prin administrarea îndelungată de antibiotice. 9.3. VITAMINELE HIDROSOLUBILE Vitaminele hidrosolubile sunt substanţe foarte diferite sub aspect structural. Ele sunt solubile în apă şi insolubile în solvenţi organici. Din această grupă fac parte: vitamina В1 (tiamină), vitamina В2 (riboflavină), vitamina В3 (niacină sau acid nicotinic), vitamina В5 (acid pantotenic), vitamina В6 (piridoxină, piridoxamină, piridoxal), vitamina В12 (cianocobalamină), vitamina В15 (acid pangamic), vitamina B9 sau Вс (acid folic), vitamina С (acid ascorbic), vitamina Н sau B8 (biotină). Majoritatea vitaminelor hidrosolubile îndeplinesc rolul de coenzime (tab. 9.1), iar altele îndeplinesc rolul de activatori enzimatici. Tabelul 9.1. Funcţiile unor vitamine hidrosolubile în cataliză [22] Vitamină Forma activă Enzime Reacţiile catalizate (coenzimă)* B1 TPP Dehidrogenaze Decarboxilarea α-cetoacizilor în cadrul metabolismului glucidic B2 FMN, FAD Oxidaze, Reacţii de oxidoreducere Reductaze în cadrul oxidării intracelulare B3 NAD, NADP Dehidrogenaze Reacţii de oxidoreducere anaerobe în cadrul oxidării intracelulare B6 Piridoxalfosfat Aminotransferaze, Transferul grupelor aminice în cadrul Carboxilaze metabolismului aminoacizilor H Biotină Carboxilaze Transferul CO2 în cadrul metabolismului proteinelor şi lipidelor * ̶ TPP ̶ Tiaminpirofosfat; FMN ̶ Flavinmononuleotidă; FAD ̶ Flavinadenindinucleotidă; NAD ̶ Nicotinamidadenindinucleotidă; NADP ̶ Nicotinamidadenindinucleotidfosfat

La începutul sec. XX, în cadrul studierii proceselor de oxidare a glucidelor, s-a reuşit pentru prima dată izolarea în stare cristalină a coenzimei glucozo-6-fosfatdehidrogenaza. S-a stabilit că în componenţa acesteia intră amida acidului nicotinic ̶ nicotinamida. Ulterior, s-a constatat că amida acidului nicotinic, precum şi alte vitamine formează în celule importante sisteme de oxido-reducere, care iau parte la numeroase procese metabolice ale glucidelor, lipidelor, proteinelor şi a altor compuşi, reglează potenţialul de oxido-reducere celular, contribuie la transportul hidrogenului pe cale neenzimatică (vitaminele C, E, K etc.). Coenzimele conţin două regiuni funcţionale, una dintre care realizează legătura cu apofermentul, iar alta participă nemijlocit la cataliză. De regulă, forma activă a vitaminelor participă la cataliză.

179

Vitamina B1 Vitamina B1 este un compus chimic cu sulf (C12H17N4OS). Vitamina respectivă este formată dintr-un nucleu pirimidinic şi unul tiazolic uniţi printr-o grupă metilenică (fig. 9.7). Vitamina B1 are un rol însemnat în metabolismul glucidelor, lipidelor şi al proteinelor. Sub formă de coenzima tiaminpirofosfat (TPP), vitamina B1 face parte din componenţa enzimei carboxilaza, care produce decarboxilarea şi respectiv carboxilarea acidului piruvic. Vitamina B1 este solubilă în apă şi alcool şi insolubilă în acetonă şi cloroform. Are un miros caracteristic pe care îl imprimă şi drojdiei. Solubilitatea vitaminei creşte în mediu bazic. Cu acizii formează săruri cristaline. Se conţine în cantităţi mai mari în drojdia de bere, seminţele cerealelor şi leguminoaselor, în tărâţele de orez, germenii de grâu, în frunze, flori, polen etc. Vitamina B1 este un factor nutritiv foarte important. Lipsa acestei vitamine din hrană produce la animale polinevrită, iar la om se manifestă prin tulburări ale sistemului nervos, pierderea apetitului, oboseală, tulburări gastrointestinale şi cardiace. În cazuri mai grave, apar nevralgii, convulsii şi paralizii ale membrelor. Boala beriberi apare în cazuri de avitaminoză prelungită. Ea se manifestă prin tulburări digestive, nervoase, cardiace.

Fig. 9.7. Vitaminele hidrosolubile B1 şi B2 [1]

Vitamina B2 Vitamina B2 (riboflavină ̶ C17H20N4O6) este răspândită pe larg în natură, se găseşte în aproape toate celulele vegetale şi animale. Cantităţi mari de vitamina B2 se găsesc în ficat, lapte, ouă, drojdii şi în seminţele gramineelor. Cele mai bogate produse horticole în vitamina B2 sunt migdalele, alunele, ciupercile, pătrunjelul, ţelina etc. [2]. Vitamina B2 este formată dintr-un nucleu izoaloxazinic şi din ribitol (fig. 9.7). Nucleul izoaloxazinic conferă formei oxidate a vitaminei B2 o culoare galben-verzuie. Denumirea de riboflavină derivă de la riboză (ribitolul este forma redusă a ribozei) şi flavin (din lat. flavin ̶ galben) [12]. Prin hidrogenare, riboflavina devine incoloră. Este sensibilă la acţiunea luminii, sub influenţa

180

luminii în mediu acid riboflavina se transformă în lumicrom, iar în mediu bazic ̶ în lumiflavină, compuşi ce au activitate vitaminică. Riboflavina are un rol multiplu. Derivaţii vitaminei B2 (flavinmononucleotidă ̶ FMN şi flavinadenindinucleotidă ̶ FAD) sunt coenzime care intră în componenţa dehidrogenazelor aerobe şi catalizează reacţii de oxido-reducere. FAD şi FMN joacă un rol important în respiraţia celulară şi transportul de electroni şi protoni. La om avitaminoza produce iritaţii ale pielii, inflamarea gurii, îngroşarea şi înroşirea limbii, căderea părului, tulburări de creştere, slăbirea văzului, auzului şi a ţesutului muscular, tulburări digestive.

Vitamina B3 Vitamina B3 (niacina sau vitamina PP ̶ C6H5NO2) este un compus organic solid, incolor, hidrosolubil, derivat al piridinei cu o grupare carboxilică (COOH) în poziţia C3 [10]. Altă formă a vitaminei B3 reprezintă amida acidului nicotinic ̶ nicotinamidă sau niacinamidă, la care gruparea carboxilică este înlocuită cu gruparea carboxiamidică (CONH2 ̶ fig. 9.8).

Fig. 9.8. Vitaminele hidrosolubile B3 şi B5 [1]; * ̶ unii autori notează incorect acidul pantotenic ̶ B3 şi acidul nicotinic ̶ B5

Acidul nicotinic reprezintă precursorul nicotinamidei în organism. Se conţine în cantităţi mai mari în tărâţele cerealelor, ciuperci, lapte, ficat etc. Vitamina B3 are un rol biochimic foarte important în metabolismul celular, deoarece intră în componenţa enzimelor anaerobe − dehidrogenaze ce conţin NAD+ − nicotinamidadenindinucleotid şi NADP+ − nicotinamidadenindinucleotidfosfat. Aceste enzime catalizează peste 100 de reacţii biochimice: oxidarea alcoolilor în aldehide şi cetone, oxidarea aldehidelor şi cetonelor în acizi carbonici, oxidarea aminelor în imine etc. Pe lângă aceasta, forme active ale vitaminei B5 participă la reglarea unor procese biochimice importante precum ciclul Krebs. La om, în cazul avitaminozei de B3, se dezvoltă boala celor trei D − dermatita, diareea, demenţa. Dacă starea de avitaminoză se menţine un timp mai îndelungat, la oameni apare boala numită pelagră (din lat. pella agra − piele aspră ̶ fig. 9.9). Denumirea de PP provine de la proprietatea pe care o are această Fig. 9.9. Un bolnav de pelagră [10] vitamină de a preveni pelagra. Această boală poate să apare în urma

181

unui consum îndelungat de porumb sau în urma unor excese în consumul de alcool şi melasă [2]. Oamenii pelagroşi au eriteme şi dermatite pe mâini şi gât. Au de asemenea tulburări nervoase caracterizate prin nelinişte, melancolie şi demenţă.

Vitamina B5 Vitamina B5 (C9H17NO5) sau acidul pantotenic (din gr. pantos ̶ peste tot) este o amidă dintre acidul pantoic şi β-alanină (fig. 9.8). Este o componentă a coenzimei A [9]. Doar izomerul dextrogir (D) al acidului pantotenic este biologic activ. Este o substanţă uleioasă, de culoare galbenă, sensibilă la acţiunea oxidanţilor în mediu alcalin. Vitamina B5 este un factor de creştere pentru numeroase microorganisme. Stimulează metabolismul celular sub diferite aspecte. Se găseşte în toate organismele vegetale şi animale. În cantitate mai mare se conţine în lăptişorul de matcă, făina de fasole, soia, drojdia de bere, arahide, conopidă, migdale etc. [2]. Se găseşte, de regulă, sub formă de analog alcoolic ̶ provitamina pantenol şi pantotenat de calciu. Acidul pantotenic este un ingredient în produsele cosmetice de protecţie a părului şi a pielii.

Vitamina B9 Vitamina B9 (C19H19N7O6) sau Bc (acid folic, acid pteroil-L-glutamic) este formată dintr-un nucleu pteridinic substituit, acidul paraaminobenzoic şi acidul glutamic [7] (fig. 9.10). Forma activă a vitaminei B9 conţine în plus faţă de acidul folic un radical formil şi se mai numeşte acid tetrahidrofolic. Vitamina B9 se găseşte în frunzele plantelor superioare, în special, în spanac, salată, sparanghel, broccoli, stevie, grâul încolţit, în ficat şi în microorganisme. Acizii folic şi folinic sunt necesari pentru dividerea celulară, sinteza ADN-ului şi ARN-ului, reduc rata mutaţiilor ADN, previn formarea unor tumori maligne [7], stimulează formarea hematiilor şi leucocitelor. Acidul folic îndeplineşte un rol de coenzimă în reacţiile de transmetilare, iar acidul folinic ̶ în reacţiile de transformilare [2]. Acidul folic şi folinic, sub formă de coenzime, au un rol important în activitatea şi transportul unităţilor C1 active şi în metabolismul unor aminoacizi.

Fig. 9.10. Vitamina hidrosolubilă B 9 [1]

În stări carenţiale se produc alterări ale mucoasei gastrointestinale, ale pielii şi ale organelor de reproducere, apar anemii şi se opreşte creşterea. S-a stabilit că femeile care primesc o cantitate suficientă de acid folic, zilnic, înainte de momentul concepţiei şi în primele luni de sarcină, beneficiază de o scădere a riscului de a avea un copil cu un defect neural sever (dezvoltare incompletă a creierului şi a maduvei spinării).

Vitamina B6 Vitamina В6 are trei derivaţi piridinici importanţi − piridoxină, piridoxamină şi piridoxal (fig. 9.11). Aceste trei substanţe se găsesc de obicei împreună şi se transformă reciproc una în alta. 182

Deosebirea între ele constă în gruparea funcţională de la atomul C4. Prin fosforilarea piridoxalului şi piridoxinei se obţin coenzime (piridoxalfosfat, piridoxaminofosfat) care iau parte la decarboxilarea şi transaminarea aminoacizilor. Piridoxalfosfatul sub formă de coenzimă intră în componenţa a peste 50 de enzime care catalizează reacţii ale metabolismului aminoacizilor. Vitamina B6 este stabilă în mediu acid şi se descompune uşor în mediu bazic sub acţiunea luminii.

Fig. 9.11. Vitamina hidrosolubilă B6 [1]

Vitamina B6 se găseşte în cantităţi mai mari în drojdii, germeni de grâu, tărâţe de orez, fructe şi legume proaspete, ficat, peşte etc. La om stările de avitaminoză se manifestă prin dureri abdominale, artrite, tulburări cardiace, astenie, tulburări de mers, stări de nervozitate şi insomnii.

Vitamina B12 Vitamina B12 (C63H88CoN14O14P) sau cianocobalamina este un compus format dintr-un nucleu porfirinic ce conţine un atom de cobalt şi o grupă cian, grupări metilice şi amidice (R1 şi R2) legate de nuclei pirolici, un nucleu dimetilbenzoimidazolic, riboză, acid fosforic şi alcool izopropilic (fig. 9.12). Prin înlocuirea grupării CN ̶ din interiorul moleculei cu grupări ̶ OH, NO, SCN ̶ etc. se formează vitaminele hidroxicobalamină, nitrozocobalamină, sulfcianocobalamină etc.

Fig. 9.12. Vitamina hidrosolubilă B12 [1]

Vitamina B12 este o substanţă cristalină, de culoare roşie, solubilă în apă, etanol şi insolubilă în acetonă şi eter. Este indispensabilă pentru viaţa animalelor şi a omului. Are o importanţă deosebită în funcţionarea normală a creierului şi a sistemului nervos, în hematopoeză [17]. Vitamina B12 este un factor de creştere pentru numeroase organisme. Ia parte activă la transportul grupelor ̶ CH3, HS ̶ , ̶ S ̶ 183

CH3 etc. [2]. Nu se sintetizează în celulele vegetale şi animale. Se extrage în cantitate mare din cultura unor microorganisme. Vitamina B12 se întâlneşte numai în produse de provenienţă animală. Cantităţi mai mari de vitamină B12 sunt prezente în carne (ficat, rinichi şi inimă), în laptele praf degresat, în unele produse marine (crab, somon, sardea) şi în gălbenuşul de ou. În vin apare ca rezultat al activităţii enzimelor.

Vitamina C Vitamina C (C6H8O6) sau acidul ascorbic L (+) este cea mai răspândită vitamină în natură [2]. Din punct de vedere chimic, vitamina C este γ-lactona unui acid hexonic (fig. 9.13). Vitamina C deşi se numeşte acid ascorbic nu are o grupă carboxilică liberă, aceasta fiind blocată de legătura lactonică formată între atomii C1 şi C4 (fig. 9.14).

Fig. 9.13. Vitamina hidrosolubilă C [1]

Caracterul acid al vitaminei este determinat de legătura endolică şi de atomul de hidrogen de la grupările enolice, care se disociază cu uşurinţă şi pot fi înlocuiţi cu metale, dând naştere la săruri (fig. 9.12).

Fig. 9.14. Reacţia acidului ascorbic cu NaOH [4]

Fig. 9.15. Sistem reducător acid ascorbic ̶ acid dehidroascorbic [4]

Acidul ascorbic şi acidul dehidroascorbic (forma oxidată) formează în celule un sistem de oxido-reducere foarte important, care ia parte la numeroase procese metabolice în organism (fig. 9.15). Acest sistem reglează potenţialul de oxido-reducere celular şi contribuie la transportul hidrogenului pe cale neenzimatică. Acidul ascorbic este o substanţă solidă, cristalină, solubilă în apă, uşor oxidabilă. Prezintă unele reacţii caracteristice glucidelor, reduce reactivul Fehling, Tollens, iodul, permanganatul de potasiu etc. Cu unele metale formează compuşi coloraţi. Vitamina C este foarte instabilă şi se distruge în mediul neutru şi bazic la temperatura 20oC, în prezenţa luminii, oxigenului, cationilor metalelor grele, enzimelor din clasa oxidoreductazelor (ascorbatoxidazei şi polifenoloxidazei), la fierbere. Prin oxidare lentă acidul ascorbic se transformă în acid dehidroascorbic. În prezenţa unor oxidanţi mai puternici, în special în mediul neutru şi bazic, acidul ascorbic se transformă ireversibil în acid oxalic şi treonic. 184

Conţinutul de acid ascorbic se reduce mult în procesul de păstrare a materiei prime alimentare, la conservarea şi fierberea alimentelor. La plantele din familia Cruciferae (varză, ridiche, hrean, rapiţă, nap etc.) acidul ascorbic se găseşte atât în stare liberă, cât şi asociat cu proteine, formând un complex proteină-acid ascorbic, numit ascorbinogen. Cele mai bogate surse de vitamină C sunt: prunul kakadu, camu camu, acerola, cătina albă, coacăzul indian, măcieşul, ardeiul, etc. (tab. 9.2). Tabelul 9.2. Conţinutul de vitamină C în diferite produse vegetale [18] Produsul Vitamina C, Produsul Vitamina C, mg/100 g mg/100 g Prunul Kakadu 1000 ̶ 5300 Papaia 60 Camu Camu 2800 Căpşună 60 Acerola 1677 Lămâie 53 Cătină albă 695 Usturoi 31 Coacăzul Indian 445 Mango 28 Măcieş 426 Mure 21 Ardei chili (verde) 244 Cartof 20 Guava 228 Tomate 13 Coacăză neagră 200 Struguri 10 Ardei dulce roşu 190 Babane 9 Ardei chili (roşu) 144 Avocado 8 Pătrunjel 130 Vişine 7 Kiwi 90 Piersici 7 Broccoli 90 Mere 6 Coacăză roşie 80 Castraveţi 3 Acidul ascorbic stimulează metabolismul glucidelor, lipidelor, glicoproteinelor, şi a numeroşi aminoacizi. Are o acţiune antioxidantă de apărare a vitaminelor liposolubile şi a glutationului, o acţiune antitoxică, măreşte rezistenţa organismului la infecţii şi este un factor activator pentru numeroase enzime. Vitamina C contribuie la formarea colagenului şi a substanţelor intercelulare, la transformarea acidului folic în acid folinic, intervine în metabolismul fierului prin reducerea Fe3+ din feritină la Fe2+. Avitaminoza vitaminei C produce la om boala numită scorbut, caracterizată prin hemoragii la nivelul gingiilor (gingivite), pierderea dinţilor, tulburări digestive, anemie, imunitate scăzută.

Vitamina H Vitamina H (biotină sau coenzima R) este un compus chimic cu structură biciclică, fiind format dintr-un nucleu pirimidinic şi unul tiolenic, de care se leagă acidul valerianic sau izovalerianic (fig. 9.16). Biotina este o coenzimă a enzimelor carboxiazelor, enzime care catalizează reacţii de sinteză a acizilor graşi, a aminoacizilor (izoleucina şi valina), a glucidelor [5].

Fig. 9.16. Vitamina hidrosolubilă H [1]

185

Biotina este solubilă în apă şi hidroxid, are un caracter slab acid, este optic activă dextrogiră. Este un factor de creştere pentru microorganisme şi animale. La om avitaminoza biotinei se manifestă prin cojirea pielii, căderea părului, lipsa poftei de mâncare, oboseală etc. TESTE DE EVALUARE 1. Completaţi spaţiile libere din text. 1.1. Vitaminele se pot clasifica în funcţie de: a)..........................................; b)....................................... 1.2. Vitamina B6 are 3 derivaţi: a)............................; b)...........................; c)........................................... 1.3. Vitamina B5 este amida........................................şi se numeşte........................................................ 1.4. Forma oxidată a acidului ascorbic se numeşte.................................................................................. 1.5. Vitamina A se mai numeşte vitamina................................................................................................ 2. Alegeţi răspunsul corect din două variante alternative: Da / Nu. 2.1. Avitaminoza de B6 produce la om boala beri-beri. 2.2. Vitaminele E sunt derivaţi ai cromanului. 2.3. Excesul de vitamine D duce la demineralizarea oaselor. 2.4. Vitaminele K determină coagularea sângelui prin transformarea fibrinogenului în fibrină. 2.5. În produsele de origine vegetală vitamina A se află sub formă de retinol. 3. Alegeţi varianta sau variantele de răspuns corecte. 3.1. Scorbutul este o consecinţă a insuficienţei vitaminei: a) A; b) B2; c) D; d) C; e) B5; f) K. 3.2. Pelagra apare la om în cazul avitaminozei: a) B1; b) B2; c) B5; d) C; e) D; f) B12. 3.3. Vitamina antirahitică: a) A; b) B2; c) D; d) C; e) B5; f) K. 3.4. Cecitatea nocturnă (orbul găinilor) poate fi cauzată de carenţa de vitamină: a) B1; b) A; c) B5; d) C; e) D; f) B12; g) E. 3.5. Vitamina reproducerii: a) B1; b) B2; c) B5; d) C; e) D; f) B12; g) E. 4. Asociaţi. Clasificarea vitaminelor în funcţie de solubilitatea lor 1. Vitamine hidrosolubile A. Tiamină 2. Vitamine liposolubile B. Tocoferol C. Acid folic D. Colecalciferol E. Menachinonă F. Riboflavină

186

G. Retinol H. Biotină I. Nicotinamidă J. Acid ascorbic K. Cianocobalamină

5. Selectaţi termenul care nu se încadrează în grupul tematic prezentat şi explicaţi de ce l-aţi separat. 5.1. B1; B2; C; H; K; B9. 5.2. A; D; B12; E; K. 5.3. Tiamina; piridoxina; piritiamina; nicotinamida; retinol. 6. Completaţi tabelul. Boli cauzate de avitaminoză sau de carenţa de vitamine Denumirea Consecinţele avitaminozei Denumirea vitaminei vitaminei A D1-D5 B1 E B3, PP F B5 H B6 K B9, BC N B12 P C

Consecinţele avitaminozei

7. Scrieţi un referat la tema. 7.1. Vitaminele hidrosolubile. 7.2. Vitaminele liposolubile. 7.3. Boli cauzate de avitaminoză sau de carenţa de vitamine. GLOSAR Acerola (Malpighia emarginata) ̶ specie subtropicală din familia Malpighiaceae; este cunoscută şi sub denumirea de vișină de Barbados sau vișină tropicală. Beri-beri ̶ boală provocată de lipsa în organism a vitaminei B1 și manifestată prin tulburări nervoase, cardiovasculare, respiratorii. Calcul ̶ concrețiune de forma unei pietricele, rezultată prin precipitarea sărurilor organice sau anorganice, care se formează în anumite organe interne. Camu Camu (Myrciaria dubia) ̶ plantă perenă din familia Myrtaceae. Cătină albă (Hippophaë rhamnoides) ̶ arbust cu flori mici cafenii și cu fructe galbene-portocalii. Coacăzul Indian (Phyllanthus emblica) ̶ arbore din familia Euphorbiaceae, cu fructe galbui-verzui. Cornee ̶ membrana anterioară, transparentă, nevascularizată a ochiului. Eritem ̶ afecțiune a pielii, manifestată prin pete roșii, care apare în unele boli. Feritină ̶ proteină bogată în fier, din ficat și splină. Fibrină ̶ substanță proteică din sânge şi limfă care intervine în procesul de coagulare. Fibrinogen ̶ substanță proteică din plasma sângelui, care se transformă în fibrină când acesta se coagulează. Guava (Psidium guajava) ̶ arbore subtropical din familia Myrtaceae cu fructe comestibile. Hematopoeză ̶ proces de formare și de maturizare a celulelor sangvine. Osteoporoză ̶ leziune osoasă caracterizată prin subțierea și rarefierea oaselor. Murul (Rubus fruticosus) ̶ arbust peren din familia Rosaceae. Piridină ̶ compus organic heterociclic cu formula chimică C5H5N. Ribitol ̶ alcool pentozic (C5H12O5) care se formează la reducerea ribozei. 187

BIBLIOGRAFIE 1. Koolman, J., Roehm, K. Color Atlas of Biochemistry. Second edition, revised and enlarged, Stuttgart, New-York, 2005.-476 p. 2. Neamţu, G., Cîmpeanu, G., Socaciu, C. Biochimie vegetală: (partea structurală). –Bucureşti: Editura didactică şi pedagogică, 1993.-347 p. 3. Nelson, D., Cox, M. Lehninger Principles of Biochemistry. Publisher: W. Freeman; 4th edition, April 23, 2004.- 1110 p. 4. Vrabie T., Musteaţă G. Biochimie. − Chişinău: U.T.M., 2006.- 234 p. 5. http: Biotin //en.wikipedia.org/wiki/Biotin 6. http: Dehydroretinal //en.wikipedia.org/wiki/Dehydroretinal 7. http: Folic acid //en.wikipedia.org/wiki/Folic_acid 8. http: List of Nobel laureates in Physiology or Medicine //en.wikipedia.org/wiki/List of Nobel laureates in Physiology or Medicine 9. http: Pantothenic acid //en.wikipedia.org/wiki/Pantothenic_acid 10. http: Niacin //en.wikipedia.org/wiki/Niacin 11. http: Retinol //en.wikipedia.org/wiki/Retinol 12. http: Riboflavin //en.wikipedia.org/wiki/Riboflavin 13. http: Thiamine //en.wikipedia.org/wiki/Thiamine 14. http: Tocopherol //en.wikipedia.org/wiki/Tocopherol 15. http: Tocotrienol //en.wikipedia.org/wiki/Tocotrienol 16. http: Vitamin A //en.wikipedia.org/wiki/Vitamin_A 17. http: Vitamin B12 //en.wikipedia.org/wiki/Vitamin_B12 18. http: Vitamin C //en.wikipedia.org/wiki/Vitamin_C 19. http: Vitamin D //en.wikipedia.org/wiki/Vitamin_D 20. http: Vitamin E //en.wikipedia.org/wiki/Vitamin_E 21. http: Vitamin K //en.wikipedia.org/wiki/Vitamin_K 22. Петров, О., Клюева, М., Малкова, О. Основы биохимии. Учебное пособие. –Иваново, 2008.48 p.

188

CAPITOLUL 10. METABOLISMUL ŞI BIOENERGETICA 10.1. Aspecte generale ale metabolismului 10.2. Sursele de energie şi carbon ale organismelor 10.3. Energia liberă şi biomoleculele macroergice 10.1. ASPECTE GENERALE ALE METABOLISMULUI Prin metabolism, în sens larg, se înţelege totalitatea transformărilor biochimice şi energetice care au loc în celulele organismelor. Metabolismul se caracterizează printr-un schimb neîntrerupt de materie şi energie între celulă şi mediul înconjurător. În momentul când schimbul de substanţe şi energie între organisme şi mediu se stopează, încetează şi viaţa. În procesele metabolice celulare participă numeroase sisteme multienzimatice care cooperează pentru a realiza următoarele [1]:  obţinerea energiei chimice din lumina solară absorbită sau din substanţele preluate din mediu;  transformarea substanţelor nutritive în substanţe celulare proprii sau în precursori intermediari ai acestor substanţe;  polimerizarea precursorilor monomeri în macromolecule polimere: acizi nucleici, proteine, poliglucide;  degradarea biomoleculelor în substanţe mai simple, cu eliberare de energie. Metabolismul este un proces complex, format din două părţi opuse: catabolism şi anabolism. Prin catabolism se înţeleg procesele de degradare a substanţelor din organism. Reacţiile catabolice se caracterizează prin eliberare de energie şi se numesc reacţii exergonice (exoterme). În cadrul catabolismului se produce în special ruperea legăturilor dintre atomii de C ̶ C sau C ̶ H din moleculele diferitor substanţe (fig. 10.1). La clivarea homolitică, fiecare atom păstrează unul din electronii legăturii, rezultaţi în urma formării radicalilor de carbon (atomi de carbon cu electroni nepereche) sau formării atomilor de hidrogen fără sarcină. La clivarea heterolitică, unul din atomi reţine ambii electroni ai legăturii. În cadrul catabolismului substanţele cu molecule complexe (proteine, acizi nucleici, poliglucide, lipide etc.) se degradează în substanţe mai simple (CO2, H2O, NH3, acetil-CoA, uree etc. ̶ fig. 10.2). Catabolismul produce energie chimică captată şi păstrată sub formă de adenozintrifosfat (ATP) şi transportori de electroni reducători (NADH, NADPH şi FADH2). Energia chimică ce se produce în urma catabolismului poate fi reutilizată în procese de biosinteză, transformată în alte forme de energie (mecanică, osmotică, electrică, luminoasă) inclusiv în energie calorică, care nu poate fi reutilizată în procese de biosinteză. Fig. 10.1. Mecanismele de clivare a legăturilor dintre atomii de C ̶ C sau C ̶ H [2]

189

Prin anabolism se înţeleg procesele chimice de biosinteză a substanţelor ce intră în componenţa materiei vii. Din substanţe simple se sintetizează substanţe complexe (acizi nucleici, proteine, enzime, hormoni, poliglucide, lipide ̶ fig. 10.2). Reacţiile anabolice se caracterizează prin consum de energie şi se numesc reacţii endergonice (endoterme). Energia necesară proceselor de biosinteză provine în cea mai mare parte din clivarea legăturilor macroergice ale diferiţilor compuşi. Catabolismul şi anabolismul se realizează printr-o succesiune a numeroase reacţii chimice cum sunt: reacţii de hidroliză, de hidrogenare, deshidratare, decarboxilare, dezaminare, transaminare, esterificare, condensare, polimerizare etc. Metabolismul celulelor se desfăşoară treptat, prin mai mulţi sau mai puţini compuşi intermediari, iată de ce se mai numeşte metabolism intermediar, iar produsele intermediare se numesc metaboliţi. Metabolismul se poate clasifica în funcţie de natura biomoleculei sau compusului metabolizat: metabolismul nucleotidelor şi al acizilor nucleici, metabolismul proteinelor, metabolismul glucidelor (glucidic), Fig. 10.2. Schema generală a metabolismului celular [2] metabolismul lipidelor (lipidic) etc. Unele din căile metabolice sunt liniare, altele sunt ramificate, generând produse finale multiple dintr-un singur precursor sau realizând transformarea unor substanţe iniţiale într-un singur produs final. De regulă, căile metabolice catabolice sunt convergente, căile anabolice sunt divergente, iar o parte din căile metabolice celulare sunt ciclice (fig. 10.3). Catabolismul şi anabolismul se desfăşoară în celule simultan şi sunt reglate independent. Echipamentul enzimatic care catalizează o anumită cale metabolică, anabolică sau catabolică, are o localizare intracelulară distinctă. Astfel, citosolul conţine enzime specifice următoarelor seturi de reacţii: glicoliza, calea pentozofosfaţilor, biosinteza acizilor graşi. Setul de enzime care catalizează reacţii din ciclul Krebs, fosforilarea oxidativă, β-oxidarea acizilor graşi, formarea corpilor cetonici este localizat în matricea mitocondrială. Enzimele necesare pentru replicarea ADN-ului, sinteza şi modificarea posttranscripţională a ARN-ului, se sintetizează pe ribozomi în citosol, însă îşi exercită acţiunea în nucleul celular. Reglarea căilor metabolice se realizează la mai multe niveluri, din interiorul şi exteriorul celulei. Cel mai simplu mecanism de reglare a metabolismului se realizează în funcţie de prezenţa substratului specific în celulă. Atunci când concentraţia intracelulară a substratului enzimatic are valoarea în jur de constanta Michaelis-Menten (Km) sau sub Km, rata reacţiilor chimice depinde direct de concentraţia celulară a substratului. Al doilea mecanism de control al metabolismului din interiorul celulei se realizează de către efectori alosterici, care se leagă de centrul alosteric al enzimei, reglând astfel activitatea acestora, şi respectiv, activitatea proceselor biochimice. Legarea acestor efectori determină modificări conformaţionale în macromolecula de enzimă şi acţionează în sensul activării sau inhibării formării complexului enzimă ̶ substrat.

190

Fig. 10.3. Tipuri de căi metabolice [2]

La organismele multicelulare activitatea metabolică în diferite ţesuturi este reglată şi de factori specifici de creştere sau hormoni care acţionează din exteriorul celulei. Legătura strânsă dintre anabolism şi catabolism se manifestă la trei niveluri:  la nivel de sursă de carbon ̶ produsele catabolismului pot fi substraturi iniţiale pentru reacţiile anabolice;  la nivel energetic ̶ în cadrul catabolismului se formează ATP şi alţi compuşi macroergici, iar anabolismul se desfăşoară cu consum de energie;  la nivel de echivalenţi reducători ̶ reacţiile catabolice sunt, de regulă, reacţii de oxidare, iar reacţiile anabolice, din contra, consumă echivalenţi reducători. Aşadar, două laturi opuse ale metabolismului, catabolismul şi anabolismul, se află în echilibru dinamic şi constituie izvorul mişcării şi dezvoltării materiei. 10.2. SURSELE DE ENERGIE ŞI CARBON ALE ORGANISMELOR Toate formele celulare de viaţă de pe Pământ se împart, după modul de utilizare a energiei, în două clase mari: organisme fototrofe şi organisme chemotrofe (fig. 10.4). Organismele fototrofe (gr. photos ̶ lumină; trophe ̶ nutriţie) folosesc ca sursă de energie lumina solară pentru sinteza substanţelor organice. Organismele chemotrofe (gr. chemo ̶ chimic; trophe ̶ nutriţie) utilizează pentru sinteza substanţelor organice energia reacţiilor de oxidare.

191

Fig. 10.4. Clasificarea organismelor în funcţie de sursele de energie şi carbon [2]

În funcţie de sursa de carbon utilizată organismele fototrofe se divizează în două grupe: fotoautotrofe şi fotoheterotrofe. Fotoautotrofele au capacitatea de a sintetiza substanţe organice pe baza energiei solare, iar în calitate de sursă de carbon utilizează CO2 din atmosferă. Donori de electroni în procesele de oxidoreducere sunt substanţele anorganice (H2O, H2S, S). Dintre organismele fotoautotrofe fac parte cianobacteriile (algele albastre-verzi), algele verzi, plantele superioare cu clorofilă. Fotoheterotrofele utilizează ca sursă de energie lumina solară, însă în calitate de sursă de carbon utilizează compuşi organici ̶ glucide, acizi graşi şi alcooli [3]. Donori de electroni în reacţiile de oxido-reducere sunt substanţele organice. Din această grupă fac parte bacteriile purpurii nesulfurice (Rhodospirillaceae), bacteriile verzi nesulfurice (Chlorobacteria). Organismele chemotrofe obţin energie din oxidările unor substanţe şi în funcţie de tipul acestora, se împart în două grupe: chemolitotrofe şi chemorganotrofe. Chemolitotrofele obţin energie din oxidarea unor substanţe anorganice simple (hidrogen sulfurat, hidrogen molecular, amoniac, săruri etc.). Trebuie de menţionat, că organismele chemolitotrofe nu utilizează în calitate de sursă de carbon exclusiv CO2, prin urmare nu pot fi considerate organisme autotrofe [2]. Donori de electroni sunt substanţe anorganice (H2S, H2, S, Fe2+, NH3), iar acceptori finali de electroni sunt O2, CO2, SO42 ̶ . Din această grupă fac parte bacteriile de sulf, bacteriile nitrificatoare şi denitrificatoare, bacteriile de fier, bacteriile de hidrogen. Chemoorganotrofele obţin energie din oxidarea substanţelor organice complexe (glucide, grăsimi, proteine). Substanţele organice sunt totodată şi o sursă de carbon pentru chemoorganotrofe. Donori de electroni în procesele de oxido-reducere sunt substanţele organice (în special glucoza), iar acceptori finali de electroni sunt O2 şi substanţele organice. Din grupa respectivă fac parte toate animalele, ciupercile, drojdiile, protozoarele şi unele bacterii. 192

Organismele heterotrofe se împart în aerobe, care folosesc oxigenul ca acceptor final de electroni şi anaerobe care folosesc ca acceptori de electroni alte substanţe. Sunt şi organisme care pot trăi în mediu aerob, folosind ca acceptor de electroni oxigenul, realizând astfel procesul de respiraţie celulară, dar pot trăi şi în mediu anaerob, utilizând în calitate de acceptori de electroni substanţe organice şi realizând procesul de fermentaţie. Astfel de organisme se numesc facultative anaerobe. Din această grupă fac parte majoritatea celulelor organotrofe (drojdii, celulele ale organismelor superioare). Atunci când în mediu este prezent oxigenul, celulele respective îl utilizează. Pentru celulele strict anaerobe oxigenul este o otravă. Între diferite organisme se stabilesc relaţii de interdependenţă nutriţională care contribuie în mare parte la circuitul carbonului, azotului, oxigenului, apei etc. în natură, în cadrul cărora organismele fotoautotrofe şi cele heterotrofe interacţionează reciproc (fig. 10.5).

Fig. 10.5. Ciclul CO2 şi O2 în biosferă la organismele fotoautotrofe şi heterotrofe [2]

Fig. 10.6. Circuitul azotului în biosferă [2]

Oxigenul produs de organismele fotoautotrofe se utilizează de către organismele heterotrofe pentru oxidarea compuşilor organici nutritivi cu formare de CO2, care la rândul său, se reutilizează de organismele fotoautotrofe în biosinteza substanţelor organice. S-a calculat că într-un an se recirculează 4 × 1011 tone de CO2 [2]. În biosferă energia solară nu este reciclată. Anual se utilizează aproximativ 1019 kcal din energia solară pentru transformarea CO2 în biomasă. În natură predomină organismele fotoautotrofe şi heterotrofe (chemoorganotrofe). Restul organismelor au o răspândire mai redusă, deşi unele din acestea cum sunt nitrobacteriile şi bacteriile fixatoare de azot au o mare importanţă în fertilizarea solului şi în realizarea circuitului azotului în natură (fig. 10.6).

193

Aşadar, în natură există un flux masiv de energie de la organismele autotrofe spre cele heterotrofe. Organismele autotrofe absorb energia luminii şi o transformă în energie chimică pe care o depozitează în molecule de ATP şi NADPH + H+. Organismele heterotrofe (chemobacterii) folosesc substanţele organice şi anorganice atât ca sursă de materii prime pentru sinteza compuşilor proprii, cât şi ca surse de energie. O parte din energia chimică obţinută din degradarea substanţelor organice se reutilizează în biosinteza altor substanţe, o parte din energie este captată în moleculele compuşilor macroergici (ATP, GTP etc.), o parte se transformă în alte forme de energie (osmotică, mecanică, electrică, luminoasă), iar o parte se pierde în mediu sub formă de căldură. 10.3. ENERGIA LIBERĂ ŞI BIOMOLECULELE MACROERGICE Bioenergetica studiază sursele energetice şi transformările de energie care au loc în celula vie. Bioenergetica are la bază principiile termodinamicii, aplicate într-un sistem biologic. Dacă sistemul schimbă materie şi energie cu mediul, el este deschis, dacă schimbă numai energie este închis, iar dacă nu este implicat în nici un schimb cu mediul, sistemul este izolat. Experimentele biochimice pot fi efectuate în oricare din aceste condiţii, dar în condiţii normale, o celulă, un ţesut, un organism viu reprezintă un sistem termodinamic deschis. Energia internă posedată de sistem, notată (E), se poate converti în lucru mecanic sau căldură. În cazul proceselor biologice care decurg la o presiune constantă, căldura schimbată cu mediul este denumită entalpie şi notată (∆H). Entalpia reflectă numărul şi tipul de legături chimice în reactanţi şi produse finale. Dacă în cadrul procesului biochimic se eliberează căldură, acesta este denumit exoterm şi entalpia are o valoare negativă ̶ ∆H < 0, iar dacă se absoarbe căldură, procesul este endoterm şi entalpia are o valoare pozitivă ̶ ∆H > 0. Entropia, notată cu (S), reprezintă expresia cantitativă a dezordinii într-un sistem. Atunci când un sistem atinge starea de echilibru în raport cu mediul el are entropie maximă. Creşterea entropiei este marcată prin ∆S > 0, iar scăderea ei prin ∆S < 0. Conceptul de energie liberă Gibbs, notată (G), înglobează capacitatea unui sistem biologic de a schimba căldura şi de a-şi modifica gradul de organizare interioară, astfel încât energia sa liberă să se încadreze în anumite limite. Aceste limite sunt date de relaţia Gibbs [1]: ∆G = ∆H ̶ T∆S (T este temperatura absolută, în °K) Energia liberă de reacţie (∆G), reprezintă variaţia energiei libere la trecerea reactanţilor în produse de reacţie şi măsoară gradul de spontaneitate al transformării [5]. Unităţile de măsură a energiei libere ∆G şi a entalpiei ∆H sunt joule/mol sau calorii/mol (1 cal = 4,184 J); unităţile de măsură a entropiei sunt joule/mol · Kelvin sau calorii/mol · K. Energia liberă de reacţie standard ̶ ∆G′0 (engl. standard free-energy change) reprezintă variaţia energiei libere într-o reacţie în care concentraţiile iniţiale ale reactanţilor şi ale produselor sunt 1M (mol/L), temperatura standard este de 25°C, presiunea 1 atm (1 atm = 101,3 kilopascali, kPa), pH = 7,0. Acest termen reflectă schimbarea energiei libere în condiţii standard şi se utilizează pentru caracteristica cantitativă atât a lanţurilor metabolice, cât şi a unor reacţii chimice. La fel ca şi în termodinamică, dacă valoarea energiei libere a unei reacţii chimice standard este negativă (∆G′0 < 0), atunci reacţia poate avea loc spontan cu eliberare de energie şi se numeşte exergonică. Dacă valoarea energiei libere a unei reacţii standard este pozitivă (∆G′0 > 0), atunci reacţia nu este spontană, se desfăşoară cu consum de energie şi se numeşte endergonică. În cazul când valoarea energiei libere de reacţie standard este egală cu 0 (∆G′0 > 0), sistemul se află în echilibru. Se cunosc reacţii ale metabolismului complet endergonice. Acestea depind de fluxul de energie din exterior (spre exemplu, energia luminii) sau de alte reacţii metabolice exergonice (spre exemplu, reacţii de oxidare).

194

În calitate de intermediar, dintre procesele legate de generarea şi utilizarea energiei, funcţionează un sistem de compuşi macroergici. Cantitatea de energie obţinută prin catabolism este stocată în compuşi macroergici prin procesul de fosforilare, denumit astfel deoarece componenta macroergică, care stochează energia rezultată, conţine grupări fosfat. Legătura care este scindată hidrolitic într-o reacţie puternic exergonică este denumită legătură macroergică şi se notează (~).Valoarea limită a energiei libere de reacţie pentru hidroliza unei legături macroergice este cea a legăturilor pirofosforice din ATP de 7,3 kcal/mol. Pentru a marca grupările fosforil se utilizează simbolul ~P (fosfat macroergic). Se deosebesc cinci tipuri principale de compuşi macroergici [8]:  ribonucleozid trifosfaţi (ATP, GTP, CTP, TTP, UTP) şi ribonucleozid difosfaţi (ADP, GDP, CDP, TDP, UDP), care cuprind două, respectiv o legătură ~P;  enolfosfaţi (acid fosfoenolpiruvic);  carboxilfosfaţi (acetilfosfat);  eteri aciltiolici (acetil coenzima A);  compuşi fosfoamidici (creatinfosfat). În centrul metabolismului energetic celular se situează sistemul adenilat ̶ adenozintrifosfatul (ATP) şi produsele de hidroliză a lui: ADP, AMP, ortofosfat anorganic (Pi), pirofosfat anorganic (PPi). Energia înmagazinată în ATP poate fi utilizată în Fig. 10.7. Bazele chimice ale eliberării de energie două moduri; prin scindarea hidrolitică a unui rest liberă asociată cu hidroliza ATP-ului [2] fosforil ATP + H2O → ADP + Pi (fig. 10.7) sau prin detaşarea acidului pirofosforic ATP + H2O → AMP + PPi. Aşadar, molecula de ATP joacă un rol esenţial în transferul energiei de la procesele exergonice la procesele endergonice, fiind cuplată în celulă cu ionul de Mg2+, cu care formează un complex (fig. 10.8 A; 10.8 B).

Fig. 10.8 A. Structura adenozintrifosfatului (ATP) [2] Fig. 10.8 B. Complexul ATP cu Mg2+ [2] * ̶ înlăturarea grupării fosforil terminale (colorată în roz) a moleculei de ATP, prin clivarea legăturii fosfoanhidridice este un proces exergonic

Molecula de ATP, cu o valoare a energiei libere de reacţie standard ∆G′0 = ̶ 30,5 kJ/mol, ocupă o poziţie intermediară între compuşii fosforici de joasă energie (valori ∆G′0 inferioare ATP-ului) şi 195

compuşi fosforici de înaltă energie (valori ∆G′0 superioare ATP-ului) (tab. 10.1 şi 10.2). ATP-ul joacă un rol unic în metabolismul energetic al celulei în calitate de transportor intermediar de grupe fosforil şi energie de la compuşi fosforici de înaltă energie la compuşi fosforici de joasă energie. Tabelul 10.1. Valorile energiei libere de reacţie standard în cadrul unor reacţii chimice la un pH = 7,0 şi 25°C (298 K) [2] Tipul reacţiei ∆G′0 (kJ/mol) (kcal/mol) Reacţii de hidroliză Anhidride acide ̶ 91.1

̶ 21.8

̶ 30.5 ̶ 45.6 ̶ 19.2 ̶ 43.0

̶ 7.3 ̶ 10.9 ̶ 4.6 ̶ 10.3

Etilacetat + H2O → etanol + acetat Glucoză 6-fosfat + H2O → glucoză + Pi Amide şi peptide

̶ 19.6 ̶ 13.8

̶ 4.7 ̶ 3.3

Glutamină + H2O → glutamat + NH4+ Dipeptidul glicinei + H2O → 2 glicină Diglucide

̶ 14.2 ̶ 9.2

̶ 3.4 ̶ 2.2

Maltoză + H2O → 2 glucoză Lactoză + H2O → glucoză + galactoză Rearanjări intramoleculare

̶ 15.5 ̶ 15.9

̶ 3.7 ̶ 3.8

Glucoză 1-fosfat → glucoză 6-fosfat Fructoză 6-fosfat → glucoză 6-fosfat Eliminarea apei

̶ 7.3 ̶ 1.7

̶ 1.7 ̶ 0.4

Malat → fumarat + H2O Oxidări cu oxigen molecular

3.1

0.8

̶ 2.840 ̶ 9.770

̶ 686 ̶ 2.338

Anhidridă acetică + H2O → 2 acetat ATP + H2O → ADP + Pi* ATP + H2O → AMP + PPi* PPi + H2O → 2Pi UDP-glucoză + H2O → UMP + glucoză 1-fosfat Esteri

Glucoză + 6O2 → 6 CO2 + 6H2O Palmitat + 23O2 → 16 CO2 + 16 H2O

* Pi ̶ ortofosfat anorganic (forma ionizată a acidului fosforic H3PO4 la un pH neutru, H2PO4 ̶ şi HPO42 ̶ ); PPi ̶ pirofosfat anorganic (P2O74 ̶ )

Se cunosc şi alţi compuşi fosforilaţi şi tioesteri care posedă o energie liberă mare de hidroliză. Spre exemplu, acidul fosfoenolpiruvic conţine o legătură macroergică enol-fosfoesterică, care este supusă procesului de hidroliză şi se formează forma enolică şi cetonică a acidului piruvic (fig. 10.9). La hidroliza fosfoenolpiruvatului, reacţie catalizată de enzima piruvatkinaza, se eliberează o cantitate mare de energie liberă standard ∆G′0 = ̶ 61.9 kJ/mol.

196

Fig. 10.9. Hidroliza fosfoenolpiruvatului (PEP) [2]

Un alt compus macroergic este 1,3-difosfogliceratul care conţine o legătură macroergică de tip acid anhidridă dintre gruparea carboxilică C1 şi acid fosforic.

Fig. 10.10. Hidroliză a 1,3-difosfogliceratului [2]

Hidroliza acestui carboxilfosfat este însoţită de eliberarea unei energii libere standard mari în valoare de ∆G′0 = ̶ 49,3 kJ/mol (tab.10.2; fig. 10.10). Produsul hidrolizei a 1,3-difosfogliceratului este acidul 3-fosfogliceric.

197

Tabelul 10.2. Valorile energiei libere standard eliberate la hidroliza unor compuşi macroergici şi biomolecule fosforilate [2] Compuşi macroergici / Tipul legăturii ∆G′0 biomolecule fosforilate (kJ/mol) (kcal/mol) Fosfoenolpiruvat Enol-fosfoesterică ̶ 61.9 ̶ 14.8 1,3-Difosfoglicerat (→ 3-fosfoglicerat + Pi) Anhidrid acidică ̶ 49.3 ̶ 11.8 Creatinfosfat Fosfoamidică ̶ 4.0 ̶ 10.3 ADP (→AMP + Pi) Anhidridică ̶ 32.8 ̶ 7.8 ATP (→ADP + Pi) Anhidridică ̶ 30.5 ̶ 7.3 ATP (→AMP + PPi) Anhidridică ̶ 45.6 ̶ 10.9 AMP (→adenozin + Pi) Anhidridică ̶ 14.2 ̶ 3.4 PPi (→ 2Pi) Anhidridică ̶ 19.2 ̶ 4.0 Glucoză 1-fosfat Esterică ̶ 20.9 ̶ 5.0 Fructoză 6-fosfat Esterică ̶ 15.9 ̶ 3.8 Glucoză 6-fosfat Esterică ̶ 13.8 ̶ 3.3 Glicerol 1-fosfat Esterică ̶ 9.2 ̶ 2.2 Acetil-CoA Tiolesterică ̶ 31.4 ̶ 7.5 Tiolesterii sunt substanţe în care un atom de oxigen din legătura esterică este substituit cu un atom de sulf şi care posedă, de asemenea, o energie liberă mare de hidroliză (tab. 10.2; fig. 10.11). Acetil-coenzima A sau acetil-CoA este unul din tiolesterii care joacă un rol major în metabolism. Un alt compus macroergic este creatinfosfatul. Acesta conţine o legătură fosfoamidică, se acumulează în muşchii animalelor şi constituie o rezervă de legături macroergice în celulă. La hidroliza legăturii P ̶ N se obţine creatină liberă, Pi şi se eliberează o cantitate mare de energie liberă standard ∆G′0 = ̶ 43.0 kJ/mol (tab.10.2; fig. 10.12).

Fig. 10.11. Hidroliza acetil-coenzimei A [2]

198

Fig. 10.12. Reacţia de hidroliza a creatinfosfatului [2]

Transferul grupelor fosforil terminale de pe moleculele de ATP pe alţi compuşi organici este catalizat de enzime care poartă denumirea de kinaze (gr. kinein ̶ a mişca, a transfera). Eterul fosforic format activează compusul acceptor şi măreşte capacitatea acestuia de reacţie. Spre exemplu, enzima hexokinaza transferă grupa terminală fosforil de pe molecula de ATP pe molecula de glucoză şi o activează prin transformarea acesteia în glucozo-6-fosfat (fig. 10.13).

Fig. 10.13. Transferul grupării fosforil de pe ATP pe o moleculă de glucoză [2]

Activarea aminoacizilor şi a acizilor graşi are loc prin scindarea ATP-ului la AMP şi PPi Aminoacid + ATP + ARNt → Aminoacil~ARNt + AMP + PPi R ̶ COOH + ATP + CoA-SH → R-CO~SCoA + AMP + PPi Aşadar, transportul de energie în sistemele biologice, în care temperatura este constantă, se realizează prin reacţii cuplate. Spre exemplu, fosforilarea glucozei se realizează pe baza energiei eliberate la hidroliza ATP-ului. Ceilalţi ribonucleozid trifosfaţi au un rol important în procesele de biosinteză. Astfel, citozintrifosfatul (CTP) constituie un substrat în sinteza moleculelor de ARN, funcţionează în calitate de coenzimă în reacţiile de sinteză a glicerofosfolipidelor şi glicolizarea proteinelor [4]. Guanozintrifosfatul (GTP) îndeplineşte împreună cu ATP-ul, un rol de sursă de energie sau activator de substraturi în reacţiile metabolice; este folosit în calitate de sursă de energie la sinteza proteinelor şi în gluconeogeneză [6]. Uridintrifosfatul (UDP) constituie un substrat pentru sinteza moleculelor de ARN în cadrul procesului de transcripţie, este o sursă specifică de energie şi un activator de substraturi în reacţiile metabolice. Bunăoară, atunci când UTP activează un substrat, se formează un complex UDP-substrat şi fosfat anorganic. UDP-glucoza iniţiază sinteza glicogenului. Uridintrifosfatul este utilizat la metabolismul galactozei, atunci când forma activată UDP-galactoză este convertită în UDP-glucoză [7]. 199

Se cunosc două sisteme de acumulare a energiei care se deosebesc după principiile corelării energetice. Primul tip de acumulare a energiei se realizează prin reacţii de fosforilare care nu necesită structuri membranare (fosforilare de substrat sau fosforilare amembranară). Spre exemplu, în cadrul proceselor de glicoliză şi fermentaţii sinteza ATP-ului se realizează prin transferul restului activ fosforil de pe produsul oxidării substratului pe ADP. Al doilea tip de acumulare a energiei se realizează în cadrul reacţiilor de fosforilare oxidativă sau fosforilare membranară. Sinteza ATP-ului, în cadrul proceselor de fotosinteză şi respiraţie aerobă, are loc prin fosforilarea ADP-ului cu fosfat anorganic pe contul energiei potenţialului electrochimic a ionilor de hidrogen pe membrană. Fosforilarea oxidativă se realizează pe partea interioară a membranelor mitocondriale, în membranele tilacoidelor cloroplastelor, în cromatoforii bacteriilor fotosintezatoare, în membranele citoplasmatice ale bacteriilor. TESTE DE EVALUARE 1. Completaţi spaţiile libere din text. 1.1. Metabolismul este un proces complex, format din:..................................................................... 1.2. Reacţiile catabolice se caracterizează prin eliberare de energie şi se numesc............................. 1.3. Reacţiile anabolice se caracterizează prin consum de energie şi se numesc................................. 1.4. Se cunosc 2 tipuri de acumulare a energiei celulare: a)...........................; b)............................. 1.5. ..................transferă grupa terminală fosforil de pe molecula de ATP pe molecula de glucoză. 2. Alegeţi răspunsul corect din două variante alternative: Da / Nu. 2.1. Catabolismul şi anabolismul se află într-un echilibru dinamic. 2.2. Bioenergetica studiază sursele energetice şi transformările de energie din celula vie. 2.3. Creatinfosfatul se acumulează în creierul animalelor. 2.4. Fosfoenolpiruvatul are o legătură macroergică anhidridică. 2.5. O parte din căile metabolice celulare sunt ciclice. 3. Alegeţi varianta sau variantele de răspuns corecte. 3.1. În cadrul catabolismului substanţele complexe se degradează în substanţe mai simple: a) CO2; b) H2O; c) NH3; d) NaCl; e) uree; f) acetil-CoA; g) H2S. 3.2. CO2 este o sursă de carbon pentru: a) animale; b) plante; c) cianobacterii; d) bacterii purpurii; e) drojdii. 3.3. Compuşi macroergici: a) ATP; b) creatinfosfat; c) acid fosfoenolpiruvic; d) ADN; e) acetilfosfat; f) tripsină. 3.4. Organisme chemolitotrofe: a) cianobacterii; b) bacterii de sulf; c) bacterii nitrificatoare; d) bacterii de fier; e) E. coli. 3.5. Tiolester: a) 1,3-difosfoglicerat; b) acetil-CoA; c) creatinfosfat; d) fosfoenolpiruvat.

200

4. Asociaţi. Compuşi macroergici / biomolecule fosforilate 1. Fosfoenolpiruvat 2. 1,3-Difosfoglicerat (→ 3-fosfoglicerat + Pi) 3. Creatinfosfat 4. ATP (→ADP + Pi) 5. Glucoză 1-fosfat 6. Acetil-CoA

Tipul legăturii A. Esterică B. Anhidrid acidică C. Tiolesterică D. Anhidridică E. Enol-fosfoesterică F. Fosfoamidică

5. Selectaţi termenul care nu se încadrează în grupul tematic prezentat şi explicaţi de ce l-aţi separat. 5.1. ATP; ADP; GDP; ARN; TTP; CTP; UTP 5.2. Legătură esterică; l. tiolesterică; l. peptidică; l. anhidridică; l. fosfoamidică. 5.3. Animale; ciuperci; drojdii; protozoare; plante. 6. Completaţi tabelul. Anabolism / Catabolism Asemănări Deosebiri 1. 1. 2. 2. 3. 3. 4. 4. 7. Scrieţi un referat la tema. 7.1. Metabolismul plastic şi energetic. 7.2. Sursele de energie şi carbon ale organismelor. 7.3. Compuşii macroergici. GLOSAR Constanta Michaelis ̶ parametru al cineticii enzimatice, care caracterizează dependenţa vitezei de reacţie de concentraţia substratului. Fosforilare ̶ transformare metabolică în adăugarea unei grupări fosfatice la un compus organic. Termodinamică ̶ ramură a fizicii care studiază relaţia dintre fenomenele mecanice şi cele calorice. Grupă fosforil ̶ grupa în care un atom de fosfor se asociază cu un atom de oxigen printr-o legătură dublă ̶ Р=O BIBLIOGRAFIE 1. Neamţu, G., Cîmpeanu, G., Socaciu, C. Biochimie vegetală: (partea dinamică). –Bucureşti: Editura didactică şi pedagogică, 1995.-350 p. 2. Nelson, D., Cox, M. Lehninger Principles of Biochemistry. Publisher: W. Freeman; 4th edition, April 23, 2004.- 1110 p. 3. http: Photoheterotroph //en.wikipedia.org/wiki/Photoheterotroph 4. http: Cytidine triphosphate //en.wikipedia.org/wiki/Cytidine_triphosphate 5. https: Compuşi-macroergici //ru.scribd.com/doc/103507060/3/Compuşi-macroergici 6. http: Guanosine triphosphate //en.wikipedia.org/wiki/Guanosine_triphosphate 7. http: Uridine triphosphate //en.wikipedia.org/wiki/Uridine_triphosphate 8. Анисимов, А., Леонтьева, А., Александрова, И., Каманина, М., Л. Бронштейн. Основы биохимии. Учебник для вузов. –Москва: Высшая школа, 1986.-551 с. 201

CAPITOLUL 11. ANABOLISMUL GLUCIDELOR 11.1. Fotosinteza 11.2. Chemosinteza 11.3. Gluconeogeneza 11.4. Biosinteza oligo-şi poliglucidelor Prin anabolismul glucidelor se înţelege biosinteza acestora în organismele vii. Plantele verzi, care reprezintă principala sursă de formare a substanţelor organice din substanţe anorganice în natură, realizează biosinteza glucidelor în cadrul procesului de fotosinteză. 11.1. FOTOSINTEZA Fotosinteza este un proces de transformare a energiei luminii în energia chimică a substanţelor organice. Cu toate că fotosinteza include un număr mare de reacţii chimice, acest proces poate fi prezentat prin următoarea reacţie generală:

Conform acestei reacţii, rezultatul fotosintezei este fixarea, dependentă de lumină, a CO2 cu reducerea lui până la glucide şi oxidarea H2O până la O2. Astfel, din punct de vedere chimic, fotosinteza este un proces de oxidoreducere, în care una din componentele ce intră în reacţie (apa) este oxidată, iar cealaltă (dioxidul de carbon) este redusă. Formarea de oxigen nu este o proprietate caracteristică tuturor organismelor fotosintetice. Unele bacterii fotosintetice (bacteriile de sulf) nu utilizeză apa în calitate de donor de hidrogen, ci alte substanţe anorganice, de exemplu H2S (sulfură de hidrogen). În acest caz, reacţia generală a fotosintezei se prezintă astfel [1]: CO2 + 2H2S → [CH2O] + H2O + S2 Aşadar, procesul de fotosinteză la diferite organisme fotosintetice poate avea loc cu participarea diferitor donori şi acceptori de ioni de hidrogen. Apariţia plantelor verzi capabile pentru fotosinteză (cca 2 mlrd de ani în urmă) a marcat un salt calitativ în evoluţia vieţii pe Pământ. Cantitatea totală de carbon, fixată în timpul anului în procesul fotosintezei, alcătuieşte aproximativ 7,8 × 1010 tone, cantitate care se compensează cu aproximativ aceeaşi cantitate de CO2 eliminată prin transpiraţie de organismele heterotrofe. Fotosinteza reprezintă sursa primară de formare a substanţelor organice. Producţia totală de substanţă organică, sintetizată de către vegetaţia planetei, calculată în glucoză, atinge aproximativ 4,5×1011 tone pe an [1]. Orice organism care nu este capabil să-şi producă singur substanţele organice trăieşte, direct sau indirect, din produsele asimilaţiei dioxidului de carbon în plantele verzi. Fotosinteza asigură existenţa vieţii prin reînnoirea rezervelor de oxigen în atmosferă. Prin acumularea unei tone de carbon plantele pun în libertate 2,7 tone de oxigen. Plantele verzi reprezintă unica sursă naturală de oxigen şi eliberează anual, în mediu, 460 mlrd. tone de oxigen [1]. Fotosinteza rămâne a fi în continuare un subiect important de cercetare pentru biologi, fizicieni, chimişti etc. Cunoaşterea mecanismelor moleculare ale fotosintezei are o importanţă mare în rezolvarea problemelor cu privire la utilizarea radiaţiei solare (de exemplu, obţinerea oxigenului şi hidrogenului molecular prin fotooxidarea apei), sporirea productivităţii fotosintetice a plantelor, asigurarea expediţiilor cosmice de lungă durată cu materie organică şi oxigen molecular etc. Organitele citoplasmatice în care se realizează fotosinteza se numesc cloroplaste (fig. 11.1), microstructuri de 5 ̶ 10 μm în lungime şi 2 ̶ 3 μm în diametru. Substanţa fundamentală a cloroplastelor, 202

numită stromă, este delimitată la exterior de o membrană dublă lipoproteică (10 ̶ 30 nm în grosime), cu un număr mare de pori.

Fig. 11.1. Structura şi localizarea cloroplastului în celula vegetală [2]

Membrana internă, lipsită de pori, formează pliuri pe direcţia axului longitudinal al cloroplastului, numite tilacoide (gr. thylacoides ̶ în formă de sac), asemănătoare cristelor din mitocondrii. Tilacoidele sunt de două tipuri: tilacoide de stromă ̶ străbat cloroplastul de la un capăt la altul şi tilacoide de grană ̶ unesc granele (gr. granum ̶ grăuncior), formaţiuni în formă de discuri suprapuse. Numărul granelor în cloroplastă şi numărul tilacoidelor în grană variază în limite mari. Un cloroplast conţine aproximativ 40 ̶ 100 de grane, iar suprafaţa totală a tilacoidelor este de 500 de ori mai mare comparativ cu suprafaţa membranei externe. Această particularitate a cloroplastelor este o adaptare pentru asimilaţia clorofiliană a carbonului în condiţiile unei concentraţii scăzute ( 1 şi se situează în diapazonul 1 ̶ 4. Cu cât substratul respirator este mai sărac în O2, cu atât mai mult oxigen va necesita acesta pentru degradare în procesul respiraţiei şi CR va avea valori mai mici. Coeficientul respirator are importanţă în procesul de germinare a seminţelor, precum şi în reglarea maturării şi păstrării fructelor. Un CR redus impune o aeraţie bună la germinarea seminţelor, spre exemplu la plantele oleaginoase. La fructele de tomate, coacăză, prun, pepene galben spre sfârşitul creşterii când încă se formează acizii organici CR = 0,85, iar în faza de maturare CR = 2,7. Procesul de respiraţie celulară constă din trei stadii:  Glicoliza (calea Embden ̶ Meyerhof ̶ Parnas) şi producerea de acetil-CoA;  Ciclul Krebs sau ciclul acizilor tricarboxilici (CAT);  Fosforilarea oxidativă şi lanţul transportor de electroni (LTE). Tabelul 12.1. Caracteristica comparativă a respiraţiei şi a fotosintezei [2] Caracteristica Respiraţia Fotosinteza C6H12O6 + 6O2→6CO2↑+ 6H2O + 38ATP 6CO2 + 6H2O → C6H12O6 + 6O2↑ Reacţia sumară Metabolismul Reacţii de descompunere oxidativă a Reacţii de sinteză a substanţelor substanţelor organice organice din substanţe anorganice Produsele iniţiale Glucide, proteine, lipide etc. CO2 şi H2O Produsele finale CO2 , H2O şi ATP Glucide, O2 Localizarea Citoplasmă, mitocondrii Cloroplaste Etapele  Glicoliza (citoplasmă)  Faza de lumină (granele cloroplastului)  Ciclul Krebs (mitocondrii)  Faza de întuneric  Fosforilarea oxidativă (stroma cloroplastului) (mitocondrii) Particularităţile Mitocondrii Cloroplaste organitelor:  Membrane  două ̶ internă şi externă  două ̶ internă şi externă  Formaţiuni  criste  tilacoide  Mediul intern  matrice  stromă  Autonomie  posedă un aparat genetic  posedă un aparat genetic  Funcţia  descompunerea oxidativă a  asimilarea energiei solare şi substratului; sinteza ATP-ului şi a transformarea ei în energie chimică apei LTE Un lanţ transportor de electroni (LTE) Două lanţuri transportoare de în care se realizează fosforilarea electroni: în primul se realizează oxidativă a moleculelor de NADPH, deplasarea descendentă a NADP (3 molecule de ATP) şi FADH, electronilor ce determină FMNH (2 molecule de ATP) transportul protonilor în spaţiul intratilacoidal; al doilea transferă electronii la NADP+ Formarea Fosforilare: Fotofosforilare: ATP-ului  de substrat  ciclică  oxidativă  aciclică

232

Importanţa respiraţiei. Oxidarea biologică contribuie la formarea unor produse intermediare, care sunt utilizate în procesele de sinteză a altor compuşi celulari. Astfel, în ciclul Krebs se formează acizi organici, care se utilizează în diferite cicluri metabolice. În procesul respiraţiei în mitocondrii se acumulează energia degradării substratului organic. Cea mai mare parte de energie chimică eliberată se înmagazinează în legăturile macroergice ale compuşilor fosfatici de tipul ATP (65%). Astfel, la plante această energie se utilizează în toate procesele vitale care necesită energie metabolică ̶ la reducerea nitraţilor, la absorbţia apei şi a sărurilor minerale, la sinteza substanţelor organice, la mişcarea plantelor, la creşterea şi dezvoltarea organismelor în general. O cantitate relativ mică din energia eliberată se utilizează pentru menţinerea structurii protoplasmei celulei vii. O altă parte din energia eliberată în cadrul procesului de respiraţie se transformă în energie mecanică, folosită în realizarea mişcării. Eliberarea energiei chimice şi procesul de formare a ATP-ului poartă denumirea de energogeneză, iar degajarea de energie calorică ̶ termogeneză. 12.2. GLICOLIZA Glicoliza (din gr. glykys ̶ dulce, lysys ̶ descompunere) reprezintă prima etapă a procesului de respiraţie celulară, prin care o moleculă de glucoză este scindată în două molecule de acid piruvic. Este un proces anaerob localizat în citosol şi în cloroplaste. Glicoliza se desfăşoară la toate organismele de pe Pământ, anaerobe şi aerobe. Procesul de glicoliză a fost descoperit de cercetătorii Gustav Embden, Otto Meyerhof, Jakub Parnas şi se mai numeşte calea Embden ̶ Meyerhof ̶ Parnas (calea EMP). Mecanismul iniţial al respiraţiei este identic la plante, animale şi microorganisme. Prima etapă a respiraţiei, în cadrul căreia hexozele se descompun până la acidul piruvic se bazează pe reacţii identice pentru toate organismele vii, însă căile metabolice ulterioare sunt diferite. În condiţii anaerobe acidul piruvic este supus degradării prin fermentaţie, iar în condiţii aerobe – prin ciclul Krebs (fig. 12.1). În cazul în care celula nu necesită energie, poate avea loc resinteza hexozelor.

Fig. 12.1. Căile metabolice posibile ale acidului piruvic ̶ produs al glicolizei [17]

Între anii 1912 ̶ 1928, biochimistul rus Serghei Kostychev a demonstrat legătura dintre respiraţie şi fermentaţie, la nivelul acidului piruvic. Acest acid reprezintă o jumătate din molecula de

233

glucoză şi constituie placa fundamentală a metabolismului celular atât pentru procesele catabolice, cât şi pentru cele anabolice. Glicoliza constă din două stadii: pregătitor şi oxidativ. În stadiul pregătitor al glicolizei are loc activarea hexozelor prin două fosforilări cu consumarea a două molecule de ATP şi descompunerea hexozelor fosforilate până la două fosfotrioze: aldehida-3fosfoglicerică şi fosfodihidroxiacetonă (fig. 12.2).

Fig. 12.2. Etapa pregătitoare a glicolizei: fosforilarea glucozei şi transformarea acesteia în aldehidă 3-fosfoglicerică [6]; * ̶ 1 ̶ hexokinaza; 2 ̶ fosfohexozoizomerază; 3 ̶ fosfofructokinază-1; 4 ̶ aldolază; 5 ̶ triozofosfatizomerază

La etapa I a glicolizei, glucoza este activată prin fosforilare la atomul C6, formându-se glucozo6-fosfat (fig. 12.3). Această reacţie este catalizată de enzima hexokinaza, iar donor de grupă fosforil este molecula de ATP.

Fig. 12.3. Reacţia de fosforilare a glucozei [6]

Fig. 12.4. Reacţia de izomerizare a glucozei 6-fosfat [6]

234

La etapa a II-a se produce izomerizarea reversibilă a esterului glucozo-6-fosforic în ester fructozo-6-fosforic, reacţie catalizată de enzima fosfohexozoizomeraza (fig. 12.4). Reacţia necesită prezenţa ionilor de magneziu. La etapa a III-a se produce fosforilarea esterului fructozo-6-fosforic şi se formează esterul fructozo-1,6-difosforic (fig. 12.5). Enzima fosfofructokinaza-1 (PFK-1) catalizează transferul grupei fosforil de la ATP la fructoză 6-fosfat. Reacţia este puternic exergonică, ireversibilă şi necesită prezenţa ionilor de magneziu.

Fig. 12.5. Reacţia de fosforilare a fructozei 6-fosfat [6]

Fig. 12.6. Reacţia de scindare a fructozei 1,6-difosfat [6]

Fig. 12.7. Reacţia de izomerizare a fosfodihidroxiacetonei [6]

La etapa a IV-a se realizează scindarea esterului fructozo-1,6-difosforic în două fosfotrioze, sub acţiunea enzimei aldolaza (fig. 12.6). În rezultatul reacţiei se formează fosfodihidroxiacetonă şi aldehidă 3-fosfoglicerică. Trebuie de menţionat că doar aldehida 3-fosfoglicerică poate fi degradată direct în etapele următoare ale glicolizei. La etapa a V-a fosfodihidroxiacetona este transformată rapid şi reversibil în aldehidă 3fosfoglicerică (fig. 12.7). Cu această etapă se încheie stadiul pregătitor al glicolizei. În stadiul oxidativ al glicolizei două molecule de fosfotrioze (aldehidă 3-fosfoglicerică) se oxidează până la acidul piruvic. Oxidarea este însoţită de fosforilări de substrat şi generarea energiei în forma de NADH + H+ şi ATP (fig. 12.8).

235

Fig. 12.8. Stadiul oxidativ al glicolizei: transformarea oxidativă a aldehidei 3-fosfoglicerice în acid piruvic şi sinteza ATP şi NADH [6]; * ̶ fosforilare de substrat; 6 ̶ aldehidă 3-fosfoglicerică dehidrogenază; 7 ̶ fosfogliceratkinază; 8 ̶ fosfogliceratmutază; 9 ̶ enolază; 10 ̶ piruvatkinază

La etapa a VI-a are loc un proces de oxido-reducere. Se produce fosforilarea oxidativă a aldehidei 3-fosfoglicerice în acid 1,3-difosfogliceric, reacţie catalizată de enzima gliceraldehid 3fosfatdehidrogenază (fig. 12.9). Gruparea aldehidică a aldehidei 3-fosfoglicerice se oxidează în gruparea COOH a acidului 1,3-difosfogliceric, iar NAD+ se reduce în NADH. Pe baza energiei degajate se formează legătura macroergică a acidului 1,3-difosfogliceric. Astfel, în cadrul acestei reacţii se realizează o fosforilare de substrat. La etapa a VII-a, acidul 1,3-difosfogliceric se transformă printr-o reacţie de defosforilare în acid-3-fosfogliceric (fig. 12.10). Gruparea fosforil macroergică a acidului 1,3-difosfogliceric este transferată din poziţia C1 pe o moleculă de ADP, formându-se o moleculă de ATP. Reacţia se petrece în prezenţa ADP-ului, a ionilor de magneziu şi sub acţiunea enzimei fosfogliceratkinazei.

236

Fig. 12.9. Reacţia de oxidare a aldehidei 3-fosfoglicerice [6]

Fig. 12.10. Reacţia de formare a acidului 3fosfogliceric [6]

La etapa a VIII-a se realizează transformarea acidului 3-fosfogliceric în acid 2-fosfogliceric (fig. 12.11). Reacţia este catalizată de enzima fosfogliceratmutaza.

Fig. 12.11. Reacţia de tansformare a acidului fosfogliceric în acid 2-fosfogliceric [6]

3-

Fig. 12.12. Reacţia de dehidratare a acidului 2fosfogliceric [6]

La etapa a IX-a se produce transformarea acidului 2-fosfogliceric prin eliminarea unei molecule de apă, cu formarea unui compus macroergic instabil ̶ acidul fosfoenolpiruvic (PEP ̶ fig. 12.12). Reacţia este catalizată de enzima enolaza, în prezenţa ionilor de magneziu. În cadrul acestei reacţii are loc o altă fosforilare de substrat. La etapa a X-a, ultima etapă a glicolizei, se realizează transferul grupării fosforil de la acidul 2fosfoenolpiruvic la ADP, cu formare de acid piruvic şi ATP (12.13). Reacţia de defosforilare a acidului 2-fosfoenolpiruvic este catalizată de enzima piruvatkinază, este ireversibilă, are loc în prezenţa ionilor de Mg2+, K+ şi a ADP-ului.

237

Fig. 12.13. Reacţia de formare a acidului piruvic şi a ATP-ului [6]

Fig. 12.14. Reacţia reversibilă de tautomerizare a acidului enolpiruvic [6]

Acidul 2-fosfoenolpiruvic se transformă iniţial în acid enolpiruvic, iar acesta prin tautomerizare trece rapid şi neenzimatic în acid cetopiruvic (fig. 12.14), formă care predomină la un pH = 7,0. Reacţia generală a glicolizei poate fi reprezentată astfel [6]: C6H12O6 + 2NAD+ + 2ADP + 2Pi → 2CH3COCOOH + 2NADH + 2H+ + 2ATP + 2H2O Aşadar, procesul de glicoliză se încheie cu formarea a două molecule de acid piruvic dintr-o moleculă de glucoză. Din glicoliză rezultă două molecule de NADH + H+ şi patru molecule de ATP, dintre care două se consumă la activarea hexozelor prin fosforilare. După formarea acidului piruvic, glucidele se pot degrada în continuare fie anaerob, prin glicoliză sau fermentaţii, fie aerob, prin ciclul Krebs. La animale şi la unele plante acidul piruvic se transformă în acid lactic (fig. 12.15). Acidul piruvic este redus în acid lactic cu ajutorul NADH+H+ului, format prin oxidarea aldehidei 3fosfoglicerice în acid 1,3-difosfogliceric. Acidul lactic este un produs final al glicolizei în ţesutul muscular la animale, la efortul fizic excesiv. În condiţii anaerobe acidul lactic se poate transforma doar în acid piruvic. Din muşchi o parte din acidul lactic pătrunde prin sânge în ficat unde, în faza aerobă a respirației, se oxidează în Fig. 12.15. Reducerea acidului piruvic în acid lactic [6] CO2 şi H2O. .

238

Din acidul piruvic rezultat din glicoliză, prin transformări anaerobe, se pot obţine diferite substanţe care se acumulează în fructele coapte. Bunăoară, în fructe şi legume (pere, mere, prune, tomate, pepene galben şi verde etc.), în perioada de coacere se acumulează alcool etilic (fig. 12.16). În acest caz, acidul piruvic prin decarboxilare formează ireversibil aldehidă acetică, care prin reducere formează alcoolul etilic. Glicoliza joacă un rol important în metabolismul celular [18]: 1) este etapa iniţială şi comună a respiraţiei aerobe şi a fermentaţiei; Fig. 12.16. Legătura dintre glicoliză şi acumularea alcoolului etilic 2) stabileşte legătura dintre substratul respirator şi ciclul Krebs; în fructele coapte [9] 3) generează 2 molecule de ATP şi 2 de NADH + H+ la fiecare moleculă de hexoză; 4) produce o serie de substanţe intermediare ce pot fi utilizate în diferite cicluri metabolice; 5) reprezintă o cale independentă de sinteză a ATP şi NADH + H+ în cloroplaste. Glicoliza este răspândită la microorganismele care pot exista în lipsa oxigenului şi îşi dobândesc energie în cadrul fermentaţiei; este frecventă în celulele ţesuturilor cu o concentraţie scăzută a oxigenului liber (ţesutul muscular). 12.3. FERMENTAŢIILE Procesul de descompunere anaerobă de către microorganisme a substanţelor organice în produse intermediare cu eliberare de energie se numeşte fermentaţie. Din punct de vedere filogenetic, fermentaţia este cea mai veche formă de catabolism pe Pământ [28]. Printre organismele care îşi primesc cea mai mare parte de ATP din fermentaţii sunt microorganismele ̶ bacteriile şi ciupercile. Fermentaţiile sunt cunoscute de om din cele mai vechi timpuri. Ele au fost utilizate la producerea băuturilor alcoolice, la obţinerea brânzeturilor, pentru panificaţie etc. Însă doar la mijlocul sec. XIX microbiologul francez Louis Pasteur a stabilit legătura dintre celulele microscopice de levuri şi procesul de fermentaţie, demonstrând astfel că fermentaţia este un proces biologic. Louis Pasteur a descoperit că levurile transformă glucidele din must în alcool etilic şi dioxid de carbon, deşi mecanismul fermentaţiei a fost evidenţiat mai târziu, în sec. XX de către cercetătorii Gustav Embden, Otto Meyerhof şi Jakub Parnas [26]. La sfârşitul sec. XIX Eduard Buchner a stabilit că fermentaţia se poate Louis Pasteur realiza şi în lipsa celulelor vii de levuri, în extracte acelulare de drojdii. Astfel, s-a constatat că reacţiile biochimice pot fi realizate în condiţii in vitro. Pentru descoperirea fermentaţiei acelulare lui Eduard Buchner i s-a decernat premiul Nobel pentru chimie în 1907 [13]. În industria alimentară se folosesc un şir de procese fermentative (tab. 12.2): alcoolică, lactică, propionică, acetică, citrică, butirică, gluconică, oxalică, fumarică etc.

239

Tabelul 12.2. Procese fermentative utilizate în industria alimentară [3] Microorganisme Fermentaţii anaerobe şi Microorganisme Fermentaţii aerobe şi produse de fermentaţie produse de fermentaţie Saccharomyces Alcoolică Acetobacter Acetică (alcool etilic, CO2) (acid acetic, H2O) Lactobacillus, Lactică Gluconobacter Gluconică Streptococcus (acid lactic, diacetil) Aspergillus niger (acid gluconic) Propionibacterium Propionică (acid propionic, Aspergillus niger Citrică acid acetic, CO2) (acid citric) Clostridium Butirică Aspergillus niger Oxalică, fumarică (acid butiric, CO2, H2) (acid oxalic, acid fumaric) Degradările fermentative sunt de două tipuri: anaerobe (în lipsa oxigenului molecular) şi aerobe (în prezenţa oxigenului).

Fermentaţiile anaerobe Microorganismele obţin energie în urma diferitor fermentaţii anaerobe, care coincid cu glicoliza în majoritatea reacţiilor. Energia se generează sub formă de NADH + H+ şi ATP. În fermentaţii anaerobe ca şi în glicoliză O2 nu este acceptorul final al electronilor şi se realizează o oxidare incompletă a glucozei. Principalele tipuri de fermentaţii anaerobe sunt următoarele: alcoolică, lactică, malolactică, propionică, butirică, metanică. 1. Fermentaţia alcoolică este un proces anaerob prin care glucidele fermentescibile sunt metabolizate prin reacţii de oxidoreducere, sub acţiunea echipamentului enzimatic al levurilor, în produse principale (alcool etilic şi CO2) şi produse secundare (alcooli superiori, acizi, aldehide etc.). Dintre monoglucide fermentează uşor glucoza, manoza şi fructoza, iar galactoza ̶ mult mai greu. Restul hexozelor şi pentozelor nu fermentează sub acţiunea drojdiilor, însă sunt degradate de alte microorganisme. Monoglucidele fermentează direct, iar diglucidele şi poliglucidele numai după transformarea acestora în monoglucide. Reacţiile care au loc în fermentaţia alcoolică sunt determinate de enzimele din celulele levurilor sau din extractele din levuri, dar trebuie de menţionat că fermentaţia cu extracte din levuri are un randament mai scăzut [5]. Levurile utilizate în fabricarea alcoolului etilic fac parte din genul Saccharomyces, cu reprezentanţii: Saccharomyces cerevisiae (fig. 12.17), Saccharomyces acidifaciens, Saccharomyces chevalieri, Saccharomyces elegans, Saccharomyces ellipsoideus, Saccharomyces fructuus, şi Saccharomyces ludwigii. Levurile sunt ciuperci unicelulare, de formă ovală, care se înmulţesc prin înmugurire. În funcţie de originea lor acestea se împart în drojdii selecţionate şi sălbatice. Levurile sălbatice au o activitate mai slabă decât cele Fig. 12.17. Structura levurii selecţionate. Acest fapt a determinat ca în sistemul industrial de Saccharomyces cerevisiae [4]; * ̶ RE ̶ reticul endoplasmatic; PC ̶ perete celular producere a alcoolului să fie utilizate levuri selecţionate în laborator după capacitatea lor mărită de fermentaţie şi adaptare la viaţa anaerobă. Unele levuri din genul Zygosaccharomyces sunt rezistente la concentraţii mari de zahăr şi asigură fermentarea alcoolică a mierii sau a siropurilor. Pe lângă levuri, şi unele bacterii (Bacillus macerans, Bacillus gracile, Bacillus etilicus) sau mucegaiuri (Amylomyces rouxii, Mucor eumycetes, Mucor racemosus, Rhizopus orizae, Dematium 240

pullulans, Aspergillus orizae, Penicillium glaucum) sunt capabile să producă prin fermentaţie alcool etilic [1]. Însă aceste microorganisme produc cantităţi mai reduse de alcool etilic comparativ cu levurile şi nu sunt considerate agenţi tipici. La producerea băuturilor alcoolice se folosesc diferite substraturi de fermentare. Spre exemplu, la fabricarea berii se foloseşte maltoza din mustul de malţ, obţinută din amidonul boabelor de orz (fig. 12.18), iar la fabricarea vinului se utilizează glucoza şi fructoza din mustul de struguri.

Fig. 12.18. Schema generală a tehnologiei de producere a berii [4]

Mecanismul fermentaţiei alcoolice este identic cu cel al glicolizei, până la etapa formării acidului piruvic. Acidul piruvic în cadrul fermentaţiei alcoolice se decarboxilează ireversibil, sub acţiunea enzimei piruvatdecarboxilaza şi se transformă în aldehidă acetică (fig. 12.19), care la rândul său, este redusă în alcool etilic de alcooldehidrogenază, a cărei coenzimă este NADPH + H+.

Fig. 12.19. Reacţia de transformare a acidului piruvic în alcool etilic şi CO2 [6]

Produsele finale de bază ale fermentaţiei alcoolice sunt alcoolul etilic şi dioxidul de carbon, iar reacţia generală a procesului poate fi prezentată astfel [6]: C6H12O6 + 2ADP + 2Pi → 2C2H5OH + 2CO2 + 2ATP + 2H2O Pe lângă produsele de bază ale fermentaţiei alcoolice se formează şi cantităţi neînsemnate de produse secundare: glicerină, aldehidă acetică, fosfodihidroxiacetonă, acid acetic, acid lactic, acid succinic, alcool izobutilic, alcool izoamilic, alcool amilic etc. Amestecul de alcooli superiori are un miros şi gust specific şi se numeşte ulei de fuzel. Aroma şi buchetul băuturilor alcoolice sunt determinate de prezenţa poduselor secundare ale fermentaţiei. Cea mai potrivită pentru majoritatea levurilor este concentraţia zahărului de 10 –15% [7]. Procesul de fermentaţie alcoolică, produs de Saccharomyces cerevisiae, se opreşte când concentraţia de alcool este de 14%, deoarece acest tip de levuri nu se pot înmulţi la concentraţii mai mari de alcool. 241

Saccharomyces bayanus este o specie de levuri care pot tolera concentraţii mai mari de alcool ̶ 17 ̶ 20% şi sunt folosite pentru producerea vinurilor tari [26]. Dacă mediul de fermentare este puternic aerat atunci are loc efectul Pasteur, prin care se observă conversiunea fermentaţiei în respiraţie. Oxidarea substratului se face până la produsele finale CO2 şi H2O. 2. Fermentaţia lactică este un proces de transformare a glucidelor (mono-şi diglucide) în acid lactic, sub acţiunea microorganismelor. Monoglucidele participante la fermentaţia acidolactică sunt glucoza şi alte hexoze (fig. 12.20), iar diglucidele fermentate sunt zaharoza şi lactoza. Fermentaţia lactică este provocată de activitatea enzimatică a unor bacterii. Bacteriile producătoare de acid lactic pot fi homofermentative (produc numai acid lactic) sau heterofermentative (produc, pe lângă acid lactic, CO2, etanol sau acid propionic) [1]. Bacteriile lactice homofermentative se izolează frecvent din lapte (Lactobacillus casei, Lactobacillus plantarum), iar cele heterofermentative cu importanţă alimentară se izolează frecvent din vin (Lactobacillus buchnerii), bere (Lactobacillus pastorianus), varză murată (Lactobacillus brevis), melasă (Lactobacillus buchnerii) şi lapte (Lactobacillus brevis). Termobacteriile lactice homofermentative se izolează frecvent din iaurt (Lactobacillus Fig. 12.20. Reacţia de transformare a acidului piruvic în thermophilus şi Lactobacillus bulgaricus) şi din acid lactic [20] plămezi de cereale (Lactobacillus delbruckii). Alte bacterii acidolactice mai răspândite sunt Leuconostoc mesenteroides, Pediococcus cerevisiae, Streptococcus lactis, Bifidobacterium bifidus. Fermentaţia lactică are numeroase aplicaţii practice în industria laptelui, la prepararea iaurtului, a cumâsului, chefirului, la producerea murăturilor, în industria de panificaţie, farmaceutică, textilă, de pielărie etc. O mare importanţă se acordă fermentaţiei lactice la însilozarea furajelor, la prepararea măslinelor pentru consum, la producerea industrială a acidului lactic. Laptele acru se prepară folosind activitatea enzimatică a bacteriilor Streptococcus lactis, Lactobacillus bulgaricus (fig. 12.21) şi Bacterium acidophilum [5]. La prepararea iaurtului se utilizează bacteriile Lactobacillus bulgaricus şi Streptococcus thermophilus. În USA în conformitate cu prevederile legislaţiei toate iaurturile trebuie să conţină în mod obligatoriu ambele culturi de bacterii [21]. 3. Fermentaţia malolactică este un proces biochimic prin care acidul malic din fructele necoapte este transformat în acid lactic şi dioxid de carbon de către microorganisme (Oenococcus oeni, Streptococcus mucilaginosus vini, Streptococcus malolacticus, Micrococcus multivorax, Micrococcus malolacticus, Fig. 12.21. Bacterii producătoare de acid lactic Micrococcus variococcus, Bacterium gracile, Pediococcus vini). şi acid propionic [4] În urma fermentaţiei malolactice are loc reducerea conţinutului de acid malic, a acidităţii fructelor cu peste 30% [1], a acidităţii vinurilor. Pe lângă aceasta, acest proces măreşte stabilitatea 242

biologică a vinurilor, prin evitarea unei eventuale fermentaţii malolactice nedorite în vinurile îmbuteliate şi ameliorează gustul şi aroma vinurilor. Transformarea acidului malic în acid lactic şi dioxid de carbon se realizează conform reacţiei generale: HOOC ̶ CH2 ̶ CHOH ̶ COOH → CH3 ̶ CHOH ̶ COOH + CO2 Acid malic Acid lactic Decarboxilarea acidului malic cu formare de acid lactic se realizează printr-o succesiune de reacţii prin care, sub acţiunea enzimei malatdehidrogeneza, în prezenţa difosfopiridinnucleotidei (DPN) şi a ionilor de Mg2+, din acid malic se obţine acid oxaloacetic. Din acidul oxalacetic sub acţiunea enzimei oxalacetatdecarboxilaza se obţine acid piruvic, iar acesta este redus de lactatdehidrogenază în acid lactic şi dioxid de carbon. 4. Fermentaţia propionică este un proces biochimic anaerob de transformare a unui substrat glucidic sau a acidului lactic în acid propionic (C3H6O2) sub acţiunea unor bacterii propionice din familia Propionibacteriaceae, genul Propionibacterium [24]. Din hexoze se obţine acid propionic, acid acetic, CO2, apă şi energie [5]: 3C6H12O6 → 4CH3CH2COOH + 2CH3COOH + 2CO2 + 2H2O + Energie Reacţia generală de fermentare a acidului lactic în acid propionic se prezintă astfel [7]: 3CH3CHOHCOOH → 2CH3CH2COOH + CH3COOH + CO2 + H2O + Energie Fermentaţia propionică, alături de fermentaţia lactică, joacă un rol important în prepararea caşcavalurilor elveţiene tari, cu goluri interioare şi calităţi organoleptice superioare. Bunăoară, la producerea caşcavalului elveţian Emmentaler (fig. 12.22) se utilizează trei tipuri de bacterii: Streptococcus thermophilus, Lactobacillus helveticus şi Propionibacterium freudenreichii subspecia shermanii. Bacteriile propionice consumă acidul lactic produs de bacteriile lactice, produce bule de CO2 care formează incluziunile alveolare Fig. 12.22. Caşcaval elveţian caracteristice caşcavalului elveţian [24]. Emmentaler [16] Prezenţa bacteriilor propionice la maturarea pâinii determină o fermentaţie suplimentară, cu transformarea acidului lactic în acid propionic şi dioxid de carbon ceea ce duce la creşterea pâinii şi obţinerea unui gust mai bun. 5. Fermentaţia butirică este un proces de degradare a glucidelor în acid butiric (C4H8O2). Din hexoze, alături de acid butiric se formează CO2 şi H2 [5]: C6H12O6 → CH3 ̶ CH2 ̶ CH2 ̶ COOH + 2CO2 + H2 Fermentaţia butirică a fost descoperită de Louis Pasteur în 1861 [10]. Exemple de specii bacteriene producătoare de acid butiric sunt Clostridium butyricum, Clostridium kluyveri, Clostridium pasteurianum, Fusobacterium nucleatum, Butyrivibrio fibrisolvens, Eubacterium limosum, Amylobacter butiricum etc. În anul 1910 Chaim Weizmann a descoperit că bacteria Clostridium acetobutyricum fermentează amidonul în acid butiric şi acetonă [6]. Fermentaţia butirică este folosită la scară industrială pentru producerea acidului butiric, a acetonei şi a alcoolului butilic, folosindu-se ca materie primă porumbul. În condiţii naturale, fermentaţia butirică se produce în cantitate mare pe fundul bălţilor, în solurile mlăştinoase, în nămoluri, în toate locurile unde pătrunderea oxigenului nu este posibilă sau este limitată.

243

6. Fermentaţia anaerobă metanică este procesul de degradare anaerobă de către microorganisme a unor reziduuri (deşeuri animaliere, menajere, biomasă vegetală etc.) cu tranformarea lor în metan, hidorgen şi alte hidrocarburi. În cadrul fermentaţiei metanice se obţine o cantitate mare de energie, prin urmare aceasta poate fi folosită la fermele şi gospodăriile rurale prin utilizarea unor instalaţii de captare a biogazului rezultat. Biomasa obţinută în urma acestei fermentaţii constituie un îngrăşământ natural, ecologic, cu conţinut foarte ridicat de humus, compuşi azotaţi şi carbon. Principalele grupe de microorganisme capabile de fermentaţie anaerobă metanică sunt:  grupa bacterilor anaerobe din genurile Bacteroides, Clostridium, Ruminococcus şi Butyrivibrio şi a bacterilor facultativ anaerobe (Escherichia coli, Bacillus) ce degradează celuloza, proteinele sau alţi biopolimeri cu formare de H2, CO2, acid formic, acid butiric, acid propionic, alcool etilic şi alcool metilic;  grupa microorganismelor care degradează produsele în aldehidă acetică activată: Syntrophobacter, Syntrophomonas, Desulfovibrio;  grupa bacterilor metanogene care degradează substratul reprezentat de metaboliţii din primele două etape (H2, CO2, acizi, alcooli etc) în metan.

Fermentaţiile aerobe Fermentaţiile aerobe (oxidative) se realizează în prezenţa oxigenului atmosferic şi produc un şir de acizi organici (acid acetic, acid citric, acid succinic, acid fumaric etc). Aceste fermentaţii nu trebuie confundate cu respiraţia aerobă, în care substanţele sunt oxidate complet până la CO2 + H2O, cu degajare de energie. 1. Fermentaţia acetică reprezintă un proces aerob prin care din alcoolul etilic microorganismele produc acid acetic. Bacteriile acetice, principalii agenţi ai fermentaţiei acetice, sunt încadrate taxonomic în familia Acetobacteraceae (AAB), care include genurile Acetobacter, Acidomonas, Glucanacteoobacter, Glucanobacter, Kozakia etc [8]. Bacteriile acetice sunt asporulate şi gram negative. Unele dintre acestea au fost izolate din plămezi amidonoase (Gluconobacter suboxidans, Acetobacter industrium), bere (Acetobacter kutzingianum, Acetobacter pasteurianum) şi vin (Acetobacter ascendens, Acetobacter teurianum), iar altele sunt folosite ca bacterii acetice industriale (Bacterium acetigenum). La scară industrială fermentaţia acetică este utilizată pentru obţinerea oţetului, un produs alimentar destinat marinării unor produse culinare sau conservării fructelor şi legumelor. Unei fermentaţii acetice sunt supuse şi boabele de cacao pentru a se obţine aroma şi alte caracteristici specifice. Reacţia generală a fermentaţiei acetice poate fi prezentată astfel [5]: C2H5OH + O2 → CH3COOH + H2O + 117 kcal/mol Dacă fermentaţia acetică pleacă de la glucoză, mecanismul biochimic al acesteia este acelaşi ca şi la fermentaţia alcoolică, până la formarea aldehidei acetice. Aceasta se oxidează în acid acetic şi nu se reduce la alcool etilic, ca în cazul fermentaţiei alcoolice. Fermentaţia acetică se poate desfăşura şi în condiţii anaerobe, fiind provocată de bacteria Escherichia coli şi de alte microorganisme care determină descompunerea celulozei. Din hexoze se obţine acid acetic şi o cantitate mică de energie [5]: C6H12O6 → CH3COOH + 15 kcal/mol Fermentaţia acetică anaerobă este mai puţin răspândită în natură, însă are o mare importanţă în descompunerea substanţelor organice şi în fertilizarea solului.

244

Trebuie de menţionat că acidul acetic poate fi produs şi de bacteriile lactice (Lactobacillus, Pediococcus, Oenococcus), care transformă glucoza în acid acetic. 2. Fermentaţia citrică reprezintă un proces de transformare a glucozei în acid citric şi apă, descoperit de C. Wehmer în 1893 [12]. Acidul citric (sarea de lămâie) este cel mai utilizat acid organic în industria alimentară. Este folosit, de asemenea, în industria textilă şi farmaceutică. Acest tip de fermentaţie poate fi produs de mucegaiuri, drojdii şi bacterii, însă interes economic prezintă numai fermentaţia citrică produsă de unele ciuperci ale genurilor Citromyces şi Aspergillus, care determină transformarea glucidelor în acid citric [7]: 2C6H12O6 + 3O2 → 2C6H8O7 + 4H2O + Energie Se consideră, că mecanismul acestei reacţii este acelaşi cu cel al fermentaţiei alcoolice până la formarea aldehidei acetice, care însă prin oxidare formează acid glicolic. Din trei molecule de acid glicolic se formează acid citric şi se eliberează două molecule de apă. Cel mai frecvent utilizat micoorganism în producerea acidului citric este mucegaiul aerob obligat Aspergillus niger. Randamentul obţinerii acidului citric depinde de speciile microbiene, substratul utilizat şi gradul de aerare a culturii. Cel mai înalt randament de producere a acidului citric (90 ̶ 100%) se obţine la utilizarea zaharozei pe care se cultivă anumite specii de Aspergillus, Penicillium şi Rhisopus. În producerea acidului citric pot fi utilizate ca sursă de carbohidraţi melasa de sfeclă sau de trestie de zahăr, glucoza, hidrolizate de amidon etc. În ultima perioadă de timp, acidul citric se produce din diferite materii prime cu ajutorul drojdiilor Candida şi Hansenula [1]. 3. Fermentaţia oxalică este un proces biochimic prin care substratul (glucide, glicerină, acid citric, acid succinic, acid malic, acid tartric, acid acetic, alcooli etc.) este degradat până la acid oxalic, sub acţiunea diferitor ciuperci şi bacterii. Transformarea acidului acetic în acid oxalic se realizează prin intermediul acidului glicolic şi al acidului glioxilic [5]. Cel mai bun substrat de fermentaţie pentru obţinerea acidului oxalic este zaharoza. Sub acţiunea mucegaiului Sterigmatocytis nigra se obţin cantităţi mari de acid oxalic în prezenţa sărurilor de fier. În absenţa acestor săruri se realizează fermentaţia citrică. De asemenea, o cantitate mare de acid oxalic poate fi produsă numai dacă aceasta este neutralizată cu substanţe alcaline introduse în mediul de cultură al microorganismelor utilizate. 4. Fermentaţia succinică, fumarică şi malică. Această fermentaţie reprezintă un proces de transformare a glucidelor în acid succinic, acid fumaric şi acid malic, sub acţiunea ciupercilor din genurile Mucor, Aspergillus şi Rhisopus. Astfel, din glucide şi acid acetic se produce acid succinic şi fumaric, utilizând Mucor solonifer, în prezenţă de CaCO3 cu un Fig. 12.23. Reacţia de transformare a acidului randament de 70%. Ulterior, sub acţiunea enzimei fumaric în acid malic [5] fumaraza, are loc transformarea acidului fumaric în acid malic (fig. 12.23). 5. Fermentaţia celulozei. Celuloza este substratul asupra căruia acţionează mai multe tipuri de microorganisme fermentative. În natură degradarea fermentativă a celulozei de către microorganisme (bacterii aerobe şi anaerobe, ciuperci) are loc la scară foarte largă. Acest tip de fermentaţie are un rol important în fertilizarea solului. În urma fermentaţiei celulozei bacteria Bacillus fossicularicum produce cantităţi mari de hidrogen, acid propionic, acid lactic, acid butiric, alcool etilic etc., iar bacteria Bacillus metanicus produce metan.

245

12.4. CICLUL KREBS Cum s-a menţionat anterior (cap. 12.2; 12.3) unele celule obţin energie în cadrul procesului de glicoliză, prin scindarea incompletă a glucozei în condiţii anaerobe. La organismele aerobe procesul de oxidare a substanţelor organice, cu formare de CO2 şi H2O, se realizează prin intermediul ciclului Krebs şi a lanţului transportor de electroni (LTE). Înainte de a intra în ciclul Krebs, glucoza, acizii graşi şi unii aminoacizi se oxidează până la acetat din molecula de acetil-CoA (acetat activat ̶ fig. 12.24; 12.26). Acetil-CoA este un compus macroergic care iniţiază ciclul Krebs.

Fig. 12.24. Primul stadiu al respiraţiei celulare: producerea de acetil-CoA [6]

Fig. 12.25. Decarboxilarea oxidativă a acidului piruvic cu formare de acetil-CoA şi CO2 [6]

Fig. 12.26. Structura moleculară a moleculei de acetil-CoA [6]

Reacţia de decarboxilare oxidativă a acidului piruvic până la acetil-CoA şi CO2 este catalizată de piruvat dehidrogenază (PDH), un complex enzimatic, localizat în mitocondriile celulelor eucariote şi citosolul celulelor procariote.

246

Acest complex este alcătuit din trei enzime: 1) piruvat dehidrogenază (E1); 2) dihidrolipoil transacetilază (E2); 3) dihidrolipoil dehidrogenază (E3). Sistemul enzimatic include şi cinci coenzime: 1) TPP; 2) FAD; 3) coenzima A (CoA sau CoA-SH notată astfel pentru a accentua rolul grupei tiolice ̶ SH; 4) NAD+; 5) acidul lipoic. Ciclul Krebs este un ansamblu de reacţii de condensare, decarboxilare, oxidare, fosforilare, care se desfăşoară în matricea Fig. 12.27. Schema generală a ciclului Krebs [6] * TPP ̶ tiaminpirofosfat; FAD ̶ flavinadenindinucleotidă; NAD+ ̶ mitocondrială, cu formare a unor acizi organici intermediari derivaţi din acidul nicotinamidadenin dinucleotidă; piruvic (fig. 12.27). Acest ciclu de reacţii se mai numeşte ciclul Krebs după numele biochimistului german Hans Krebs.În anul 1953 premiul Nobel pentru fiziologie sau medicină a fost împărţit de către Hans Krebs pentru descoperirea ciclului acidului citric şi Fritz Lipmann pentru decoperirea coenzimei A şi a rolului acesteia în metabolismul celular intermediar [26]. Ciclul Krebs mai poartă denumirea de ciclul acidului citric, deoarece ciclul începe cu formarea acidului citric sau ciclul acizilor tricarboxilici, întrucât în primele etape ale ciclului se formează acizi tricarboxilici cu 6 atomi de carbon: acid citric, cisaconitic, izocitric şi oxalosuccinic. Hans Krebs Fritz Lipmann Ciclul Krebs constituie calea universală de degradare a substratului respirator atât pentru glucide, cât şi pentru alte substanţe organice şi reprezintă veriga principală în metabolismul celular. Majoritatea produselor intermediare sunt utilizate în cadrul altor cicluri metabolice. În procesul oxidării substratului respirator are loc eliberarea de energie. Substraturile ciclului Krebs sunt oxaloacetatul şi acetil-CoA. Oxaloacetatul se regenerează prin fiecare parcurgere a ciclului Krebs, se sintetizează în celulă prin transaminarea acidului aspartic sub acţiunea enzimei aspartat aminotransferaza sau prin carboxilarea piruvatului sub acţiunea enzimei piruvat carboxilaza. Ciclul Krebs este alcătuit din opt etape. La etapa I a ciclului are loc condensarea acetil-CoA cu oxaloacetatul, reacţie ireversibilă catalizată de enzima citratsintetaza (fig. 12.28).

247

Fig. 12.28. Reacţia de condensare a acetil-CoA cu oxaloacetatul [6]

Fig. 12.29. Reacţia de izomerizare a citratului în izocitrat [6]

La etapa a II-a se realizează două reacţii (fig. 12.29): a) deshidratarea acidului citric, sub acţiunea enzimei aconitaza, cu formarea unui metabolit intermediar ̶ cis-aconitat; b) rehidratarea cisaconitatului cu formare de izocitrat, reacţie catalizată de aceeaşi enzimă aconitaza. Reacţia este reversibilă şi are loc în prezenţa ionilor de Fe2+. La etapa a III-a, sub acţiunea enzimei izocitrat dehidrogenaza, se realizează decarboxilarea oxidativă ireversibilă a izocitratului cu formare de α-cetoglutarat pe baza reacţiei de reducere a NAD+ în NADH (fig. 12.30). În cadrul reacţiei, care are loc în prezenţa ionilor de Mg2+ sau Mn2+, se elimină primul mol de CO2.

Fig. 12.30. Reacţia de decarboxilare oxidativă a izocitratului cu formare de α-cetoglutarat [6]

La etapa a IV-a, complexul multienzimatic α-cetoglutarat dehidrogenaza catalizează decarboxilarea oxidativă a α-cetoglutaratului până la succinil-CoA cu eliberare de CO2 (fig. 12.31). Această reacţie este ireversibilă şi necesită prezenţa mai multor coenzime: TPP, acidul lipoic, CoA-SH, FAD, NAD+ şi a ionilor de Mg2+. În cadrul reacţiei are loc reducerea NAD+ până la NADH şi eliminarea celui de-al doilea mol de CO2.

Fig. 12.31. Reacţia de decarboxilare oxidativă a αcetoglutaratului cu formare de succinil-CoA şi CO2 [6]

248

Fig. 12.32. Reacţia de decarboxilare oxidativă a αcetoglutaratului cu formare de succinil-CoA [6]

Succinil-CoA, la fel ca şi acetil-CoA, posedă o legătură tioesterică cu o energie liberă standard mare ̶ ∆G'º = ̶ 33,5 kJ/mol. La etapa a V-a, enzima succinil-CoA sintetaza transformă reversibil succinil-CoA în succinat (tab. 12.32). Energia liberă este conservată prin formare de GTP, care la rândul său, poate fi transformat în ATP conform reacţiei: GTP + ADP → GDP + ATP La etapa a VI-a, enzima succinat dehidrogenaza catalizează reacţia reversibilă de oxidare a succinatului în fumarat cu reducerea FAD la FADH2 (fig.12.33).

Fig. 12.33. Reacţia de oxidare a succinatului în fumarat [6]

Fig. 12.34. Reacţia de hidratare a fumaratului cu formare de L-malat [6]

La etapa a VII-a, fumaratul, sub acţiunea enzimei fumaraza, reacţionează cu apa şi formează Lmalat (fig. 12.34). La etapa a VIII-a, ultima a ciclului Krebs, enzima malat dehidrogenaza transformă reversibil L-malatul în oxaloacetat printr-o reacţie de oxidare cuplată cu reducerea NAD+ în NADH (fig. 12.35). Molecula de acid oxaloacetic împreună cu o nouă moleculă de acetil-CoA, reface acidul citric şi ciclul se reia. Reacţia generală Fig. 12.35. Reacţia de oxidare a L-malatului în oxaloacetat [6] a ciclului Krebs este următoarea [13]: Acetil-CoA + 3NAD+ + FAD + GDP + Pi + 2 H2O → CoA-SH + 3NADH + 3H+ + FADH2 + GTP + 2CO2 Dintre acizii formaţi în ciclul Krebs, cuplurile acid succinic / acid fumaric şi acid malic / acid oxaloacetic joacă un rol principal în respiraţie, deoarece sunt capabile să transfere reversibil hidrogenul (fig. 12.33; 12.35).

249

Importanţa ciclului Krebs Acest ciclu de reacţii constituie calea universală de degradare a substratului respirator şi reprezintă un punct de convergenţă a catabolismului tuturor substanţelor nutritive ̶ glucoza, acizi graşi, aminoacizi (fig. 12.24). În procesul oxidării substratului respirator are loc eliberarea de energie, care este necesară proceselor fiziologice şi biochimice în organism. Prin fiecare parcurgere a ciclului Krebs are loc degradarea unei molecule de acetil-CoA şi eliberarea a două molecule de CO2. Substanţele macroergice formate sunt următoarele: 1) 3 echivalenţi reducători NADH + H+ care în urma LTE produc 9 molecule de ATP; 2) 1 echivalent reducător FADH2 care generează 2 molecule de ATP; 3) o moleculă de GTP (ATP). Echivalenţii reducători NADH + H+ se formează la transformarea izocitratului în α-cetoglutarat (etapa a III-a), decarboxilarea oxidativă a α-cetoglutaratului la succinil~CoA (etapa a IV-a) şi dehidrogenarea malatului la oxaloacetat (etapa a VIII-a). Echivalentul reducător FADH2 se formează în urma transformării succinatului la fumarat (etapa VI). La transformarea succinil~CoA la succinat (etapa a V-a) se formează o molecula de GTP convertită la ATP prin transfosforilare. Aşadar, la oxidarea completă a unei molecule de acetilCoA se formează 12 molecule de ATP. Pentru a metaboliza o moleculă de glucoză, care se descompune în două molecule de acid piruvic, sunt necesare două cicluri Krebs. La sfârşitul acestora se produc: 1) 2 molecule de GTP (ATP); 2) 6 echivalenţi reducători NADH + H+; 3) 2 echivalenţi reducători FADH2 şi 4 molecule CO2 [13]. Hidrogenul activ sub formă NADH şi FADH2 constituie substraturi pentru lanţul transportor de electroni ̶ LTE (fig. 12.36), contribuie la Fig. 12.36. Schema generală a ciclului formarea apei în organism, eliberează energia necesară Krebs şi a LTE [6] biosintezei ATP-ului. Ciclul Krebs este situat la intersecţia proceselor de catabolism şi anabolism şi poartă denumirea de ciclu amfibolic. În cadrul ciclului Krebs se formează acizi organici, care se utilizează în diferite cicluri metabolice (fig. 12.37).

250

Fig. 12.37. Rolul ciclului Krebs în metabolism [6]

Compuşii ciclului Krebs au un rol important în biosinteza aminoacizilor, a bazelor azotate, a acizilor graşi, a porfirinelor. Prin urmare, în cadrul ciclului se stabilesc interrelaţii metabolice între principalii constituenţi ai materiei vii (glucide, proteine, grăsimi etc.). 12.5. FOSFORILAREA OXIDATIVĂ Fosforilarea oxidativă reprezintă punctul culminant al metabolismului energetic la organismele aerobe şi etapa finală a respiraţiei celulare. Este un proces de sinteză a ATP-ului, care se realizează pe baza energiei oxidării substanţelor organice în celulă, asociat cu transportul electronilor în lanţul respirator mitocondrial. Importanţa biologică a fosforilării oxidative constă în faptul că energia eliberată în procesul de oxidare a hidrogenului se înmagazinează în legăturile macroergice ale ATPului. Dacă fosforilarea nu ar fi cuplată cu oxidarea, atunci energia eliberată în procesul de oxidare a substratului respirator s-ar transforma în energie calorică şi nu ar putea fi utilizată în biosinteză. În anul 1948 biochimiştii americani Eugene Kennedy şi Albert Lehninger au descoperit că fosforilarea oxidativă la eucariote se desfăşoară în mitocondrii (fig. 12.38) [6].

251

Fig. 12.38. Anatomia mitocondriei [6]

biochimică

a

Fig. 12.39. Lanţul transportor de electroni în mitocondrie ̶ locul fosforilării oxidative la eucariote [15]

Fosforilarea oxidativă începe cu intrarea electronilor în lanţul respirator mitocondrial (lanţul transportor de electroni ̶ LTE) (12.39). Lanţul respirator constă dintr-o serie de reacţii de oxidoreducere în care hidrogenul substratului respirator este oxidat de oxigenul atmosferic cu formare de apă şi cu eliberare de energie. În LTE hidrogenul este activat sub formă de proton H+, oxigenul este activat sub formă de anion O2 ̶ , iar formele moleculare activate reacţionează formând apă. NADH + H+ → 2H+ + 2e ̶ + NAD 2e ̶ + ½ O2 → O2 ̶ + 2H + O2 ̶ → H2O + energie

Componentele lanţului transportor de electroni (LTE) Lanţul transportor de electroni este alcătuit din mai multe componente: substratul donor de hidrogen, dehidrogenaze nicotinamidnucleotidice, flavoproteine, ubichinona (coenzima Q), fier-sulf proteine, citocromi, citocromoxidaza (complexul IV). Fosforilarea oxidativă începe cu intrarea electronilor în lanţul respirator. Lanţul respirator mitocondrial constă dintr-o serie de transportori de electroni, majoritatea din care sunt proteine cu grupe prostetice capabile să accepte şi să doneze unul sau doi electroni. În cadrul fosforilării oxidative se disting 3 tipuri de transfer de electroni [6]:  transferul direct de electroni, ca în cazul reducerii Fe3+ la Fe2+;  transfer în formă de atom de hidrogen (H+ + e ̶ );  transfer în formă de hidrură (:H ̶ ) a doi electroni. Termenul echivalent reducător este utilizat pentru a desemna echivalentul unui electron transferat într-o reacţie de oxido-reducere. 252

Enzimele dehidrogenaze colectează electronii formaţi în cadrul catabolismului şi îi transportă la acceptorii universali de electroni ̶ nucleotide nicotinamidice (NAD+, NADP+) sau nucleotide flavinice (FMN, FAD). 1. Dehidrogenazele nicotinamidnucleotidice catalizează reacţii reversibile de tipul: Substrat redus + NAD+ (NADP+) ↔ Substrat oxidat + NADH + H+ (NADPH + H+) O parte din reacţiile catalizate de dehidrogenaze se desfăşoară în mitocondrii, unele ̶ în citozol, altele ̶ în mitocondrii şi citozol (tab. 12.3). Tabelul 12.3. Reacţii importante catalizate de NAD(P)H-dehidrogenaze [6] Reacţia Localizarea NAD-dehidrogenaze α-Cetoglutarat + CoA + NAD+ ↔ succinil-CoA + CO2 + NADH + H+ M + L-Malat + NAD+ ↔ oxaloacetat + NADH + H M şi C Piruvat + CoA + NAD+ ↔ acetil-CoA + CO2 + NADH + H+ M + + Aldehidă 3-fosfoglicerică + Pi + NAD ↔ 1,3-difosfoglicerat + NADH + H C Lactat + NAD+ ↔ piruvat + NADH + H+ C + + β-Hidroxiacil-CoA + NAD ↔ β-cetoacil-CoA + NADH + H M NAD-dehidrogenaze Glucozo 6-fosfat + NADP+ ↔ 6-fosfogluconat + NADPH + H+ C NAD sau NADP-dehidrogenaze L-Glutamat + H2O + NAD(P)+ ↔ α-cetoglutarat + NH4+ + NADPH + H+ M + + Izocitrat + NAD(P) ↔ α-cetoglutarat + CO2 + NAD(P)H + H M şi C * ̶ M ̶ mitocondrie, C ̶ citozol

Enzimele NAD-dehidrogenaze transferă 2 atomi de hidrogen de pe substraturi. Unul din atomi este transferat în formă de hidrură (:H ̶ ) la NAD+, alt atom este eliberat în mediu sub formă de proton ̶ H+ (fig. 12.40). NADH şi NADPH sunt transportori de electroni solubili în apă, asociaţi reversibil cu dehidrogenaze.

Fig. 12.40. Structura NAD-ului şi NADP-ului în formă oxidată şi redusă [6]

253

NADH transportă electroni, rezultaţi din reacţii catabolice, la punctul de intrare în lanţul respirator. De regulă, NADPH furnizează electroni reacţiilor anabolice. Nici NADH, nici NADPH nu pot trece prin membrana internă a mitocondriei, însă electronii transportaţi de NADH şi NADPH pătrund prin membrana mitocondriei.

Fig. 12.41. Structura FAD şi FMN în formă oxidată şi reducătoare [6]

2. Flavoproteinele conţin nucleotide flavinice FMN sau FAD (fig. 12.41). Nucleotidele flavinice în formă oxidată pot adiţiona sau un electron (producând semichinonă) sau doi electroni (producând FADH2 or FMNH2). Potenţialul de reducere standard al nucleotidelor flavinice, spre deosebire de NADP sau NADPH, depinde de tipul proteinelor cu care sunt asociate. Nucleotidile flavinice reprezintă părţi componente ale centrului activ al flavoproteinelor şi sunt reactanţi sau produse ale reacţiilor de transfer de electroni. Întrucât flavoproteinele pot participa la unul sau două transferuri de electroni, acestea pot funcţiona în calitate de intermediari între reacţiile în care doi electroni sunt donaţi (în cazul dehidrogenazelor) şi în reacţiile în care doar un electron este acceptat (în cazul reducerii chinonei la dihidrochinonă). Pe lângă NAD şi flavoproteine, se cunosc alte trei tipuri de transportori de electroni în lanţul respirator: o chinonă hidrofobă (ubichinonă) şi două tipuri de feroproteine (citocromi şi proteine Fe-S).

254

Fig. 12.42. Structura moleculară a ubichinonei [6]

3. Ubichinona (coenzima Q sau Q) este o benzochinonă liposolubilă cu o catenă laterală izoprenică lungă (fig. 12.42). Aceasta poate adiţiona un electron, transformându-se într-un radical semichinonă (˙QH) sau poate adiţiona doi electroni formând ubichinol (QH2), iar reducerea completă a ubichinonei necesită şi doi protoni. Ubichinona este o moleculă hidrofobă, cu o masă moleculară mică, care trece liber prin bistratul lipidic al membranei interne a mitocondriei şi transportă echivalenţi reducători dintre transportorii de electroni mai puţin mobili. Ubichinona joacă un rol central în fosforilarea oxidativă şi datorită faptului că poate transporta protoni şi electroni. Plastochinona şi menachinona joacă un rol analogic cu ubichinona fiind transportori de electroni la plante, şi respectiv, la bacterii. 4. Citocromii sunt proteine cu grupe prostetice alcătuite din structuri cilice ̶ porfirine, care conţin 4 atomi de azot şi un ion central de Fe2+ sau Fe3+. În mitocondrii sunt prezente 3 clase de citocromi ̶ a, b şi c, care se deosebesc după spectrele de absorbţie a luminii (fig. 12.43).

Fig. 12.43. Structura moleculară a grupelor prostetice ale citocromilor [6]

Fe-protoporfirina IX este o parte componentă a citocromilor b, a hemoglobinei şi a mioglobinei. În citocromii c, hemul C este asociat covalent prin legături tioeterice cu două resturi de cisteină. Hemul A din citocromii a, posedă un lanţ izoprenic lung ataşat la unul din atomii inelului porfirinic.

255

5. Fier-sulf (Fe-S) proteinele, descoperite de biochimistul german Helmut Beinert, conţin fier neheminic care se asociază cu atomi de sulf anorganic sau cu atomi de sulf ai resturilor de cisteină din moleculele proteice. Centrii fier-sulf (Fe-S) din moleculele proteinelor au o structură diferită, cu un atom, doi atomi şi patru atomi de fier (fig. 12.44).

Fig. 12.44. Structura centrilor Fe-S în moleculele proteice [6]

Toate proteinele Fe-S participă la transferul unui electron, în care un atom de fier al centrului Fe-S este oxidat sau redus. În (LTE) participă cel puţin opt centri Fe-S. Orice sistem redox se caracterizează printr-un potenţial de oxidoreducere, exprimat în volţi (V). Componentele (LTE) sunt localizate pe membrana internă a mitocondriilor în ordinea creşterii potenţialului reducător al echivalenţilor, de la potenţialul standard cel mai negativ – donorul de hidrogen – spre perechea cu potenţialul standard cel mai pozitiv ̶ oxigenul molecular (tab. 12.4). Tabelul 12.4. Potenţialul redox standard al lanţului transportor de electroni (LTE) [6] Reacţii redox Potenţialul redox standard, Eʹ° (V)* 2H+ + 2e ̶ → H2 ̶ 0,414 + ̶ NAD + H + 2e → NADH ̶ 0,320 NADP + H+ + 2e ̶ → NADPH ̶ 0,324 + ̶ NADH dehidrogenază (FMN) + 2H + 2e → NADH dehidrogenază (FMNH2) ̶ 0,30 Ubichinonă + 2H+ + 2e ̶ → ubichinol 0,045 Citocrom b (Fe3+) + e ̶ → citocrom b (Fe2+) 0,077 3+ ̶ 2+ Citocrom c1 (Fe ) + e → citocrom c1 (Fe ) 0,22 Citocrom c (Fe3+) + e ̶ → citocrom c (Fe2+) 0,254 Citocrom a (Fe3+) + e ̶ → citocrom a (Fe2+) 0,29 Citocrom a3 (Fe3+) + e ̶ → citocrom a3 (Fe2+) 0,35 + ̶ ½ O2 + 2H + 2e → H2O 0,8166 * ̶ Eʹ° este potenţialul redox standard măsurat la pH = 7 şi t = 25°C Succesiunea componentelor (LTE) poate fi prezentată prin următoarea schemă [15].

256

Complexul respirator I: NADH → Ubichinonă (Q). Complexul I, care mai poartă denumirea de NADH: ubichinonă oxidoreductază sau NADH dehidrogenază (tab. 12.5), este un complex enzimatic alcătuit din 42 de lanţuri polipeptidice diferite, inclusiv o flavoproteină cu o grupă prostetică reprezentată de FMN şi cel puţin 6 centri Fe-S (fig. 12.45). Complexul I catalizează transferul hidrurii (:H ̶ ) de la NADH la FMN. În urma acestui transfer 2 electroni trec printr-o serie de centri Fe-S la proteina cu fier nehiminic şi sulf N2. Din transferul de electron de la N2 la ubichinonă rezultă ubichinol QH2, care intră prin difuzie în bistratul lipidic. Transferul a doi electroni este cuplat cu transportul a 4 protoni din Fig. 12.45. Structura generală a complexului I [6] matrixul mitocondrial în spaţiul intermembranar. Tabelul 12.5. Componentele proteice ale lanţului transportor de electroni (LTE) [6] Complex enzimatic/proteic Masa Numărul de Grupe prostetice moleculară, (kDa) subunităţi * I NADH dehidrogenază 850 43 (14) FMN, Fe-S II Succinat dehidrogenază 140 4 FAD, Fe-S III Ubichinonă: citocrom c oxidoreductază 250 11 Hemuri, Fe-S Citocrom c** 13 1 Hem IV Citocrom oxidază 160 13 (3 4) Hemuri; CuA,CuB * ̶ numărul de subunităţi la bacterii este indicat în paranteze; ** ̶ citocromul c nu face parte dintr-un complex enzimatic; acesta este o proteină solubilă care se deplasează între complexele III şi IV

Complexul respirator II: Succinat → Ubichinonă. Complexul II, care mai poartă denumirea de succinat dehidrogenază, nu pompează protoni, însă asigură intrarea în lanţul respirator a electronilor suplimentari care se formează pe baza oxidării succinatului. Complexul respirator III: Ubichinonă → Citocrom c. Acest complex respirator, care se mai numeşte complex citocrom bc1 sau ubichinonă: citocrom c oxidoreductază, asigură transferul de electroni de pe ubichinol (QH2) la citocromul c localizat pe memrana internă a mitocondriilor şi transportul de protoni din matrixul mitocondial în spaţiul intermembranar. Citocromul c este o proteină solubilă din spaţiul intermembranar. Hemul citocromului c acceptă un electron de pe complexul III, apoi citocromul c donează un electron ionilor de cupru CuA,CuB al complexului IV. Complexul respirator IV: Citocrom c → O2. La ultima etapă a lanţului respirator, complexul IV, care se mai numeşte citocromoxidază, catalizează transportul a 4 electroni de pe 4 molecule ale citocromului c la oxigenul molecular, pe care îl reduce la H2O şi pompează 4 protoni în spaţiul intermembranar. Complexul IV este alcătuit din citocromii a şi a3, care pe lângă hem, conţin şi ioni de cupru.

Sinteza ATP-ului Concepţia modernă cu privire la mecanismele sintezei ATP-ului se bazează pe teoria chemiosmotică propusă de chimistul englez Peter Mitchell în 1961. În conformitate cu această teorie, potenţialul electrochimic al ionilor de hidrogen (H+) este utilizat în reacţiile de sinteză a ATP-ului (fig. 12.46). Fluxul de protoni care trece prin membrana internă a mitocondriei interacţionează cu segmentul activ al complexului enzimatic ATP-sintetaza sau H+-ATP-aza. ATP sintetaza este constituită din două 257

sectoare funcţionale: 1) un sector axial ̶ Fo, de formă cilindrică, inserat în membrana internă; 2) un sector sferic ̶ F1, solubil, situat de asupra membranei, în matrixul mitocondrial (fig. 12.47). Factorul F1 este o proteină, cu o structură complexă cuaternară, alcătuită din 5 tipuri de subunităţi: α, β, γ, δ şi ε. Acest sector F1 al complexului ATP sintetazic conţine în total 9 subunităţi, care alternează într-o structură asimetrică, cu componenţa α3β3γδε. Proprietăţile catalitice de bază ale factorului F1 sunt determinate de subunităţie α şi β. Fiecare din cele 3 subunităţi β au câte un centru activ care catalizează sinteza ATP. Pe subunitatea α a enzimei este situat centrul de legare a nucleotidelor, care posedă o similititudine cu substratele ADP şi Pi. Rolul subunităţilor γ şi δ constă în realizarea legăturii dintre factorul F1 şi celelalte componente ale complexului enzimatic. Subunitatea ε are un rol de inhibare a activităţii enzimatice.

Fig. 12.46. Reprezentarea schematică a modelului teoriei chemiosmotice [6]

Sectorul Fo al complexului enzimatic ATP-aza este alcătuit din 4 tipuri de componente: 1) proteina OSCP care determină sensibilitatea complexului la oligomicină; 2) factorul F2; 3) factorul F6; 4) o proteolipidă care inhibă fluxul protonic. Denumirea de Fo derivă de la faptul că oligomicina ̶ un inhibitor al ATP sintetazei, se leagă specific de acest segment [22]. Complexul F0 asigură legarea factorului F1 cu membrana mitocondrială şi participă la transportul protonilor prin membrana mitocondrială. Complexul enzimatic ATP-sintetaza are următoarele funcţii [28]:  factorul Fo realizează transportul protonilor prin membrana lipidică bistratificată din exteriorul membranei mitocondriale la factorul F1;  factorul F1 catalizează sinteza ATP din ADP şi Pi;  factorii Fo şi F1 utilizează potenţialul electrochimic în sinteza ATP-ului.

258

Fig. 12.47. Reprezentarea schematică a organizării moleculare a complexului enzimatic al ATP-sintetazei [6]

Fig. 12.48. Forţa proton motrice [6]; * C2 şi C1 ̶ concentraţiile de ioni; C2 > C1

În cursul respiraţiei, transportul electronilor este cuplat cu transportul protonilor (H+) prin membrana internă mitocondrială, dinspre matrix către spaţiul intermembranar. Acest proces induce formarea unui gradient electric (Δψ) prin membrana internă mitocondrială (cu mai multe sarcini pozitive în exteriorul membranei decât în interior) şi a unui gradient de ΔpH (în exteriorul membranei pH-ul este mai scăzut faţă de micromediul interior ̶ fig. 12.48). Potrivit ipotezei chemiosmotice, fluxul de protoni, odată transferat în spaţiul intermembranar, poate reintra în matricea mitocondrială prin interiorul domeniului F0 al ATP sintetazei (fig. 12.46). Această trecere reprezintă forţa motrice care determină sinteza ATP din ADP şi Pi. Gradientul de protoni va determina eliberarea ATP de pe suprafaţa enzimei (în absenţa unui gradient de protoni, ATP nou sintetizat nu părăseşte suprafaţa enzimei). Pentru contribuţia sa în elucidarea mecanismelor de transport a energiei biologice savantului Peter Mitchell i s-a decernat premiul Nobel pentru chimie în 1978 [26]. Aşadar, componentele principale care participă la procesul de fosforilare oxidaPeter Mitchell tivă sunt pompa de protoni şi complexul enzimatic ATP sintetaza. Transportul de electroni prin complexele I, III, IV produce pomparea protonilor prin membrana mitocondrială internă. Fiecare din cele trei complexe ̶ I, III şi IV acţionează ca pompă de protoni. Complexul enzimatic ATP sintetaza (Complexul F0F1) sintetizează ATP din ADP şi Pi prin utilizarea energiei gradientului de protoni generat de lanţul transportor de electroni.

Bilanţul energetic al lanţului transportor de electroni Aşadar, lanţul transportor de electroni reprezintă totalitatea sistemelor reducătoare enzimatice prin intermediul cărora hidrogenul substratului este oxidat de oxigenul atmosferic cu formare de apă şi cu eliberarea a 57 kcal/mol corespunzătoare diferenţei de 1,2V (tab.12.4) de la potenţialul hidrogenului substratului ( ̶ 0,42V) la cel al O2 (+0,81V) [22].

259

∆E'0 = E0 (oxidant) ̶ E0 (reducător) ∆E'0 = +0,81 ̶ ( ̶ 0,42) = 0,81 + 0,42 = 1,23V ∆G0 = ̶ nF∆E'0 unde n = 2 electroni; F = echivalentul caloric al lui Faraday (23,3, kcal/mol) ∆G0 = ̶ 2 × 23,3 × 1,23 ∆G0 = ̶ 57,318 kcal/mol ATP-ul se poate forma numai în etapele în care variaţiile de potenţial (∆E'0) sunt suficient de mari (>0,12 V) pentru a permite eliberarea unei cantităţi de energie superioară celei necesare formării unei legături macroergice (~7 kcal). Raportul dintre cantitatea de fosfat legată sub formă de ATP şi cantitatea de oxigen consumată în timpul desfăşurării lanţului respirator se numeşte coeficient de fosforilare oxidativă ̶ P/O (mol ATP/gr-atom O2). Acest coeficient caracterizează eficienţa fosforilării oxidative. Bunăoară, raportul P/O = 3 în cazul oxidărilor care au loc prin intermediul enzimelor piridinice (NADH + H+), iar raportul P/O = 2 în cazul oxidărilor care se realizează prin intermediul enzimelor flavinice (FADH2). Procesul de fosforilare oxidativă poate fi scris sub forma a 2 reacţii generale [22]:

Din transferul a doi atomi de hidrogen de la NADH la oxigen rezultă o variaţie a energiei libere de 57 kcal/mol din care sunt stocate doar 21 kcal în legătura fosfat macroergică din ATP. Din energia de formare a apei este înmagazinată ca energie biologic utilă energia corespunzătoare formării a 3 molecule de ATP (21 kcal). Prin urmare, randamentul energetic al lanţului respirator va fi: Total 57 kcal.....................................21 kcal (ATP) 100 kcal.....................................X X ≈ 37% Energia liberă care nu este captată în legăturile fosfat macroergice este eliberată sub formă de căldură sau este transformată în alte forme de energie necesare pentru funcţionarea celulei: energie mecanică, osmotică sau luminoasă.

260

Bilanţul energetic al respiraţiei celulare Transportul de electroni este un proces exergonic. La transportul unei molecule de NADH + H+ sau (NADPH + H+) şi oxidarea ei în (LTE) are loc biosinteza a trei molecule de ATP, iar la oxidarea unei molecule de FADH + H+ sau FMNH + H+ ̶ a două molecule de ATP. Astfel, bilanţul energetic al respiraţiei este reprezentat prin glicoliză şi ciclul Krebs.  Glicoliză. Din glicoliză rezultă 4 molecule de ATP, dintre care 2 molecule se consumă la activarea hexozelor prin fosforilarea moleculei. Se mai adaogă două molecule de NADH, care contribuie la formarea a 6 molecule de ATP în (LTE). 4 ATP ̶ 2ATP = 2 ATP 2 NADPH + H+ × 3 ATP = 6 ATP ___________________________ 8 ATP  Ciclul Krebs. La degradarea unei molecule de glucoză sunt necesare două cicluri Krebs şi în cadrul acestora se formează 2 molecule de ATP, 6 molecule de NADH + H+, 2 molecule de NADPH + H+ şi 2 de FADH + H+. 2 ATP 6 NADH + H+ × 3 ATP = 18 ATP 2 NADPH + H+ × 3 ATP = 6 ATP 2 FADH + H+ × 2 ATP = 4 ATP ____________________________ 30 ATP ____________________________ 8 ATP + 30 ATP = 38 ATP Aşadar, la oxidarea unei molecule de glucoză până la H2O şi CO2 se formează 38 de molecule de ATP; două molecule se formează în cadrul procesului de glicoliză; altele două molecule de ATP se formează în cadrul ciclului Krebs şi 34 ̶ la fosforilarea oxidativă. Reacţiile generale şi bilanţul energetic al respiraţiei celulare pot fi prezentate în felul următor: 1. C6H12O6 + 6H2O → 6CO2 + 12H2 +4ATP ̶ Glicoliză şi Ciclul Krebs 2. 12H2 + 6O2 → 12H2O + 34ATP ̶ Fosforilarea oxidativă Energia totală a degradării complete a glucozei se obţine prin însumarea energiilor eliberate în glicoliza şi ciclul Krebs. (1) + (2) C6H12O6 + 6O2 + 38ADP + 38Pi  6CO2 + 6H2O + 38ATP

261

12.6. TIPURI SPECIFICE DE OXIDARE A SUBSTRATULUI RESPIRATOR Respiraţia prin glicoliză şi ciclul Krebs reprezintă calea universală de degradare a substraturilor respiratorii şi este caracteristică pentru majoritatea organismelor vii. Pe lângă aceasta se mai cunosc şi tipuri specifice de oxidare a substanţelor organice: ciclul pentozofosfaţilor, ciclul glioxilic, oxidarea directă a glucidelor.

Ciclul pentozofosfaţilor Ciclul pentozofosfaţilor este o cale metabolică care generează NADH şi pentoze [23]. Se numeşte şi calea hexozomonofosfatului, deoarece porneşte de la esterul glucozo-6-fosforic sau calea fosfogluconatului, întrucât în cadrul ciclului se formează acid 6-fosfogluconic. În celulele animale în curs de dividere intensă (celulele ţesutului osos, epiteliale, mucoasei intestinului) unele hexoze monofosforilate nu se degradează prin glicoliză, ci parcurg calea pentozofosfaţilor. Pentozele formate sunt precursori ai acizilor nucleici şi ai coenzimelor (ATP, NADH, FADH2, coenzima A). La majoritatea organismelor ciclul pentozofosfaţilor se desfăşoară în citozol, iar la plante majoritatea etapelor au loc în plastide. În cadrul ciclului se disting două faze: faza neoxidativă şi faza oxidativă (fig. 12.49). În faza oxidativă se formează NADH utilizat la reducerea glutationului şi la biosinteza diferitor substanţe organice. Un alt produs al acestei faze este ribozo 5-fosfat ̶ un precursor al sintezei nucleotidelor, acizilor nucleici şi al coenzimelor. În celulele care nu utilizează ribozo 5-fosfatul în procesele de biosinteză, în faza neoxidativă 6 molecule de pentoze sunt transformate în 5 molecule de glucoză 6-fosfat (fig. 12.49). La etapa I a ciclului pentozofosfaţilor se realizează oxidarea glucozo-6-fosfatului sub acţiunea enzimei glucozo 6-fosfatdehidrogenază, cu formarea unui ester intramolecular ̶ 6-fosfogluco-δ-lactonă şi a NADPH + H+ (fig. 12.50). Sub acţiunea enzimei lactonaza 6-fosfogluco-δ-lactona se Fig.12.49. Schema generală a ciclului pentozofosfaţilor [6] transformă în acid fosfogluconic. La etapa a II-a are loc oxidarea şi decarboxilarea acidului 6-fosfogluconic cu formare de ribulozo 5-fosfat, reacţie catalizată de enzima 6-fosfogluconat dehidrogenaza. În cadrul acestei reacţii se formează a doua moleculă de NADPH + H+. La etapa a III-a se realizează transformarea ribulozo 5-fosfatului în izomerul său ̶ ribozo-5fosfat sub acţiunea enzimei fosfopentoză izomeraza. În unele ţesuturi ciclul pentozofosfaţilor se opreşte după această etapă şi reacţia generală a procesului poate fi scrisă în felul următor [6]: Glucozo-6-fosfat + 2NADP+ + H2O → Ribozo-5-fosfat + CO2 + 2NADPH + H+ Produsele principale ale fazei oxidative a ciclului pentozofosfaţilor sunt NADPH ̶ un reducător în reacţiile de biosinteză şi ribozo-5-fosfat ̶ un precursor chimic al nucleotidelor şi al unor coenzime.

262

Fig. 12.50. Reacţiile oxidative ale ciclului pentozofosfaţilor [6]

În faza neoxidativă a ciclului pentozofosfaţilor din fosfopentoze se formează glucozo-6-fosfat, printr-o serie de reacţii de transcetolizare, transaldolizare şi izomerizare. În celulele în care ribozo-5fosfatul nu este utilizat în reacţiile de biosinteză, 6 molecule de pentoze fosforilate sunt transformate în 5 molecule de glucozo-6-fosfat. La etapa a IV-a ribulozo-5-fosfat-ul este transformat prin epimerizare în xilulozo-5-fosfat (fig. 12.51). La etapa a V-a din xilulozo-5-fosfat, sub acţiunea enzimei transcetolaza, în prezenţa TPP şi a ionilor de Mg2+, este transferat fragmentul C2 cu gruparea cetonică la ribozo-5-fosfat, cu formare de sedoheptulozo 7-fosfat şi aldehidă 3Fig. 12.51. Reacţia de epimerizare a ribulozo-5-fosfatului fosfoglicerică (fig. 12.52). în xilulozo-5-fosfat [6]

263

Fig. 12.52. Reacţia de transformare a două pentoze fosforilate într-o trioză şi o sedoheptuloză fosforilate [6]

La etapa a VI-a sedoheptuloza 7-fosfat, sub acţiunea transaldolazei, reacţionează cu aldehida 3fosfoglicerică şi formează fructozo 6-fosfat şi eritrozo 4-fosfat. Enzima transaldolaza asigură transferul unui fragment C3 cu gruparea cetonică din molecula sedoheptulozei pe molecula aldehidei 3fosfoglicerice, formându-se fructozo 6-fosfat (fig. 12.53).

Fig. 12.53. Reacţia de formare a fructozo 6-fosfatului catalizată de enzima transaldolaza [6]

Esterul fructozo-6-fosforic se poate forma şi printr-o cale colaterală: din esterul xilulozo-6fosforic şi esterul eritrozo-4-fosforic (fig. 12.54).

Fig. 12.54. Reacţia de formare a fructozo 6-fosfatului catalizată de enzima transcetolaza [6]

Aldehida 3-fosfoglicerică formată poate să contribuie la sinteza glucidelor sau să se degradeze pe calea glicolizei sau să se transforme prin reducere în glicerol, contribuind în felul acesta la sinteza lipidelor.

264

La etapa a VII-a fructozo-6-fosfat-ul se transformă prin izomerizare în glucozo-6-fosfat, încheiind astfel ciclul pentozofosfaţilor. Dintr-o moleculă de glucoză care se degradează prin ciclul pentozofosfaţilor se formează o moleculă de dioxid de carbon, o pentoză şi două molecule de NADPH + H+. Pentru ca o moleculă de glucoză să se descompună complet, trebuie ca reacţiile din ciclu să se repete de 6 ori. Esterul glucozo6-fosforic, care este substanţa de pornire a ciclului se poate regenera din produsul glicolizei ̶ esterul fructozo-6-fosforic. Din punct de vedere energetic, ciclul pentozofosfaţior este apropiat ca valoare de respiraţia celulară. Dacă se exprimă randamentul energetic în molecule de ATP, dintr-o moleculă de glucoză prin ciclul pentozofosfaţilor se pot forma indirect 36 molecule de ATP. În cadrul fazei oxidative a ciclului, prin desprinderea unui atom de carbon din molecula glucozei, sub formă de dioxid de carbon, se formează 2 molecule de NADPH + H+. Prin degradarea completă a celor 6 atomi de carbon ai glucozei, se formează 12 molecule de NADPH + H+, care se folosesc la sinteza acizilor graşi, a sterolilor, a hexozelor etc. Ţinând seama că la oxidarea unei molecule de NADPH + H+ se degajă o cantitate de energie echivalentă cu 3 molecule de ATP, rezultă că dintr-o moleculă de glucoză degradată complet pe această cale se eliberează o cantitate de energie echivalentă cu 36 molecule de ATP. Însă, trebuie de menţionat, că în cadrul ciclului pentozofosfaţilor nu se formează direct molecule de ATP. Căile diferite de metabolizare a glucozei (fig. 12.55) se realizează în funcţie de necesităţile celulei şi de concentraţia de NADP+ în citozol. În lipsa acceptorului de electroni NADP+ în citozol, prima reacţie a ciclului pentozofosfaţilor, catalizată de enzima glucozo-6-fosfodehidrogenaza (G6PD), nu se poate realiza.

Fig. 12.55. Principalele căi metabolice de utilizare a glucozei [6]

Fig. 12.56. Rolul NADPH în metabolizarea glucozei [6]

Atunci când în rezultatul reacţiilor de biosinteză în celulă are loc transformarea rapidă a NADPH în NADP+, acestea din urmă stimulează alosteric activitatea enzimei G6PD şi respectiv glucozo 6-fosfatul este metabolizat prin ciclul pentozofosfaţior (fig. 12.56). Atunci, când necesitatea în NADPH scade, conţinutul celular de NADP+ se reduce şi glucoza se degradează în cadrul procesului de glicoliză. Ciclul pentozofosfaţilor joacă un rol important în anabolism. În cadrul ciclului se formează un număr mare de pentoze şi alte glucide cu 3, 4, 6 şi 7 atomi de carbon, care se utilizează în diverse căi metabolice – la biosinteza de nucleotide, acizi nucleici, coenzime. Pe lângă aceasta, în ciclul 265

pentozofosfaţilor se sintetizează eritrozo-4-fosfatul, care este un precursor chimic în sinteza aminoacizilor aromatici.

Ciclul glioxilic Ciclul glioxilic este o variantă prescurtată a ciclului Krebs descoperită de Hans Kornberg şi Neil Madsen [6]. La plante şi unele microorganisme (E. coli, levuri), acetatul poate fi o sursă de energie şi fosfoenolpiruvatul ̶ un intermediar în sinteza glucidelor. La aceste organisme enzimele participante la ciclul glioxilic catalizează transformarea acetatului în succinat, metabolit al cicului Krebs, cu 4 atomi de carbon, în conformitate cu reacţia generală [6]: 2 Acetil-CoA + NAD+ + 2H2O → Succinat + 2 CoA + NADH + H+ În ciclul glioxilic (fig.12.57), oxaloacetatul prin combinare cu acetil-CoA formează citrat, care la rândul său se transformă în izocitrat, la fel ca în cicul Krebs. Următoarea etapă a ciclului constă în transformarea izocitratului în succinat şi glioxilat, proces catalizat de enzima izocitratliaza. Glioxilatul interacţionează cu acetil-CoA şi se formează malat, reacţie catalizată de enzima malatsintetaza. Malatul se transformă prin oxidare în oxaloacetat, sub acţiunea enzimei malatdehidrogenaza. Oxaloacetatul format se condensează cu o altă moleculă de acetil-CoA, declanşând un nou ciclu glioxilic. În cadrul fiecărui ciclu glioxilic se consumă 2 molecule de acetil-CoA şi se produce o moleculă de succinat, care poate fi transformată în oxaloacetat prin fumarat şi malat. Oxaloacetatul produs poate fi transformat în fosfoenopiruvat, reacţie catalizată de fosfoenolpiruvat carboxikinază, iar din fosfoenolpiruvat, în cadrul procesului de gluconeogeneză, se formează glucoză. Animalele vertebrate nu posedă tot echipamentul enzimatic (enzimele izocitratliaza şi malatsintetaza) necesar ciclului glioxilic şi Fig. 12.57. Schema ciclului glioxilic [6]; * ̶ două grupe respectiv nu por produce glucoză din lipide. acetil (colorate în roz) intră în ciclu, patru atomi de carbon La plante ciclul glioxilic se desfăşoară în (coloraţi în albastru) sub formă de succinat părăsesc ciclul. glioxizomi (fig. 12.58), organite de tipul peroxizomilor, asociate cu membrana celulară. Glioxizomii nu sunt prezenţi în toate ţesuturile vegetale şi toate perioadele ontogenetice, ci doar în seminţele în curs de germinare ale plantelor oleaginoase cu un conţinut ridicat de uleiuri. Ciclul glioxilic asigură utilizarea lipidelor de rezervă în calitate de substrat respirator şi stă la baza procesului de transformare a lipidelor în glucide, înainte ca plantele să-şi poată sintetiza glucoză în cadrul procesului de fotosinteză. Ciclul glioxilic la plantele superioare funcţionează numai până la apariţia frunzelor. 266

Pe lângă enzimele care catalizează reacţiile ciclului glioxilic, glioxizomii posedă tot echipamentul enzimatic necesar pentru degradarea acizilor graşi din uleiurile vegetale din seminţe. Bunăoară, acetil-CoA care se formează în urma degradării lipidelor se transformă, prin intermediul ciclului glioxilic, în succinat, iar acesta ̶ la rândul său, este transportat în mitocondrii. Enzimele mitocondriale, implicate în ciclul Krebs, transformă succinatul în malat. Acesta din urmă, pătrunde în citozol, acolo unde enzima malatdehidrogenaza oxidează malatul în oxaloacetat ̶ un metabolit din care se poate sintetiza glucoză în cadrul procesului de gluconeogeneză (fig. 12.57). Din hexoze se sintetizează zaharoză care se transportă la rădăcinile şi lăstarii în creştere.

Fig. 12.58. O micrografie a unei seminţe de castravete în curs de germinare la microscopul electronic [6]

Fig. 12.59. Relaţia dintre ciclul glioxilic şi ciclul Krebs [6]

La seminţele plantelor oleaginoase transformările biochimice ale acizilor di- şi tricarboxilici se desfăşoară în 3 compartimente intracelulare distincte: mitocondrii, glioxizomi şi citozol (fig. 12.59). Aceste transformări biochice se realizează prin:  degradarea acizilor graşi cu formare de acetil-CoA (în glioxizomi);  ciclul Krebs (în mitocondrii);  gluconeogeneza (în citozol). Unele bacterii, spre exemplu E.coli, posedă un complex enzimatic necesar pentru realizarea ciclurilor glioxilic şi Krebs în citozol şi pot utiliza acidul acetic în calitate de sursă de carbon şi energie.

267

Oxidarea directă a glucidelor Oxidarea directă a glucidelor, numită şi calea Entner-Doudoroff (fig. 12.60), a fost descoperită în 1952 de către biochimiştii americani Nathan Entner şi Michael Doudoroff la bacteria Pseudomonas Saccharophila [17]. Calea Entner-Doudoroff se caracterizează prin următoarele particularităţi: 1) se întâlneşte doar la procariote; 2) în cadrul procesului de degradare a glucozei în piruvat sunt utilizate enzime specifice: 6-fosfogluconat dehidrataza şi 2-ceto-3-deoxifosfogluconat aldolaza; 3) din punct de vedere energetic, este o cale metabolică mai puţin eficientă decât glicoliza: la degradarea unei molecule de glucoză se produc 1 ATP și 1 NADH / 1 NADPH, față de 2 ATP și 2 NADH la glicoliză. Oxidarea directă a glucidelor a fost identificată la unele bacterii din genurile Pseudomonas, Rhizobium, Azotobacter, Agrobacterium. S-a stabilit că la bacteriile care oxidează glucidele pe cale directă pot fi absente enzime esenţiale pentru desfăşurarea normală a glicolizei, spre exemplu, fosfofructokinaza-1 [17].

Fig. 12.60. Schema generală a procesului de oxidare directă a glucidelor [17]; * ̶ Glu-6-P ̶ glucozo-6-fosfat; 6-P-Glucono-δ-lacton ̶ 6-fosfogluco-δ-lactonă; 6-P-Gluconat ̶ 6-fosfogluconat; KDPG ̶ 2-ceto-3-deoxi-6fosfogluconat; GAP ̶ aldehidă fosfoglicerică; 1,3 bPG ̶ 1,3 difosfoglicerat; 3-PG ̶ 3-fosfoglicerat;2-PG ̶ 2fosfoglicerat; PEP ̶ fosfoenolpiruvat; Pyr ̶ piruvat

12.6. SCINDAREA POLI- ŞI OLIGOGLUCIDELOR Glucidele sunt substanţe care se metabolizează uşor în celule şi constituie o sursă importantă pentru producera energiei necesare proceselor biologice. Energia care se eliberează prin degradarea glucidelor este utilizată, în cea mai mare parte în procesele de biosinteză, iar o parte însemnată se depozitează în legăturile macroergice ale diferitor compuşi chimici. Pe lângă energie, prin degradarea glucidelor se obţin numeroase produse intermediare, care pot servi la biosinteza substanţelor din organism. Poliglucidele se degradează în moleculele de glucoză prin fosforoliză sau prin hidroliză. Fosforoliza are loc la etapele timpurii ale procesului de respiraţie, atunci când are loc degradarea polisau oligoglucidelor în resturi de glucoză. La plante hidroliza poli- şi oligoglucidelor se realizează în timpul germinaţiei seminţelor, iar la animale ̶ în timpul digestiei alimentelor. În muşchii scheletici sau în ficatul animalelor se realizează degradarea glicogenului în resturi de glucoză cu participarea a trei enzime: glicogenfosforilaza, enzime de deramificare a moleculei de glicogen şi fosfoglucomutaza (fig.12.61 A; 12.61 B). 268

Fig. 12.61 A. Înlăturarea restului de glucoză de la capătul nereducător al lanţului de glicogen sub acţiunea glicogenfosforilazei [6]

269

Fig. 12.61 B. Clivarea glicogenului în punctul de ramificaţie a lanţului (α1→6) [6]

Produsul final al reacţiei de fosforoliză a glicogenului ̶ glucozo 1-fosfatul se transformă reversibil în glucozo 6-fosfat sub acţiunea enzimei fosfoglucomutaza (fig. 12.62). La etapă I a reacţiei, enzima donează grupa fosforil (colorată în verde) moleculei de glucoză 1-fosfat, formându-se glucoză 1,6difosfat. La etapa a II-a, grupa fosforil situată la C1 a glucozo 1,6-difosfatului (colorată în roşu) este transferată enzimei, producându-se glucozo 6-fosfat. Esterul glucozo-6-fosforic, care se formează în muşchi în urma procesului de fosforoliză în ţesutul muscular, se descompune în cadrul procesului de glicoliză fiind o sursă de energie pentru contracţia musculară. Atunci când conţinutul de glucoză în sânge se reduce, în ficat se realizează degradarea glicogenului şi eliberarea glucozei Fig.12.62. Schema reacţiei catalizată de enzima în sânge. Descompunerea glicogenului se reafosfoglucomutaza [6] lizează cu participarea enzimei glucozo 6-fosfatază, prezentă doar în ficat şi rinichi şi absentă în alte ţesuturi umane. În nutriţia oamenilor amidonul este principala sursă de glucide. Digestia alimentelor începe în cavitatea bucală unde hrana este mărunţită, iar enzimele salivare α-amilaze catalizează hidroliza legăturilor glicozidice ale amidonului (fig. 12.63), producând segmente poliglucidice scurte sau oligoglucide. În stomac α-amilazele salivare se inactivează la un nivel scăzut de pH, iar α-amilazele secretate de pancreas în intestinul subţire degradează amidonul producând maltoză şi maltotrioză (di-şi triglucide cu legături glicozidice (α1→4)) şi oligoglucide numite dextrine, fragmente de amilopectină care conţin legături glicozidice (α1→6). (C6H10O5)n + nH2O → nC12H22O11, reacţie catalizată de α-amilază Amidon

Maltoză

Glicogenul din alimente are o structură similară cu cea a amidonului, iar degradarea acestuia se realizează după aceeaşi cale metabolică. Dextrinele şi diglucidele pentru a pătrunde în celule trebuie să fie hidrolizate până la monoglucide. La acest proces de hidroliză participă enzimele localizate pe suprafaţa celulelor epiteliale ale intestinului. Dextrine + nH2O → nD-glucoză, reacţie catalizată de dextrinază Maltoză + H2O → 2 D-glucoză, reacţie catalizată de maltază Lactoză + H2O → D-galactoză + D-glucoză, reacţie catalizată de lactază Zaharoză + H2O → D-fructoză + D-glucoză, reacţie catalizată de zaharază Trehaloză + H2O → 2 D-glucoză, reacţie catalizată de trehalază 270

Fig.12.63. Căile de catabolism al poliglucidelor, diglucidelor şi hexozelor în stadiul pregătitor al glicolizei [6]

În procesul de digestie a alimentelor poli- şi diglucidele se descompun până la monoglucide ̶ unica formă asimilată şi metabolizată de celule. Locul de bază al scindării amidonului şi glicogenului este intestinul subţire, acolo unde funcţionează enzimele α-amilaze secretate de pancreas. În industria alimentară larg se utilizează preparate enzimatice amilolitice şi pectolitice, obţinute prin sinteza microbiană [7]. -Amilaza descompune complet amiloza, transformând-o în maltoză. Pentru hidroliza completă a amidonului se utilizează - şi -amilaze. Protopectinaza hidrolizează legăturile dintre acidul poligalacturonic metoxilat şi arabanii, galactanii legaţi de acesta, formându-se acid poligalacturonic metoxilat liber (pectina solubilă). Pectinesteraza (pectaza) catalizează hidroliza acidului poligalacturonic metoxilat până la alcool metilic şi acid poligalacturonic. Poligalacturonaza (pectinaza) hidrolizează legăturile glicozidice între resturile de acid galacturonic care nu conţin grupări metoxil. Preparatele enzimatice pectolitice se utilizează pentru limpezirea sucurilor de fructe, struguri şi pentru mărirea randamentului lor. Aceste preparate transformă soluţiile coloidale în soluţii adevărate, iar impurităţile din soluţie se precipită. Enzimele pectolitice din fructe determină înmuierea lor în timpul coacerii şi depozitării.

271

TESTE DE EVALUARE 1. Completaţi spaţiile libere din text. 1.1. Acetil-CoA se formează din....................., proces catalizat de sistemul enzimatic ............................ 1.2. În condiţii anaerobe acidul piruvic este supus degradării prin............................................................. 1.3. Ciclul Krebs are loc în......................................................................................................................... 1.4. Degradarea acizilor graşi are loc în........................................., prin................................................... 1.5. Căile de sinteză a ATP sunt: a).....................................................; b)................................................. 2. Alegeţi răspunsul corect din două variante alternative: Da / Nu. 2.1. Reacţia generală a glicolizei: 6CO2 + 6H2O → C6H12O6 + 6O2↑ 2.2. Accesul de oxigen inhibă fermentaţia alcoolică. 2.3. Degajarea de energie calorică de numeşte termogeneză. 2.4. Ciclul Krebs este o etapă finală în procesul de oxidare a glucidelor, grăsimilor şi proteinelor. 2.5. La oxidarea directă a zaharurilor se formează acid gluconic. 3. Alegeţi varianta sau variantele de răspuns corecte. 3.1. Glicoliză: a) scindare anaerobă a glucozei; b) scindare aerobă a glucozei; c) se produce ATP; d) descompunerea amidonului până la glucoză; e) formarea glucozei din compuşi anorganici; f) formarea acidului piruvic. 3.2. Fermentaţia alcoolică: a) acid piruvic; b) alcool etilic; c) aldehidă acetică; d) levuri; e) bacterii; f) CO2; g) glicerină. 3.3. Fermentaţii aerobe (oxidative): a) gluconică; b) alcoolică; c) lactică; d) acetică; e) citrică; f) butirică; g) propionică. 3.4. Ciclul pentozofosfaţilor: a) acid fosfogluconic; b) pentoze fosforilate şi nefosforilate; c) aldehidă glicerică; d) acid piruvic; e) eritrozo-4-fosfat; 3.5. Ciclul glioxilic se desfăşoară în: a) plante; b) animale; c) levuri; d) bacterii. 4. Asociaţi. Agenţi ai fermentaţiilor A. Fermentaţii anaerobe B. Fermentaţii aerobe

1. Clostridium 2. Propionibacterium 3. Lactobacillus 4. Acetobacter 5. Aspergillus niger 6. Saccharomyces 7. Gluconobacter

272

5. Selectaţi termenul care nu se încadrează în grupul tematic prezentat şi explicaţi de ce l-aţi separat. 5.1. Glicoliză, ciclul Krebs, fermentaţie, ciclul Calvin. 5.2. Ciclul Krebs, glicoliză, fermentaţia lactică, fermentaţie alcoolică, fermentaţie propionică. 5.3. Clostridium, Propionibacterium, Lactobacillus, Acetobacter, Saccharomyces. 6. Completaţi tabelul. Glicoliză / Ciclul Krebs Asemănări 1. 2. 3. 4.

Deosebiri 1. 2. 3. 4.

7. Scrieţi un referat la tema. 7.1. Caracteristica generală a procesului de respiraţie celulară. 7.2. Fermentaţiile folosite în industria alimentară. 7.3. Respiraţia celulară aerobă. 7.4. Tipuri specifice de oxidare a substratului respirator. 7.5. Descompunerea poli-şi oligoglucidelor.

GLOSAR ATP-ADP translocază ̶ proteină care asigură transportul moleculelor de ATP şi ADP prin membrana mitocondrială internă Carbanion ̶ ion care conține o pereche de electroni (cu sarcină negativă) neparticipanți la un atom de carbon, având trei covalențe. Compuşi macroergici ̶ compuşi care conţn legături macroergice, prin hidroliza cărora rezultă ≥7,3kcal/mol. Diacetil ̶ reprezentant al dicetonelor cu formula С4H6O2, produs secundar al fermentaţiei lactice. Echivalenţi reducători ̶ compuşi rezultaţi prin dehidrogenarea intermediarilor metabolici. Glioxizomi ̶ organite celulare de tipul peroxizomilor identificate la plante şi fungi filamentoşi, în care acizii graşi sunt hidrolizaţi până la acetil-CoA. Manitol ̶ substanță organică zaharată conținută în rășina de frasin și în unele ciuperci. Oligomicină ̶ antibiotic care inhibă sinteza ATP-ului în mitocondrii. Proteolipidă ̶ hetroproteină hidrofobă care conţine acizi graşi. Tonoplast ̶ membrană subțire ce înconjoară vacuola celulară. Levură ̶ ciupercă unicelulară care produce fermentația alcoolului.

273

BIBLIOGRAFIE 1. Bogdan, A., Ţogoe, I., Câmpeanu, G., Ivana, S., Enache, T ., Bărăitareanu, S., Iudith, I., Popescu, A. Microbiologia alimentelor. Vol.I. Editura Asclepius, Bucureşti, 2011.-294 p. 2. Duca, M. Fiziologie vegetală. − Chişinău, CEP USM, 2006.- 288 p. 3. Jelea, M. Microbiologie generală – Note de curs, CEPA II http: // chimie-biologie.ubm.ro / Cursuri on-line / Jelea Marian / Bioenergetica + fermentatii Note de curs.pdf. 4. Koolman, J., Roehm, K. Color Atlas of Biochemistry. Second edition, revised and enlarged, Stuttgart, New-York, 2005.-476 p. 5. Neamţu, G., Cîmpeanu, G., Socaciu, C. Biochimie vegetală: (partea dinamică). –Bucureşti: Editura didactică şi pedagogică, 1995.-350 p. 6. Nelson, D., Cox, M. Lehninger Principles of Biochemistry. Publisher: W. Freeman; 4th edition, April 23, 2004.- 1110 p. 7. Vrabie T., Musteaţă G. Biochimie. − Chişinău: U.T.M., 2006. -234 p. 8. http: Acetic acid bacteria //en.wikipedia.org/wiki/Acetic_acid_bacteria 9. http: Alcoholic-fermentation //pixgood.com/alcoholic-fermentation.html 10. http: Butyric acid //en.wikipedia.org/wiki/Butyric_acid 11. http: Ciclul Krebs //www.cursurimedicina.ro/files/Ciclul Krebs.doc 12. http: Citric acid //en.wikipedia.org/wiki/Citric_acid 13. http: Citric acid cycle //en.wikipedia.org/wiki/Citric_acid_cycle 14. http: Eduard Buchner //en.wikipedia.org/wiki/Eduard_Buchner 15. http: Electron transport chain //en.wikipedia.org/wiki/Electron_transport_chain 16. http: Emmental cheese //en.wikipedia.org/wiki/Emmental_cheese 17. http: Entner-Doudoroff pathway //en.wikipedia.org/wiki/Entner-Doudoroff_pathway 18. https: Fate of pyruvate made from glycolysis // sachabiochem0001.wordpress.com / 2013 / 03 / 23 / fate-of-pyruvate-made-from-glycolysis / 19. http: Glicoliza //ro.wikipedia.org/wiki/Glicoliza_Calea_Embden-Meyerhoff-Parnas 20. http: Lactic acid fermentation //pixgood.com/lactic-acid-fermentation.html 21. http: Lactic acid fermentation //en.wikipedia.org/wiki/Lactic_acid_fermentation 22. http: Lanţul respirator şi Ciclul Krebs //www.academia.edu/10131694/Lantul-Resp_Ciclul-Krebs2014 23. http: Pentose phosphate pathway //en.wikipedia.org/wiki/Pentose_phosphate_pathway 24. http: Propionibacterium //en.wikipedia.org/wiki/Propionibacterium 25. http: Pyruvate decarboxylase //en.wikipedia.org/wiki/Pyruvate_decarboxylase 26. http: The Nobel Prizes // www.nobelprize.org / nobel_prizes/ 27. http: Yeast in winemaking //en.wikipedia.org/wiki/Yeast_in_winemaking 28. Анисимов, А., Леонтьева, А., Александрова, И., Каманина, М., Бронштейн, Л. Основы биохимии. Учебник для вузов. –Москва: Высшая школа, 1986.-551 с. 29. Кретович, В. Л. Биохимия растений. М.: Высшая школа, 1986. -503 с.

274

CAPITOLUL 13. METABOLISMUL AMINOACIZILOR ŞI AL AMONIACULUI 13.1. Circuitul azotului în biosferă 13.2. Anabolismul aminoacizilor 13.3. Catabolismul aminoacizilor 13.4. Metabolismul amoniacului 13.1. CIRCUITUL AZOTULUI ÎN BIOSFERĂ Azotul este un element indispensabil pentru creşterea şi dezvoltarea organismelor. Acesta intră în constituţia moleculară a aminoacizilor, substanţelor proteice, acizilor nucleici, aminelor, amidelor, clorofilei, a unor vitamine, coenzime, fitohormoni, glicozide, ATP etc. Azotul este un element larg răspândit în natură, fiind prezent în toate organismele vegetale şi animale. Transformarea compuşilor azotaţi organici în compuşi anorganici şi invers se realizează printr-un ciclu de reacţii care asigură circuitul azotului în natură (fig. 13.1). Azotul are un rol esenţial în procesele de nutriţie. Plantele şi microorganismele pot folosi pentru biosinteza compuşilor azotaţi azotul anorganic (sub formă nitrică ̶ azotaţi, azotiţi sau sub formă amoniacală ̶ săruri de amoniu). Azotul anorganic din sol rezultă în urma mineralizării resturilor animale, plante etc. şi constituie 1 ̶ 2%, iar azotul organic constituie 98 ̶ 99% [1]. Omul şi animalele folosesc pentru biosinteza compuşilor azotaţi doar azot organic. Azotul nitric (NO3 ̶ ) este o formă solubilă în soluţia solului asimilată direct de către plante. În celulele plantelor azotul nitric este redus până la azotul nitros (NO2 ̶ ) şi apoi la azot amoniacal (NH3 sau NH4+). Amoniacul prin acceptarea unui proton formează un cation de amoniu: NH3 + H+ → NH4+. Azotul nitric din sol provine fie din îngrăşămintele chimice administrate, fie se formează prin oxidarea amoniacului de către bacteriile nitrificatoare Nitrosomonas şi Nitrobacter (fig. 13.1). Procesul de oxidare a amoniacului şi formare de nitriţi şi nitraţi se numeşte nitrificare. Bacteriile Nitrosomonas oxidează amoniacul ̶ 2NH4+ + 3O2 → 2 NO2 ̶ + 2H2O + 4 H+, iar bacteriile Nitrobacter oxidează nitriţii ̶ 2NO2 ̶ + O2 → 2 NO3 ̶ [8]. Procesul de reducere a azotaților și a azotiților din sol până la azot liber sau oxizi de azot datorită activității microorganismelor anaerobe, se numeşte denitrificare. Acest proces se realizează de bacterii facultativ anaerobe heterotrofe Paracoccus denitrificans, din familia Pseudomonadaceae în conformitate cu Fig. 13.1. Schema generală a circuitului azotului în biosferă [4] următoarea schemă [6]: NО3 ̶ → NО2 ̶ → NO → N2O → N2 275

Azotul amoniacal este fixat de către complexul absorbtiv al solului şi este asimilat direct de către plante. În organismele vegetale, azotul amoniacal participă direct la biosinteza aminoacizilor sau este fixat sub formă de săruri de amoniu ale acizilor organici sau amide ale acizilor aspartic sau glutamic. Azotul amoniacal din sol provine din îngrăşămintele chimice sau din resturile substanţelor organice în curs de degradare. Descompunera compuşilor organici azotaţi în azot amoniacal se desfăşoară cu participarea bacteriilor de putrefacţie din genurile Bacillus, Clostridium şi se numeşte amonificare. În condiţii naturale nutriţia plantelor cu azot se realizează cu anionii NО3 ̶, NО2 ̶ şi cationii NH4+. Formele minerale de azot pătrund în plante şi sunt supuse unui ciclu complex de transformare şi în cele din urmă se includ în componenţa substanţelor organice azotoase – aminoacizi, amide, proteine. Veriga principală în metabolismul substanţelor organice azotoase este amoniacul. Din amoniac se sintetizează substanţe azotoase, care la rândul său se descompun până la amoniac. O altă sursă de nutriţie pentru plante o constituie azotul atmosferic, care este fixat şi transformat în azot anorganic de către unele microorganisme care trăiesc liber în sol ̶ bacterii anaerobe din genul Clostridium, bacterii aerobe din genul Azotobacter, cianobacterii (alge albastre-verzi). Transformarea azotului atmosferic în azot amoniacal se poate realiza şi de bacterii azotfixatoare simbiotice din genurile Rhizobium şi Bacillus, care trăiesc pe nodozităţile rădăcinilor plantelor din familia Fabaceae (fig. 13.2). Fig. 13.2. Nodozităţi pe rădăcina de trifoi ce conţin Interacţiunea dintre bacterie şi plantă se realizează pe cale chimică, prin intermediul unor flavonoizi bacterii azotfixatoare din genul Rhizobium [4]. A. Nodozităţi pe rădăcina de trifoi. sintetizaţi de către rădăcini, care induc expresia la B. Bacterii simbiotice fixatoare de azot (roşu) din interiorul microorganisme a genelor implicate în formarea nodozităţilor, înconjurate de o membrană (albastru). nodozităţilor. La bacteriile simbiotice este * ̶ Nucleele celulare sunt colorate în galben / verde. prezentă enzima nitrogenaza care catalizează reacţia de fixare biologică a azotului atmosferic (N2) şi transformare a acestuia în cationi de amoniu (NH4+) [9]: N2 + 8e ̶ + 8H+ +16 ATP → 2NH3 + H2 + 16 ADP + 16 Pi Enzima nitrogenaza este alcătuită din două unităţi structurale care conţin Mo, Fe şi una care conţine Fe. Genele care codifică aceste subunităţi sunt active în condiţii anaerobe, iar nivelul oxigenului din noduli este reglat de către heteroproteina lehemoglobina, a cărei parte proteică este codificată de gena plantei, iar hemul ̶ de gena bacteriei [1]. 13.2. ANABOLISMUL AMINOACIZILOR Aminoacizii constituie substanţele fundamentale necesare atât biosintezei substanţelor proteice, cât şi biosintezei bazelor purinice şi pirimidinice. Metabolismul aminoacizilor cuprinde anabolismul sau biosinteza aminoacizilor şi catabolismul sau degradarea lor. În celulele bacteriene şi vegetale se sintetizează toţi 20 de aminoacizii proteici standard, în timp ce în celulele animale se pot sintetiza doar 12 de aminoacizi (neesenţiali) ̶ acid glutamic, glutamină, prolină, arginină, serină, glicină, cisteină, acid aspartic, asparagină, alanină, tirozină, histidină. Opt din aminoacizii proteici (esenţiali), nu se sintetizează în celula animală: triptofan, fenilalanină,

276

metionină, lizină, valină, treonină, izoleucină, leucină. Energia necesară pentru sinteza aminoacizilor se obţine prin degradarea glucidelor.

Fig. 13.3. Schema generală de biosinteză a aminoacizilor proteici [2]

Toţi aminoacizii proteici derivă de la metaboliţi intermediari care se formează în cadrul glicolizei (acid 3-fosfogliceric, acid fosfoenolpiruvic, acid piruvic), ciclului Krebs (acid cetoglutaric, acid oxalacetic) sau ciclului pentozofosfaţilor (eritrozo-4-fosfat, ribozo-5-fosfat ̶ fig. 13.3, tab. 13.1). Tabelul 13.1. Biosinteza grupelor de aminoacizi [4] Precursor metabolic Grupa de aminoacizi Acid α-cetoglutaric Acid glutamic, glutamină, prolină, arginină Acid 3-fosfogliceric Serină, glicină, cisteină Acid oxalacetic Acid aspartic, asparagină, metionină, treonină, lizină Acid piruvic Alanină, valină, leucină, izoleucină Fosfoenolpiruvat şi eritrozo-4-fosfat Triptofan, fenilalanină, tirozină Ribozo-5-fosfat Histidină Biosinteza aminoacizilor se realizează pe trei căi metabolice principale [19]:  aminarea reductivă a α-cetoacizilor sau a acizilor organici nesaturaţi; 277

 

transaminarea aminoacizilor şi a α-cetoacizilor; transformări reciproce ale unor aminoacizi.

Biosinteza aminoacizilor prin aminare reductivă Asimilarea primară a amoniacului la toate organismele vii se realizează pe trei căi cu formarea a trei compuşi organici: acid glutamic, glutamină şi carbamilfosfat. Gruparea aminică a acidului glutamic şi gruparea amidică a glutaminei, în mod direct sau indirect, sunt sursele principale de azot din componenţa aminoacizilor. Azotul carbamilfosfatului se foloseşte doar la sinteza argininei şi a bazelor azotate pirimidinice. 1. Calea I de asimilare a amoniacului se realizează prin includerea acestuia în acidul glutamic (fig. 13.4), proces care poate fi prezentat schematic astfel [19]: α-Cetoglutarat + NH4+ + [NADH sau NADPH] ↔ Glutamat + [NAD+ sau NADP+] + H2O Această reacţie este catalizată de glutamatdehidrogenaze, enzime prezente în toate organismele. Acestea se deosebesc după numărul de subunităţi din moleculă şi specificitatea lor în raport cu NAD+ şi NADP+. Acidul glutamic, format prin aminare reductivă directă, joacă un rol deosebit în procesele de transaminare a αcetoacizilor şi respectiv în biosinteza altor aminoacizi, deoarece este principalul donor Fig. 13.4. Schema generală de formare a acidului glutamic de grupări aminice ̶ NH2. prin aminare reductivă [4] Alţi cetoacizi care participă la biosinteza aminoacizilor prin aminare reductivă directă sunt acizii piruvic şi oxaloacetic, care se formează în cantităţi mari prin degradarea aerobă a glucidelor în procesul de respiraţie celulară. În mod analogic, la unele bacterii, levuri şi plante are loc aminarea reductivă directă a acidului piruvic cu formare de alanină (fig. 13.5), reacție catalizată de alanindehidrogenază şi aminarea reductivă a acidului oxaloacetic cu formare de acid aspartic (fig.13.6), sub acțiunea enzimei aspartatdehidrogenaza.

Fig. 13.5. Reacţia de aminare reductivă a acidului piruvic [3]

Fig. 13.6. Reacţia de aminare reductivă a acidului oxaloacetic [3]

278

2. Calea a II-a de asimilare a amoniacului se realizează prin utilizarea acidului glutamic format la fixarea unei alte molecule de amoniac. Acest proces poate fi prezentat prin reacţia generală [4]: Glutamat + NH4+ + ATP → Glutamină + ADP + Pi + H+ Această reacţie este catalizată de o enzimă reglatoare cu structură terţiară glutaminsintetaza prezentă în toate organismele. Atunci când cantitatea de amoniac este limitată, procesul de asimilare a acestuia sub acţiunea glutaminsintetazei se poate realiza la bacterii şi la plantele superioare în conformitate cu următoarea schemă [4]: α-Cetoglutarat + Glutamină + NADPH + H+ → 2 Glutamat + NADP+ Aminoacidul asparagina se poate sintetiza prin aminarea directă a acidului aspartic cu NH4+ (fig. 13.7):

Fig. 13.7. Reacţia generală a aminării directe a acidului aspartic [10]

3. Calea a III-a de asimilare a amoniacului se desfăşoară cu formarea carbamilfosfatului, reacţie catalizată de enzima carbamilfosfatsintetaza. Procesul de formare a carbomilfosfatului poate fi prezentat astfel [19]: NH3 + CO2 + 2ATP + H2O → H2N ̶ CO ̶ O ̶ PO3H2 + 2ADP + Pi Carbamilfosfat La formarea carbamilfosfatului se poate utiliza şi glutamina, proces care se realizează la biosinteza pirimidinelor [19]: Glutamină + CO2 + 2ATP → Glutamat + H2N ̶ CO ̶ O ̶ PO3H2 + 2ADP + Pi Carbamilfosfat De asemenea, se cunoaşte un tip specific de asimilare a amoniacului. La unele bacterii se realizează un proces de aminare reductivă, catalizat de enzima aspartatamoniacliaza. Bunăoară, prin aminarea directă a acidului fumaric se formează acid aspartic (fig. 13.7).

Fig. 13.7. Reacţia generală a aminării directe a acidului fumaric [19]

Aşadar, în rezultatul aminării directe se formează un număr relativ mic de aminoacizi proteici (acid glutamic, glutamină, acid aspartic, asparagină şi alanină) şi alţi compuşi azotaţi cu amoniac

279

fixat. Ceilalţi aminoacizi proteici se sintetizeză în cadrul unor procese de o complexitate diferită. Calea metabolică principală de biosinteză a aminoacizilor este transaminarea amino- şi a α-cetoacizilor.

Biosinteza aminoacizilor prin transaminare şi transformări reciproce Transaminarea este procesul de transfer a grupei aminice de pe un aminoacid pe un α-cetoacid cu formarea unui aminoacid şi cetoacid nou. Reacţia generală a procesului de transaminare poate fi prezentată astfel (fig. 13.8):

Fig. 13.8. Reacţia generală de transaminare [4]

Fig. 13.9. Structura piridoxaminei [4]

chimică

a

piridoxalfosfatului

şi

Transaminarea se poate produce atât în cursul biosintezei cat şi în procesul degradării aminoacizilor. Reacţiile de transaminare sunt catalizate de enzime transaminaze sau aminotransferaze. Acestea au fost identificate la microorganisme, plante şi animale. Coenzima transaminazelor este piridoxalfosfatul care funcţionează ca acceptor intermediar al grupei aminice ( ̶ NH2), transformându-se în forma sa aminată ̶ piridoxamină (fig. 13.9). Piridoxalfosfatul se leagă de enzimă prin interacţiuni necovalente şi printr-o legătura între baza Schiff cu un rest de lizină în centrul activ al enzimei. Donori principali de grupări aminice sunt acidul glutamic, acidul aspartic şi amidele lor ̶ glutamina şi asparagina. Acceptori principali de grupări aminice sunt acizii α-cetoglutaric, oxaloacetic şi acidul piruvic. Astfel, prin transaminarea acidului glutamic se poate forma acid α-cetoglutaric şi acid aspartic (fig. 10.10). În această reacţie acceptor de grupă aminică este acidul oxaloacetic, iar enzima care catalizează reacţia chimică poartă denumirea de glutamat-oxaloacetattransaminaza (GOT) sau aspartataminotransferaza (AST).

280

Fig. 13.10. Reacţie de transaminare a acidului glutamic [7]

Atunci când acceptor de grupare aminică este acidul piruvic se poate forma acid α-cetoglutaric şi alanină (fig. 13.11). Această reacţie este catalizată de enzima glutamat-piruvattransaminaza (GPT) sau alaninaminotransferaza (ALT).

Fig. 13.11. Reacţie de transaminare a acidului glutamic [3]

Acceptor de grupă aminică poate fi şi acidul aspartic care utilizează în calitate de sursă de azot grupa aminică a glutaminei (fig. 13.12).

Fig. 13.12. Reacţia generală de biosinteză a asparaginei prin transaminare [10]

Biosinteza aminoacizilor se realizează fie pe o cale comună tuturor aminoacizilor cum este aminarea reductivă sau transaminarea, fie pe o cale specifică, caracteristică anumitor aminoacizi. Astfel, o parte din aminoacizii proteici se pot forma în rezultatul unor transformări reciproce: acid glutamic → prolină; serină → glicină; fenilalanină → tirozină; arginină → ornitină Între biosinteza aminoacizilor neesenţiali şi esenţiali se atestă anumite deosebiri. Procesele de biosinteza a aminoacizilor esenţiali includ 5 ̶ 15 etape, iar cele de biosinteză a aminoacizilor neesenţiali ̶ mai puţin de 5 etape.

281

Prolina se formează la reducerea glutamatului fosforilat, ciclizarea şi reducerea repetată a acestuia (anexa 2) [4]. Cei cinci atomi de carbon ai prolinei derivă de la acid glutamic. Arginina se poate sintetiza la mamifere, în cantităţi mici, din ornitină în cadrul ciclului ureei (anexa 2). Arginina sintetizată prin ciclul ureei se hidrolizează rapid până la uree, reacţie catalizată de enzima arginaza. La bacterii şi plante gruparea guanidinică conţine un atom de azot inclus de la carbamilfosfat şi doi atomi de azot primiţi de la acidul glutamic. Din arginină se poate sintetiza ornitină. La rândul său, ornitina se poate transforma în prolină sub acţiunea enzimei ornitinciclaza în cadrul reacţiilor de dezaminare oxidativă, ciclizare şi reducere a ornitinei. Cisteina la mamifere se formează din metionină (donor de sulf) şi serină (donor de catenă de carbon şi grupă aminică). În rezultatul unui şir de reacţii are loc substituţia grupării ̶ OH a serinei cu gruparea sulfhidrilică a homocisteinei care, la rândul său, se formează din metionină (fig. 13.13 A).

Fig. 13.13 A. Biosinteza cisteinei din homocisteină şi serină la animale [4]; * ̶ PLP ̶ piridoxal 5'-fosfat

Fig. 13.13 B. Biosinteza cisteinei din serină la bacterii şi plante [4]

La bacterii şi plante sulfura de hidrogen (H2S) este utilizată în calitate de sursă de sulf la sinteza cisteinei (fig. 13.13 B). Serina se formează din acid 3-fosfogliceric metabolit intermediar al glicolizei (fig. 13.14). Glicina se sintetizează după înlăturarea unui atom β-carbon al serinei, reacţie catalizată de enzima serinhidroximetiltransferaza. La reacţie participă coenzima ̶ acidul tetrahidrofolic, derivat al acidului folic. Tetrahidrofolatul asigură transferul atomului de carbon C3 al serinei în formă de punte metilenică între atomii N5 şi N10, formându-se metilentetrahidrofolat (fig. 13.14).

282

Fig. 13.14. Schema biosintezei serinei din 3-fosfoglicerat şi a glicinei din serină [4]; * ̶ PLP ̶ piridoxal 5'-fosfat

Incapacitatea animalelor de a sintetiza aminoacizi esenţiali se explică prin faptul că în organismul acestora nu se formează cetoacizi, din care prin aminare se produc aminoacizi corespunzători. Bacteriile şi plantele superioare au cai metabolice identice sau similare de sintetiză a aminoacizilor esenţiali. Lizina la bacterii şi plantele superioare se sintetizează în rezultatul condensării aspartatului cu piruvat prin acid diaminopimelinic (anexa 3) [4]. La mucegaiuri lizina se sintetizează din αcetoglutarat şi acetil-CoA prin acid α-aminoadipinic. Valina, leucina şi izoleucina sunt aminoacizi esenţiali care au o caracteristică structurală comună ̶ o grupare alifatică ramificată. Biosinteza acestor aminoacizi porneşte de la piruvat, din care se formează o grupă acetaldihidică activă care la rândul său se condensează cu a doua moleculă de αcetoacid (piruvat, α-cetoizovalerat sau α-cetobutirat). În rezultatul unor transformări chimice se formează un α-cetoacid ̶ analog al aminoacidului respectiv, iar la ultima etapă are loc transaminarea αcetoacidului cu glutamat (fig. 13.15).

Fig. 13.15. Etapele finale ale biosintezei izoleucinei, valinei şi leucinei [4]; 21 ̶ izoleucin şi valin aminotransferază; 25 ̶ leucin aminotransferază; PLP ̶ piridoxal 5'-fosfat

Pe lângă aceasta, izoleucina se poate forma şi din treonină (fig. 13.3).

283

Metionina şi treonina se sintetizează din acid aspartic cu participarea ATP-ului, NADH+ şi a enzimelor cu grupări prostetice reprezentate de piridoxalfosfat şi derivatul redus al cobalaminei (enzima B12). La biosinteza metioninei N5-metiltetrahidrofolatul este donor de grupă metilică. Primele etape ale biosintezei aminoacizlor respectivi se desfăşoară identic, apoi la nivel de homoserină are loc separarea căilor metabolice (fig. 13.16 şi fig. 13.17).

Fig. 13.16., 13.17. Schema biosintezei treoninei şi a metioninei [4]; 1 ̶ aspartokinază; 2 ̶ aspartat β-semialdehid dehidrogenază; 3 ̶ homoserină dehidrogenază; 4 ̶ homoserină kinază; 5 ̶ treonină sintetază; 6 ̶ homoserină aciltransferază; 7 ̶ cistationină γ-sintetază; 8 ̶ cistationină β-liază; 9 ̶ metionină sintetază; PLP ̶ piridoxal 5'-fosfat

Calea metabolică de biosinteză a aminoacidului histidina este complexă şi constă din nouă reacţii chimice. Compuşii iniţiali ai lanţului metabolic sunt 5-fosforibozil-1-pirofosfat (PRPP), glutamina şi ATP-ul. În cadrul reacţiilor are loc desfacerea inelului purinic al AMP-ului. Atomii care derivă de la PRPP şi ATP sunt coloraţi în roz şi albastru. Doi atomi de azot ai histidinei, coloraţi în verde, derivă de la glutamină şi acid glutamic (fig. 13.18).

Fig. 13.18 A. Structura chimică a compuşilor iniţiali ai căii metabolice de sinteză a histidinei [4]

284

Fig. 13.18 B. Etapele finale ale biosintezei histidinei [4]; * ̶ 7 ̶ L-histidinol fosfat aminotransferază; 8 ̶ histidinol fosfat fosfatază; 9 ̶ histidinol dehidrogenază

Tirozina, fenilalanina şi triptofanul sunt aminoacizii aromatici care se formează în rezultatul interconversiunii unor acizi organici ciclici. Precursorul chimic al aminoacizilor respectivi este acidul şichimic (anexa 4) [4]. Donori de atomi de carbon ai inelului benzenic şi ai catenei laterale a şichimatului sunt eritrozo4-fosfatul (colorat în roz) şi fosfoenolpiruvatul (colorat în albastru). Acidul şichimic se transformă ulterior în acid corismic. La această etapă are loc ramificaţia căilor metabolice de sinteză a acizilor aromatici. Formarea prefenatului conduce la biosinteza fenilalaninei şi a tirozinei (anexa 3), iar antranilatul este precursorul triptofanului (fig. 13.19).

Fig. 13.19. Schema biosintezei triptofanului [4]; 1 ̶ antranilat sintetază; 2 ̶ antranilat fosforiboziltransferază; 3 ̶ N-(5'- fosforibozil)-antranilat izomerază; 4 ̶ indol-3glicerol fosfat sintetază; 5 ̶ triptofan sintetază; PLP ̶ piridoxal 5'-fosfat

Inelul indolic al triptofanului derivă de la scheletul carbonic şi gruparea aminică a antranilatului, iar doi atomi de carbon îşi trag originea de la 5-fosforibozil-1-pirofosfat (PRPP ̶ fig. 13.18 A ). Acesta

285

din urmă este un metabolit intermediar în unele căi metabolice de sinteză a aminoacizilor, nucleotidelor şi derivă de la ribozo-5-fosfat, produs al ciclului pentozofosfaţilor: Ribozo-5-fosfat + ATP → 5-fosforibozil-1-pirofosfat + AMP La animale tirozina se formează din fenilalanină prin hidroxilare la atomul C4 al grupei fenolice, reacţie catalizată de enzima fenilalaninăhidroxilaza. Atomul de H colorat în roz este transferat direct de la C4 la C3 (fig. 13.20). În natură cantitatea de azot asimilabil de către sistemele biologice este limitată. Prin urmare, organismele vii utilizează raţional formele reduse de azot pentru necesităţile metabolismului. Biosinteza aminoacizilor este un proces care se reglează prin retroinhibiţie (mecanism feed-back) graţie funcţionării enzimelor reglatoare. Aminoacidul nou sintetizat acţionează ca un inhibitor asupra unei din primele reacţii de biosinteză a aminoacidului respectiv.

Fig. 13.20. Schema biosintezei tirozinei la animale [4]

Alt mecanism de reglare a biosintezei aminoacizilor este cel genetic. În cadrul acestui mecanism se reglează sinteza enzimelor care catalizează reacţiile de biosinteză, prin inhibarea şi activarea genelor respective. Ambele mecanisme de reglare asigură prezenţa în celulă a unei cantităţi echilibrate de aminoacizi proteici. 13.3. CATABOLISMUL AMINOACIZILOR În celulă sunt prezenţi aminoacizi liberi care se formează prin biosinteză sau hidroliza proteinelor, polipeptidelor şi peptidelor. O parte din aminoacizii liberi existenţi se folosesc la biosinteza de noi peptide, polipeptide şi proteine, iar o altă parte se degradează parţial sau total cu formare de dioxid de carbon, apă şi amoniac. Aminoacizii, din care se sintetizează glucoză, în cadrul procesului de gluconeogenză, se numesc aminoacizi glucogenici. Aminoacizii, din care se formează acetoacetil-CoA sau acetil-CoA, utilizaţi la sinteza corpilor cetonici, poartă denumirea de cetogenici. O parte din aminoacizi fac parte din ambele grupe: gluco-şi cetogenici. Leucina şi lizina sunt aminoacizi exclusiv cetogenici (fig. 13.21).

286

Fig. 13.21. Schema generală de degradare a aminoacizilor proteici [4]

Un tip de reacţie comună în catabolismul aminoacizilor este reacţia de transfer monocarbonică, la care participă trei cofactori enzimatici: biotină, tetrahidrofolat sau S-adenozilmetionină (fig. 13.22). Aceşti cofactori transferă grupe monocarbonice în diferite stări de oxidare: 1) biotina transferă carbonul în starea cea mai oxidată, în formă de CO2; 2) tetrahidrofolatul transferă grupe monocarbonice în stări de oxidare intermediare; 3) S-adenozilmetionina transferă grupe metilice, cea mai redusă formă a carbonului.

Fig. 13.22. Structura cofactorilor enzimatici participanţi în reacţii de transfer la atomii de carbon [4]; * ̶ atomii de azot ataşaţi la grupele de carbon în molecula de tetrahidrofolat sunt coloraţi în alabastru

287

Aminoacizii fenilalanina, tirozina, izoleucina, leucina, triptofanul, treonina şi lizina se degradează până la acetoacetil-CoA şi / sau acetil-CoA (anexa 5) [4]. Aminoacizii alanina, glicina, serina, cisteina, triptofanul şi treonina se pot descompune până la piruvat (anexa 6), care, la rândul său, poate fi transformat în acetil-CoA (precursor al corpilor cetonici) sau până la oxaloacetat (din care se poate sintetiza glucoză prin gluconeogeneză). Aminoacizii prolina, acidul glutamic, glutamina, arginina şi histidina pot fi transformaţi în α-cetoglutarat (anexa 7) [4]. Aminoacizii metionina, izoleucina, treonina şi valina se pot degrada până la succinil-CoA (anexa 8) [4]. Asparagina şi acidul aspartic se descompun până la oxaloacetat (fig. 13.23).

Fig. 13.23. Schema degradării aminoacizilor proteici până la oxaloacetat [4]; * ̶ PLP ̶ piridoxal 5'-fosfat

Un şir de boli ereditare umane sunt cauzate de mutaţii în genele care codifică enzimele implicate în catabolismul aminoacizilor (tab. 13.2). Tabelul 13.2. Unele boli ereditare umane care afectează catabolismul aminoacizilor [4] Denumirea bolii

Incidenţa bolii

Proces dereglat

Enzimă mutantă

Simptome şi efecte

Albinism