biochimie

UNIVERSITATEA “ALEXANDRU IOAN CUZA” IAŞI FACULTATEA DE BIOLOGIE Specializarea ECOLOGIE ŞI PROTECŢIA MEDIULUI ÎNVĂŢĂMÂNT LA DISTANŢĂ

TITULAR DISCIPLINĂ Şef lucr.dr. Elena CIORNEA

IAŞI 2009

Date de contact: - coordonator disciplină – şef lucr.dr. Elena CIORNEA e.mail: [email protected] - tutore: – şef lucr. dr. Elena CIORNEA Propuneri tematice pentru activităţi tutoriale: – compoziţia chimică a lumii vii – metabolismul glucidelor – metabolismul lipidelor – metabolismul proteinelor Obligaţiile minime ale studenţilor: – participarea activă la activităţile tutoriale – prezenţa obligatorie la orele de lucrări de laborator Modul de stabilire a notei finale: – 25% – activitatea de laborator – 25% – notele obţinute la verificările pe parcurs – 50% – nota la examen Teme de licenţă ce pot fi abordate la disciplina BIOCHIMIE: – Cinetica reacţiilor enzimatice cu un singur substrat – Studiul diferitelor principii active din diverse surse de origine animală şi vegetală – Rolul lipidelor complexe în structura membranelor biologice – Utilizarea practică a polizaharidelor – Rolul biologic al cromoproteinelor

2

INTRODUCERE Fiecare etapă a dezvoltării societăţii umane s-a caracterizat prin dezvoltarea cu precădere a anumitor domenii caracteristice pentru etapele respective. În ceea ce priveşte de exemplu pictura, sculptura astronomia etc., umanitatea a aşezat la loc de cinste în primul rând operele Evului mediu în timp ce apariţia zorilor capitalismului s-a caracterizat prin dezvoltarea fără precedent a tehnologiilor. În vremurile noastre putem afirma fără a greşi că secolul XX a fost secolul fizicii iar secolul XXI va aparţine cu siguranţă dezvoltării biotehnologiilor. Progresele tehnologice moderne au permis extinderea şi aprofundarea studiilor referitoare la diverşi constituenţi celulari şi subcelulari. Noile cuceriri ale biotehnologiei nu sunt însă posibile fără aportul substanţial al unor ştiinţe de graniţă, în marea lor majoritate „tinere”, cum ar fi biochimia, biofizica, biologia moleculară, microbiologia industrială şi altele. Biochimia este definită ca fiind ştiinţa ce se ocupă cu studiul structurii chimice a organismelor vii, totalitatea reacţiilor şi transformărilor care au loc în celula vie, reglarea acestora şi interdependenţa permanentă cu mediul înconjurător. Din punctul de vedere al de obiectului de studiu distingem mai multe ramuri ale biochimiei: – Biochimie microbiană – Biochimie vegetală – Biochimie animală În ultimul secol, în cadrul biochimiei animalelor, o amploare deosebită a fost înregistrată de biochimia omului, în special biochimia medicală sau clinică, dată fiind importanţa practică imensă a acesteia pentru păstrarea sănătăţii omului. În funcţie de modul de abordare a problemelor studiate, se disting două ramuri principale ale biochimiei: – Biochimie structurală (descriptivă) – Biochimie dinamică (biochimia metabolismului) Din punct de vedere istoric, biochimia devine o ştiinţă de sine stătătoare în cea de a doua jumătate a secolului al XIX-lea când ea s-a desprins din complexul ştiinţelor chimice şi biologice. Locul biochimiei între ştiinţele moderne poate fi considerat unul central. Pe de o parte , dezvoltarea biochimiei nu ar fi fost posibilă fără aportul unor ştiinţe clasice cum ar fi biologia, chimia, fizica, matematica etc. Pe de altă parte, realizările ştiinţifice ale biochimiei au contribuit şi contribuie la dezvoltarea altor ştiinţe şi domenii ale activităţii umane cum ar fi genetica, fiziologia, medicina, biotehnologia (domeniu nou, deosebit de vast care poate să ofere soluţii avantajoase în rezolvarea multor probleme practice de interes major), industria alimentară etc.

3

I. BIOCHIMIA STRUCTURALĂ I.1. Compoziţia chimică a organismelor vii Organismele vii conţin aproape toate elementele chimice întâlnite în lumea nevie (moartă). Compoziţia chimică a organismelor vii este extrem de complexă datorită constituţiei diferite a compuşilor biochimici, precum şi datorită proporţiei diferite a elementelor chimice întâlnite în lumea vie. În funcţie de ponderea şi rolul pe care îl joacă în celula vie, elementele chimice se clasifică astfel: a) bioelemente majore (macrobioelemente) care îndeplinesc de regulă un rol plastic (structural) găsindu-se în cantităţi majore – C, H, O, N, P, S, Ca, K, Na etc. b) microelemente care sunt bioelemente ce intră în cantităţi foarte mici în constituţia vieţuitoarelor dar sunt absolut indispensabile vieţii – B, Al, V, Cr, Mn, Zn, I, Mo, Sr etc. Bioelementele, atât cele majore cât şi microelementele, se găsesc în cantităţi mici şi foarte mici în stare liberă în organism. În marea lor majoritate ele intră în structura unor substanţe chimice specifice lumii vii care se numesc biomolecule. În funcţie de natura acestora, biomoleculele se împart în două clase: a) molecule bioanorganice (apa, sărurile minerale) b) molecule bioorganice (glucide, lipide , aminoacizi, peptide, proteine, acizi nucleici, vitamine, hormoni, factori de creştere etc.). I. 1.1. Molecule bioanorganice – componenţii minerali ai organismelor vii Principalele substanţe anorganice întâlnite în toate organismele vii sunt reprezentate de apă şi săruri minerale. Apa este un constituent absolut indispensabil tuturor organismelor vii, deoarece toate procesele celulare care stau la baza vieţii nu pot avea loc în lipsa apei. Chiar şi diminuarea mai mult sau mai puţin accentuată a conţinutului de apă în celule şi ţesuturi determină scăderea sau chiar încetarea funcţiilor vitale. Conţinutul în apă al organismelor vii este extrem de variat, oscilând între 20-30% în seminţe, tulpinile plantelor lemnoase, ţesutul osos etc. şi 95-98% în frunze, microorganisme, multe ţesuturi animale etc. Principala funcţie a apei în lumea vie o constituie rolul său de mediu de reacţie pentru toate procesele biochimice. În acelaşi timp, apa reprezintă mijlocul de transport pentru metaboliţi (seva plantelor, sângele, urina, lichidul cefalorahidian, limfa etc.) Apa legată este reprezentată de acea cantitate de apă care înconjoară biomoleculele organice şi care prezintă proprietăţi diferite. Astfel, această apă nu îngheaţă nici chiar la –100oC, fapt ce explică existenţa formelor de viaţă în condiţii extreme cum ar fi zonele polare, gheţarii etc. Sărurile minerale sunt prezente în toate organismele vii, în diferite proporţii. În mediul celular, care este un mediu apos, aceste săruri se găsesc sub formă ionizată. Cel mai frecvent se întâlnesc ioni de Na+, K+, Ca2+, Mg2+, NO3–, PO43–, SO42–, Cl– etc. I.1.2. Molecule bioorganice I.1.2.1. Aminoacizii – unităţi structurale de bază ale proteinelor Definiţie, structură chimică, răspândire în natură Aminoacizii sunt compuşi organici cu funcţiune mixtă (conţin în moleculă o grupare amino – NH2 şi o grupare carboxilică –COOH) şi reprezintă unităţile structurale de bază ale proteinelor. Din cei aproximativ 200 de aminoacizi cunoscuţi în prezent, un număr de 20 sunt proteinogeni, adică intră în mod curent în structura proteinelor. Din punct de vedere structural, aminoacizii proteinogeni sunt α–aminoacizi şi au formula generală: R – CH – COOH I NH2

Radicalul R poate fi alifatic, aromatic sau heterociclic. În funcţie de natura acestui radical, aminoacizii se clasifică în 7 clase.

4

1. Acizi monoamino-monocarboxilici. Din această clasă fac parte 5 aminoacizi proteinogeni cu catenă normală sau ramificată: glicina (glicocolul), alanina, valina, leucina şi izoleucina: CH 2 – COOH I NH 2 Glicocol (Gly)

CH 3 – CH – COOH I NH 2

CH 3 – CH – CH – COOH I I CH 3 NH 2 Valinã (Val)

Alaninã (Ala)

CH3 – CH2 – CH – CH – COOH I I CH3 NH2

CH3 – CH – CH 2 – CH – COOH I I NH2 CH 3

Leucinã (Leu)

Izoleucinã (Ile)

2. Hidroxiaminoacizii sunt aminoacizi ce conţin în molecula lor, în afara grupelor –NH2 şi – COOH şi o grupare alcoolică. Dintre aminoacizii proteinogeni, în această grupă intră serina şi treonina. CH3 – CH – CH – COOH I I OH NH2

CH2 – CH – COOH I I OH NH2 Serinã (Ser)

Treoninã (Thr)

3. Tioaminoacizii (aminoacizii cu sulf) conţin în molecula lor o grupare sulfhidril (–SH), alături de grupările amino şi carboxil. Dintre aminoacizii proteinogeni, în această grupă intră cisteina şi metionina: CH2 – CH – COOH I I SH NH2

CH2 – CH2 – CH – COOH I I NH2 S I CH3

Cisteinã (Cys)

Metioninã (Met)

4. Acizii monoamino-dicarboxilici conţin în molecula lor o grupare amino şi două grupe carboxil şi au caracter acid. Din această clasă fac parte acizii glutamic şi aspartic. În structura majorităţii proteinelor naturale se întâlnesc şi amidele acestora (glutamina şi respectiv asparagina). Unii autori consideră că acestea sunt aminoacizi ca atare (ceea ce înseamnă că există 22 de aminoacizi proteinogeni), iar alţi autori le consideră ca fiind derivaţi ai acidului glutamic, respectiv aspartic (şi, implicit, consideră că există 20 de aminoacizi proteinogeni): HOOC – CH2 – CH2 – CH – COOH I NH2 Acid glutamic (Glu)

O = C – CH2 – CH2 – CH – COOH I I NH2 NH2 Glutamina (Gln)

HOOC – CH2 – CH – COOH I NH2 Acid aspartic (Asp)

O = C – CH2 – CH – COOH I I NH2 NH2 Asparagina (Asn)

5. Acizii diamino-monocarboxilici, conţin în moleculă două grupări amino şi au caracter bazic. Ei intră în cantităţi mari în structura proteinelor bazice (de exemplu histonele şi protaminele), iar în cazul multor enzime bicomponente au rolul de a lega cofactorul enzimatic de apoenzimă prin legături puternice, covalente. De exemplu lizina, prin gruparea sa aminică din poziţia ε poate lega cofactori de tipul biotinei, acidului lipoic, acidului folic etc.: CH2 – CH2 – CH2 – CH2 – CH – COOH I I NH2 NH2 Lizinã (Lys)

HN = C – NH – CH2 – CH2 – CH2 – CH – COOH I I NH2 NH2 Argininã (Arg)

6. Aminoacizii aromatici conţin în molecula lor un nucleu benzenic. Dintre aminoacizii proteinogeni, din această clasă fac parte fenilalanina şi tirozina, aceasta din urmă putând fi considerată ca un derivat al fenilalaninei (p–hidroxi-fenilalanina):

5

– CH2 – CH – COOH I NH2

HO –

Fenilalaninã (Phe)

– CH2 – CH – COOH I NH2 Tirozinã (Tyr)

7. Aminoacizii heterociclici conţin în molecula lor un heterociclu care este de regulă pentaatomic (imidazolic sau pirolic). Din această grupă fac parte 4 aminoacizi proteinogeni: triptofanul, histidina, prolina şi hidroxiprolina: – CH2 – CH – COOH I NH2

– CH2 – CH – COOH I NH2 N

HN

N H Triptofan (Trp)

Histidinã (His)

HO – N H

– COOH

N H

Prolinã (Pro)

– COOH

Hidroxiprolinã (Pro–OH)

În afară de aminoacizii proteinogeni descrişi mai sus, care stau la baza structurii catenelor polipeptidice ale proteinelor native, în natură se întâlnesc şi alţi aminoacizi, atât sub formă liberă cât şi în structura unor compuşi biologic activi. Unii dintre ei îndeplinesc funcţii biochimice şi fiziologice importante, alţii reprezintă produşi intermediari în unele căi metabolice sau sunt precursori în biosinteza unor substanţe biologic active. Acidul γ–amino-butiric (GABA) este un important mediator chimic în sistemul nervos şi se formează în organism prin decarboxilarea enzimatică a acidului glutamic: CO2 HOOC – CH – CH 2 – CH 2 – COOH I PALP NH2 Glutamat- α-decarboxilaza Acid glutamic

CH2 – CH 2 – CH 2 – COOH I NH2 Acid γ–aminobutiric (GABA)

El îndeplineşte diferite funcţii printre care, cea mai importantă este cea de mediator chimic de blocare a sinapselor. Ornitina este un aminoacid cu caracter bazic (din clasa acizilor diamino-monocarboxilici) întâlnit în organismele mamiferelor ca produs intermediar al ciclului ureogenetic (ciclul Krebs– Henseleit). Sub formă liberă se întâlneşte numai la unele plante: CH2 – CH2 – CH2 – CH – COOH I I NH2 NH2 Ornitinã

Citrulina este un intermediar al ciclului ureogenetic:

H2N – CO – NH – CH2 – CH2 – CH2 – CH – COOH I NH2

β–Alanina intră în structura unor substanţe biologic active de mare importanţă cum ar fi acidul pantotenic. Intră de asemenea în structura carnozinei şi anserinei, dipeptide izolate din ţesutul muscular al mamiferelor: CH2 – CH2 – COOH I NH2 β–Alaninã

Acidul p–amino-benzoic (PAB), considerat cândva în mod greşit ca fiind vitamina H, se întâlneşte în natură mai ales sub formă combinată (el intră de exemplu în structura acidului folic care este vitamina M a cărei moleculă conţine un rest de pteridină, un rest de acid p-aminobenzoic şi un rest de acid glutamic):

6

H2N

COOH

Acid p-aminobenzoic

Cu excepţia glicocolului, toţi aminoacizii conţin cel puţin un atom de carbon asimetric. Aceasta înseamnă că ei prezintă izomerie optică. Ca şi în cazul monozaharidelor însă, apartenenţa la seria D sau L nu coincide cu sensul rotirii planului luminii polarizate ci se determină prin compararea configuraţiei atomului de carbon chiral al aminoacidului cu configuraţia carbonului chiral al aldehidei L-glicerice, respectiv aldehidei D-glicerice: CHO I * H – C – OH I CH2 – OH

COOH I H2N –* C – H I R

COOH I H –*C – NH2 I R

CHO I * –H HO –C I CH2 – OH

L-aminoacid

D-aminoacid

L-gliceraldehidã

D-gliceraldehidã

Cu unele excepţii, aminoacizii naturali aparţin seriei L deoarece organismele vii nu sintetizează enzimele necesare metabolizării D-aminoacizilor. Cu toate acestea, în natură există aminoacizi aparţinând şi seriei D în structura unor antibiotice, în structura componenţilor pereţilor celulari ai unor bacterii, în celulele canceroase etc. Pentru a evita confuziile ce pot să apară în studiul seriilor D şi L şi respectiv al seriilor optic active dextrogiră (+) şi levogiră (–) se recomandă folosirea simbolului S (senestrum = stânga) pentru izomerii ce aparţin seriei L şi respectiv R (rectum = dreapta) pentru izomerii din seria D. Aminoacizii proteinogeni au fost obţinuţi atât prin sinteză chimică cât şi prin hidroliza proteinelor sub forma unor substanţe cristaline (aspectul geometric al cristalelor fiind specific fiecărui aminoacid), incolore, inodore, stabile la temperatura camerei şi cu gust dulce. Punctele de fierbere şi de topire ale aminoacizilor sunt relativ ridicate, iar prin încălzire se topesc cu descompunere. În general, aminoacizii sunt solubili în apă însă gradul de solubilitate este diferit de la un aminoacid la altul. Dintre aminoacizii proteinogeni, mai puţin solubili în apă sunt cisteina şi tirozina în timp ce solubilitatea prolinei şi hidroxiprolinei este foarte mare. Ca şi în cazul proteinelor, solubilitatea aminoacizilor în apă este influenţată de prezenţa sărurilor, majoritatea aminoacizilor dizolvându-se mai uşor în soluţii saline decât în apă. I.1.2.2. Peptide Una din principalele proprietăţi chimice ale aminoacizilor (datorate prezenţei ambelor grupe funcţionale) o constituie reacţia de condensare intermoleculară cu formarea unei legături covalente C – N, numită legătură peptidică. Formarea legăturilor peptidice are loc in vivo în procesul complex al biosintezei peptidelor şi proteinelor. Schematic, formarea unei legături peptidice poate fi reprezentată astfel: O H 2N – CH – C I R1

H2O

+ OH

H H

N – CH – NH I R2

2

O II H 2N – CH – C – N – CH – NH I I I R1 H R2

2

O importanţă deosebită pentru proprietăţile fizico-chimice şi biologice ale peptidelor şi proteinelor o joacă natura legăturii peptidice. Prin măsurarea distanţelor interatomice ale legăturii simple C – N şi respectiv legăturii duble C = O s-a demonstrat faptul că legătura peptidică nu este o legătură covalentă simplă. Ea este mai mică decât legătura covalentă simplă C – N (care este de 1,47 Å), dar mai lungă decât legătura dublă C = O (care măsoară 1,22 Å). Acest lucru demonstrează faptul că legătura peptidică nu este nici simplă, nici dublă, ci are un caracter aparte, de legături „parţial dublă”. Datorită efectelor electronice, ea oscilează între două forme extreme (I 7

şi II), structura reală (forma III) fiind dată de repartizarea uniformă a electronilor neparticipanţi întrun nor electronic ce aparţine în egală măsură atomilor de O, C şi N: •• – • O• • •

••

O •• II • • .... – C — N – .... I H

II + .... – C — N – .... I H II

I

δ– O I•• δ+ .... – C••— • •• N – .... I H III

Această proprietate a legăturii peptidice conferă acesteia capacitatea de a împiedica rotirea liberă a substituenţilor (atomul de oxigen şi respectiv cel de azot) în jurul ei, fapt ce face posibilă existenţa teoretică a celor doi izomeri geometrici – cis şi trans. S-a demonstrat faptul că în peptidele şi proteinele naturale, la nivelul legăturilor peptidice se întâlneşte doar izomeria de tip trans. Studiul peptidelor naturale şi de sinteză este strâns legat de cercetările privind compoziţia chimică a proteinelor şi natura chimică a legăturilor dintre resturile de aminoacizi ce intră în structura acestora. Dacă în primele etape ale dezvoltării biochimiei proteinelor au fost cercetate în principal natura şi proprietăţile produşilor de hidroliză chimică a moleculelor proteice, în ultimul timp se acordă o atenţie deosebită studiilor privind proprietăţile peptidelor de sinteză şi a celor naturale. Peptidele naturale sunt sintetizate de microorganisme, plante şi animale şi îndeplinesc în organismele vii mai multe funcţii: componente structurale (plastice) ale celulelor şi ţesuturilor, transportori de electroni, factori de eliberare a hormonilor, hormoni, toxine, inhibitori naturali ai enzimelor etc. În funcţie de numărul resturilor de aminoacizi ce intră în structura lor, peptidele se clasifică în două mari grupe: – oligopeptide (ce conţin în moleculă 2 – 10 resturi de aminoacizi): – dipeptide; – tripeptide; – tetrapeptide; etc. – polipeptide ale căror molecule conţin câte un număr mare sau foarte mare de resturi de aminoacizi. Unele peptide naturale îndeplinesc importante funcţii biochimice şi fiziologice în organismul viu, iar altele manifestă acţiune farmacodinamică importantă. Carnozina şi anserina se găsesc în ţesutul muscular al vertebratelor unde funcţionează ca sisteme tampon, stabilizează activitatea unor enzime, influenţează diferite procese biochimice din muşchi etc. H2N – CH2 – CH2 – CO – NH – CH – COOH I CH2 I HN

N

Carnozina H2N – CH2 – CH2 – CO – NH – CH – COOH I CH2 I H3 C – N

N

Anserina

8

Glutationul este o tripeptidă răspândită în majoritatea ţesuturilor animale şi vegetale. Deoarece el poate trece reversibil din forma redusă în forma oxidată sub acţiunea glutationreductazei, această peptidă joacă un rol extrem de important în procesele de oxidare biologică. HOOC – CH – CH 2 – CH 2 – CO – NH – CH – CO – NH – CH I I NH2 CH2 I SH

2

– COOH

glutationul

I.1.2.3. Proteine Proteinele sunt substanţe macromoleculare prezente în celulele tuturor organismelor vii unde reprezintă peste 50% din masa uscată a acestora. Proteinele îndeplinesc în organismele vii mai multe funcţii biochimice absolut indispensabile tuturor proceselor metabolice şi fiziologice. a) Rolul plastic este jucat de proteinele structurale ce reprezintă constituenţi principali ai membranei celulare, citoplasmei, organitelor subcelulare, umorilor şi fluidelor tuturor organismelor vii. b) Rolul energetic este asigurat prin faptul că în urma degradării lor catabolice se eliberează o mare cantitate de energie ce se înmagazinează în legăturile macroergice ale moleculelor de ATP, energie ce va fi utilizată în diferite procese vitale (efort fizic şi intelectual, procese de biosinteză etc.). c) Rolul reglator este îndeplinit de o serie de hormoni cu structură polipeptidică (hormonii reglatori ai hipotalamusului, ai hipofizei, hormonii pancreasului, hormonii paratiroidieni, ai timusului şi cei gastrointestinali). d) Rolul de apărare este îndeplinit de proteinele specifice din clasa imunoglobulinelor (anticorpi) care prezintă proprietăţi speciale de a interacţiona cu proteinele străine (antigene) în procesul complex de apărare a organismului faţă de agenţii patogeni din mediul extern. e) Rolul de transport al proteinelor se referă atât la transportul activ prin membranele biologice care se efectuează cu consum energetic, contra gradientului de concentraţie al metabolitului transportat, cât şi la transportul specific al unor metaboliţi sau elemente absolut necesare vieţii. În acest din urmă caz, un exemplu concludent îl reprezintă hemoglobina al cărui rol biologic constă în transportul oxigenului de la plămâni la nivelul tuturor organelor şi ţesuturilor şi a dioxidului de carbon pe calea inversă. f) Rol în contracţia musculară. Procesul contracţiei musculare, care stă la baza efortului fizic, este un proces fiziologic şi biochimic complex realizat prin consum energetic (când se utilizează energia înmagazinată în legăturile macroergice ale moleculelor de ATP) de către o serie de proteine specifice – actina şi miozina – ce formează un complex proteic cuaternar cunoscut sub numele de complexul acto-miozinic. g) Rolul catalitic este îndeplinit de către enzime care sunt, fără excepţie, substanţe proteice. În afara funcţiilor enumerate mai sus, proteinele reprezintă instrumentul molecular al expresiei informaţiei genetice conţinute în acidul deoxiribonucleic din cromozomi. De aceea, proteinele sunt componente structurale şi funcţionale intim legate de procesele vieţii, procese ce nu pot şi concepute în lipsa substanţelor proteice. Clasificarea proteinelor În funcţie de structura loc chimică, de rolul pe care îl îndeplinesc în organismele vii şi de proprietăţile lor fizico-chimice, proteinele pot fi clasificate în mai multe moduri. Delimitarea netă între proteine şi polipeptide este foarte dificilă deoarece există proteine alcătuite numai din catene polipeptidice (aşa-numitele proteine simple sau holoproteine). Majoritatea autorilor delimitează aceste două clase de biomolecule după masa lor moleculară considerând că polipeptidele au o masă moleculară de până la 10.000 Da, iar proteinele au masa moleculară superioară acestei valori. În funcţie de forma moleculelor, proteinele sunt de două tipuri: – proteine fibrilare care au molecula filiformă şi sunt, în general, insolubile în apă. Din această grupă fac parte de exemplu fibroina, keratinele, colagenul etc.

9

– proteine globulare a căror moleculă are formă sferică sau elipsoidală şi sunt uşor solubile în apă. Din clasa proteinelor globulare fac parte toate enzimele, globulinele serice şi alte. În funcţie de rolul biologic principal pe care îl îndeplinesc, proteinele se împarte în 6 clase astfel: – Proteine structurale. Acestea sunt reprezentate de proteinele ce joacă rol plastic, adică acele proteine ce intră în structura membranelor biologice, a ţesuturilor şi organelor. Proteinele structurale cele mai bine studiate sunt: colagenul întâlnit în ţesutul conjunctiv din cartilaje, tendoane, piele, oase etc., elastina ce intră în structura ţesutului conjunctiv elastic din ligamente, fibroina din mătasea produsă de Bombix mori, sclerotina întâlnită în exoscheletul insectelor, keratina ce se găseşte în cantităţi mari în dermă, păr, pene etc., proteinele membranare ce intră în structura tuturor membranelor biologice şi altele. – Proteinele de rezervă au rolul principal de a constitui principala rezervă de aminoacizi a organismelor vii. Din această grupă fac parte cazeina care este componenta proteică majoră a laptelui, gliadina din cariopsele cerealelor, zeina ce reprezintă principala proteină de rezervă din boabele de porumb, ovalbumina şi lactalbumina din ouă şi respectiv din lapte, feritina care facilitează acumularea ionilor de fier în splină şi altele. – Proteinele contractile au un rol important pentru mişcarea organismelor vii fiind implicate în contracţia muşchilor, cililor, flagelilor etc. Cele mai bine studiate proteine contractile sunt actina şi miozina implicate în contracţia miofibrilelor şi dineina care asigură mişcarea cililor şi flagelilor la nevertebrate. – Proteinele de transport sunt proteine cu o structură deseori complexă ce îndeplinesc un important rol în transportul diferiţilor metaboliţi în organism. Cele mai bine studiate proteine de transport sunt hemoglobina care asigură transportul oxigenului şi dioxidului de carbon, mioglobina cu rol în transportul oxigenului la nivel muscular, albuminele serice care realizează transportul acizilor graşi în circulaţia sanguină, β -lipoproteinele serice care asigură transportul lipidelor în sânge etc. Tot din această categorie fac parte şi transportorii membranari care realizează transportul activ, contra gradientului de concentraţie, al diferiţilor metaboliţi prin membranele biologice. – Proteinele cu rol catalitic şi hormonal reprezintă o grupă extrem de importantă de proteine funcţionale. Din această grupă fac parte enzimele (care sunt toate, fără nici o excepţie, proteine), precum şi unii hormoni (hormonii reglatori ai hipotalamusului, hormonii hipofizei, cei pancreatici, hormonii paratiroidieni, hormonii timusului etc.). – Proteine cu rol de protecţie. Acestea sunt proteine implicate în diferite procese fiziologice de protecţie şi apărare a organismului faţă de anumiţi factori externi. Cele mai bine studiate sunt trombina (o proteină ce participă la procesul coagulării sanguine), fibrinogenul (care este precursorul fibrinei, proteină implicată, de asemenea, în procesul coagulării sanguine), imunoglobulinele sau anticorpii (proteine capabile să formeze complecşi anticorp – antigen cu proteinele străine organismului respectiv şi altele. În funcţie de structura lor chimică, proteinele se împart în două mari grupe: proteine simple şi proteine complexe. – Proteine simple (holoproteine). Acestea sunt proteine ale căror molecule sunt formate numai din catene polipeptidice. Acest lucru a fost demonstrat prin faptul că prin hidroliză completă, holoproteinele pun în libertate numai aminoacizi. Din această grupă fac parte o serie de proteine ce îndeplinesc importante funcţii biochimice şi fiziologice: α, β şi γ-globulinele serice, anticorpii, histonele, protaminele, fibrinogenul, miozina, actina, colagenul, fibroina, keratinele etc. – Proteinele complexe (numite şi conjugate, sau heteroproteine) conţin în molecula lor, pe lângă componenta proteică şi o componentă de altă natură numită grupare prostetică. La rândul lor, heteroproteinele se împart în mai multe grupe în funcţie de natura chimică a grupărilor prostetice. – Cromoproteinele conţin în molecula lor o grupare prostetică de natură protoporfirinică. Din această categorie fac parte o serie de proteine ce îndeplinesc importante funcţii biochimice şi fiziologice: hemoglobina, mioglobina, citocromii, catalaza, peroxidaza etc. – Lipoproteinele conţin în molecula lor grupări prostetice de natură lipidică. Din această grupă fac parte de exemplu lipoproteinele serice. – Fosfoproteinele. Grupările prostetice ale hetero-proteinelor din această grupă sunt reprezentate de resturi de serină esterificate cu acid fosforic. Cele mai cunoscute fosfoproteine sunt cazeina, vitelina, vitelenina, fosvitina şi altele. 10

– Glicoproteinele conţin grupări prostetice de natură glucidică (galactoza, manoza, unele hexozamine, acidul N-acetilneuraminic etc.). Din grupa glicoproteinelor sunt bine studiate γglobulinele, orosomucoidul plasmatic, ovalbumina, glucoproteinele serice ce determină grupele sanguine şi altele. – Metaloproteinele conţin unii ioni metalici (Fe2+, Fe3+, Cu2+, Zn2+) în calitate de grupare prostetică. Din această grupă fac parte de exemplu alcooldehidrogenaza, enolaza, feritina, conalbumina, ceruloplasmina şi altele. Trebuie menţionat faptul că la metaloproteine, ionul metalic este legat direct de catenele polipeptidice ale componentei proteice şi nu este inclus într-o altă structură (cum ar fi nucleul protoporfirinic la cromoproteine). – Flavoproteinele conţin un flavinnucleotid în calitate de grupare prostetică. Din această grupă fac parte flavoenzimele FMN- şi FAD-dependente (succinat-dehidrogenaza, aminoacidoxidazele etc.). – Nucleoproteinele sunt poate cele mai importante proteine complexe datorită faptului că gruparea lor prostetică este reprezentată de un acid nucleic. În funcţie de natura acidului nucleic ce joacă rol de grupare prostetică ele se împarte în ribonucleoproteine (nucleoproteine ce conţin ARN) şi deoxiribonucleoproteine (ce conţin ADN în calitate de grupare prostetică). În moleculele proteinelor, resturile de aminoacizi sunt unite prin legături peptidice ca şi în cazul peptidelor: O O II II H2N – CH – C – N – CH – C – I I I R1 H R2

.......... – N – CH – COOH I I H Rn

Datorită efectelor electronice, şi în cazul proteinelor legătura peptidică prezintă un caracter parţial de legătură dublă, împiedicând rotirea liberă a substituenţilor. Structura proteinelor Elucidarea structurii proteinelor a reprezentat şi continuă să reprezinte una din problemele principale ale biochimiei aplicate. Fiecare proteină nativă reprezintă un edificiu tridimensional complex a cărui conformaţie depinde de dispoziţia spaţială a catenelor polipeptidice din care este formată. Orientarea în spaţiu a catenelor polipeptidice componente poartă denumirea de conformaţie. Comparativ cu celelalte biomolecule, proteinele prezintă o structură chimică mult mai complexă de care depind în mod direct funcţiile lor biologice şi care se caracterizează prin existenţa a patru nivele de organizare numite structură primară, secundară, terţiară şi respectiv cuaternară. 1. Structura primară a proteinelor este dată de numărul, natura şi succesiunea resturilor de aminoacizi în catenele polipeptidice ce intră în structura acestora. În structura primară, resturile de aminoacizi sunt unite prin legături peptidice identice cu cele întâlnite în structura peptidelor: legãturã peptidicã ........ –NH–CH–CO–NH–CH–CO– I I R R'

.......

Studiul peptidelor sintetice cu ajutorul metodei difracţiei de raze X prin cristale pure a permis determinarea distanţelor interatomice într-o catenă polipeptidică, precum şi a unghiurilor dintre atomii componenţi. Aceste determinări au demonstrat existenţa unei perioade de identitate de 7,2Å pentru fiecare două resturi de aminoacizi. Totodată s-a observat că distanţa interatomică C – N este mai mică, iar distanţa C = O este mai mare decât cele normal întâlnite în alţi compuşi (fig. I.1.).

11

H R

C

110° 121°

1,53 Α 117°

1,23 Α

C

O

120° 1,32 Α

H

N

122° 120°

H

1,47 Α

120°

C

110°

R'

Fig. I.1. Reprezentarea schematică a distanţelor interatomice şi unghiurilor de valenţă în catenele polipeptidice

Aceste rezultate indică prezenţa unei stări de rezonanţă a legăturii peptidice între două forme limită din care cauză, legătura peptidică C – N nu este simplă ci parţial dublă, fiind astfel împiedicată rotaţia liberă a substituenţilor. Acest caracter de legătură parţial dublă are o importanţă deosebită pentru structurile de ordin superior ale proteinelor. La nivelul legăturilor peptidice se întâlneşte izomeria de tip trans, iar rotaţia liberă este permisă numai la nivelul celorlalte legături covalente. Orientarea spaţială a catenelor polipeptidice este datorată, în principal, acestor rotaţii libere în jurul legăturilor menţionate: δ O

H δ O

C•

••

••

••

• •

+ δ N

-

•• ••

H I C I R

••

C

•• •

+ δ N I H

R' I C I H

2. Structura secundară a proteinelor. Structura secundară este dată de orientarea spaţială a catenei polipeptidice, fără a lua în calcul interrelaţiile dintre radicalii aminoacizilor. Posibilitatea de rotaţie a radicalilor de aminoacizi în jurul axelor de legătură Cα-C şi Cα-N din lanţul polipeptidic favorizează apariţia unei structuri spaţiale specifice a macromoleculelor de proteină, cunoscute sub numele de structură secundară. Structura secundară este stabilizată de punţi de hidrogen care se formează intracatenar sau intercatenar între grupele carbonilice şi iminice ale legăturilor peptidice. Legăturile de hidrogen sunt dispuse aproape paralel cu axa α-helixului. Cea mai răspândită variantă a structurii secundare a lanţurilor polipeptidice este α-helixul sau structura α-helicoidală (fig. I.2.).

Fig. I.2. Reprezentarea schematică a modelului α-helicoidal al structurii secundare a proteinelor (după Buckow, 2006).

Fiecare tură (spiră) este alcătuită din 3,6 resturi de aminoacizi. Distanţa între ture de-a lungul axei α-helixului este egală cu 0,541nm (Å). Diametrul α-helixului este de 0,101nm (Å). O altă variantă a structurii secundare a proteinelor este structura β-pliată care este de două tipuri: – modelul straturilor pliate antiparalele – format din lanţuri polipeptidice în formă de zig-zag, ale căror grupe –NH2 terminală şi – COOH terminală sunt orientate în direcţii opuse;

12

– modelul straturilor pliate paralele alcătuit din lanţuri polipeptidice cu aceeaşi orientare (fig. I.3).Ambele tipuri, existente în proporţii diferite, sunt stabilizate prin punţi de hidrogen intercatenare între grupele carbonilice şi aminice ale legăturilor peptidice din lanţurile polipeptidice adiacente.

Fig. I.3. Reprezentarea schematică a modelului straturilor pliate ale structurii secundare a proteinelor(după Buckow, 2006).

Structura terţiară. Structura terţiară reprezintă replierea şi înfăşurarea segmentelor αhelicoidale şi β-pliate într-o organizare spaţială complexă sub formă de ghem sau globulă. Structura terţiară a proteinelor se constituie într-un sistem stabil datorită interacţiunilor hidrofobe între radicalii laterali ai aminoacizilor, legăturilor de hidrogen, legăturilor ionice şi legăturilor disulfidice. Structura cuaternară. Structura cuaternară este specifică numai anumitor proteine şi reprezintă nivelul de organizare structurală cel mai înalt. Este rezultatul asocierii a două sau mai multe catene polipeptidice numite protomeri, fiecare cu structura sa primară, secundară şi terţiară într-un conglomerat spaţial complex. Proteinele formate din mai multe lanţuri (catene) polipeptidice se numesc proteine oligomere. Proprietăţi specifice proteinelor Masa moleculară a proteinelor este foarte mare şi diferită de la câteva mii până la sute de mii şi chiar milioane de daltoni. De ex. insulina-5.700 D, hemoglobina-64.500 D, fibrinogenul 339.700 D. Solubilitatea proteinelor este diferită. Unele se dizolvă uşor în apă şi soluţii saline, altele numai în soluţii de săruri sau în amestecul de apă şi alcool. Sunt insolubile în solvenţi organici. Precipitarea proteinelor poate fi reversibilă sau ireversibilă. Precipitarea ireversibilă se mai numeşte denaturare care poate fi cauzată de factori fizici (căldură, radiaţii, agitare) sau de diferiţi reactivi. Denaturarea conduce la schimbarea proprietăţilor fizice şi reactivităţii moleculelor proteice. De cele mai multe ori prin denaturare, proteinele pierd activitatea lor biologică. Soluţiile de proteine au comportare de acid sau bază (amfoter) în funcţie de partenerul cu care reacţionează, deoarece conţin grupe –NH2 şi -COOH libere, aparţinând aminoacizilor constituenţi. Caracterul amfoter al proteinelor se află la baza funcţiei lor de sisteme tampon care asigură menţinerea constantă a pH-ului lichidelor biologice în organismul animal şi vegetal. Starea de ionizare a proteinelor determină migrarea lor în câmpul electric Pe această proprietate se bazează separarea şi determinarea cantitativă a proteinelor cu ajutorul electroforezei. La un pH specific pentru fiecare proteină denumit punct izoelectric (pI), moleculele ei sunt neutre din punct de vedere electric şi nu se deplasează sub acţiunea curentului electric. Molecula proteică se încarcă pozitiv dacă pH-ul mediului este mai mic decât pI şi negativ dacă pH-ul mediului este mai mare decât pI. __________________________________________________________________________

Întrebări de verificare şi evaluare a cunoştinţelor – Ce aminoacizi proteinogeni cunoaşteţi, cum se clasifică aceştia şi care sunt formulele lor chimice? – Ce aminoacizi neproteinogeni cunoaşteţi? Scrieţi formulele lor chimice. – Care sunt principalele proprietăţi ale aminoacizilor? – Ce sunt peptidele şi cum se formează ele? – Ce peptide naturale cunoaşteţi? – Care sunt principalele funcţii pe care le îndeplinesc proteinele în organismele vii şi cum se clasifică acestea? – Ce tipuri de structură prezintă proteinele şi care sunt principalele lor proprietăţi? 13

__________________________________________________________________________ I.1.2.4. Acizi nucleici Acizii nucleici sunt substanţe macromoleculare cu rol în stocare şi transmiterea informaţiei ereditare. Ele sunt greu solubile în apă rece, puţin solubile în apă la cald şi uşor solubile în soluţii alcaline diluate. Sunt insolubile în etanol şi în numeroşi alţi solvenţi organici care, adăugaţi peste soluţiile de acizi nucleici, determină denaturarea lor. Degradarea hidrolitică succesivă a nucleoproteinelor în mediu acid sau alcalin, sau în prezenţa unor enzime proteolitice specifice numite nucleaze realizează clivarea celor două componente: acidul nucleic (ARN sau ADN) şi componenta proteică. Hidroliza în continuare a acizilor nucleici conduce la formarea nucleotidelor care reprezintă unităţile lor structurale e bază. La rândul lor, nucleotidele pot fi hidrolizate în continuare sub acţiunea unor fosfoesteraze cu formare de nucleozide şi fosfor anorganic. Degradarea nucleozidelor conduce la obţinerea unui amestec de baze azotate şi pentoze. Din cele afirmate mai sus rezultă că prin condensarea unei baze azotate cu o pentoză se formează un nucleozid. Nucleozidele se pot fosforila la nivelul grupelor hidroxilice libere ale restului de pentoză cu formare de nucleotide, iar polimerizarea (sau mai exact încatenarea) nucleotidelor conduce la formarea acizilor nucleici. Deci, din punct de vedere structural, acizii nucleici sunt polinucleotide care, în funcţie de natura pentozei se clasifică în poliribonucleotide (în ARN) şi respectiv polideoxiribonucleotide (în ADN). Bazele azotate purinice şi pirimidinice Bazele azotate din structura nucleozidelor şi nucleotidelor sunt compuşi heterociclici ce derivă de la două cicluri de bază numite pirimidină şi purină prin substituirea unor atomi de hidrogen: 4 5N

3

1N

6

2

2

N 1

Pirimidinã

6

7 N

5

8 N9 H

N 4 3

Purinã

Principalele baze azotate purinice sunt adenina şi guanina, iar cele pirimidinice sunt citozina, timina şi uracilul: O

NH2 N

N N

N H

H2N

Adeninã

NH2 N

O

Citozinã

N H

N

Guaninã

O HN

N H

N

HN

O

O –CH 3

HN N H

Uracil

O

N H

Timinã

Compoziţia în baze azotate a acizilor nucleici este următoarea: moleculele de ADN conţin adenină, guanină, citozină şi timină, iar cele de ARN au în compoziţia lor adenină, guanină, citozină şi uracil. Deci, din punctul de vedere al compoziţiei în baze azotate, cele două tipuri de acizi nucleici diferă doar printr-o bază azotată pirimidinică (timină în ADN şi respectiv uracil în ARN). Aceste baze azotate, ca şi altele care nu intră în structura acizilor nucleici, pot exista în două forme structurale: o formă enolică (sau formă lactim) şi o formă cetonică (sau formă lactam). În cazul guaninei de exemplu, cele două forme au următoarele structuri:

14

O HN

H2N

OH I

N N

N H

Guaninã (lactam)

N

H2N

N

N N H

Guaninã (lactim)

În mod simila, tautomeria ceto-enolică se întâlneşte la toate celelalte baze azotate ce intră în structura acizilor nucleici. Pentozele din structura acizilor nucleici În structura acizilor ribonucleici intră riboza sub forma sa furanozică, anomer β. Moleculele de ADN conţin un derivat al acesteia (2-deoxiriboza) sub forma anomerului β al ciclului furanozic: CH 2–OH

O

β-D-ribofuranoza

O

CH 2–OH

β-D-2-deoxi-ribofuranoza

Resturile de pentoză se leagă de bazele azotate prin legături N–glicozidice la nivelul atomului N1 al bazelor pirimidinice, respectiv N9 al bazelor azotate purinice. Nucleozide Nucleozidele sunt N–glicozide ale bazelor azotate purinice şi pirimidinice în care gliconul este reprezentat de riboză, respectiv 2-deoxiriboză. Restul de pentoză, sub formă β-D-furanozică, este legat de baza azotată printr-o legătură β-glicozidică astfel: hidroxilul glicozidic (deci cel legat de atomul de carbon C1) se condensează cu hidrogenul iminic al atomului de azot din poziţia 9 a bazelor purinice, respectiv din poziţia 1 a celor pirimidinice. O

NH 2 N

N

N

N

O

CH 2–OH 4'

1' 2'

N

HN

5'

H2N

N

N

Guanozinã

NH2

O

N

HN N

O

O

CH2–OH

O

N

O

CH 2–OH

Uridinã

Citidinã

O

NH2 N N

CH 2–OH

3'

Adenozinã

N

O

N

N

HN

O

CH2–OH

Deoxiadenozinã

H2N

N

N

O

CH2–OH

Deoxiguanozinã

15

NH2

O

O

–CH3

HN

N N

O

CH2–OH

O

N

O

CH2–OH

Deoxitimidinã

Deoxicitidinã

În organismele vii există şi alte nucleozide ce îndeplinesc diferite funcţii biochimice. Un exemplu concret în acest sens îl reprezintă nucleozidele ce intră în structura coenzimelor piridinnucleotidice (NAD+ şi NADP+), a celor flavinice (FMN, FAD) şi a coenzimei A. Nucleotide Nucleotidele sunt esteri ai nucleozidelor cu acidul fosforic. Ele conţin în molecula lor restul unei baze azotate purinice sau pirimidinice, un rest de riboză sau deoxiriboză şi unul până la trei resturi de acid fosforic. În funcţie de restul de pentoză pe care îl conţin, nucleotidele sunt de două tipuri: ribonucleotide şi deoxiribonucleotide. În funcţie de numărul resturilor de acid fosforic din moleculă ele pot fi mono-, di şi trifosforilate (nucleozid-monofosfaţi, nucleozid-difosfaţi şi respectiv nucleozid-trifosfaţi). Teoretic, esterificarea nucleozidelor se poate face în poziţiile 2’, 3’ şi 5’ în cazul ribonucleozidelor şi respectiv 3’ şi 5’ la deoxiribonucleozide. În structura acizilor nucleici sunt esterificate doar grupele alcoolice din poziţiile 3’ şi 5’ atât la ribonucleotide cât şi la deoxiribonucleotide. Nucleotidele monofosforilate (nucleozid-monofosfaţii) se găsesc în stare liberă în drojdia de bere şi în ţesutul muscular şi se deosebesc între ele prin poziţia restului de acid fosforic. Astfel, acidul adenilic din muşchi este acidul adenozin-5’-monofosforic (5’-AMP), iar cel din levuri este acidul adenozin-3’-monofosforic (3’-AMP). Mai există şi acidul adenozin-3’,5’monofosforic ciclic (cAMP) cu rol de mesager secundar în acţiunea hormonilor: NH2 N

N N

N

O

CH2 O O O

P–OH

cAMP NH 2

NH 2 N

N N

N

O

O II CH 2–O –P–OH I OH

Acid adenozin-5'-monofosforic (5'-AMP)

N

N N

N

O

CH 2–OH

O II O –P–OH I OH Acid adenozin-3'-monofosforic (3'-AMP)

Nucleotidele celorlalte baze azotate se formează în mod similar. Adenina mai stă la baza structurii a numeroşi derivaţi nucleotidici ce joacă un rol important în procesele de activare a acizilor graşi şi a aminoacizilor. Dintre aceştia, cei mai importanţi sunt aminoacil-adenozinmonofosfaţii, acil-adenozin-monofosfaţii, acidul adenozin-5’-fosfo-sulfuric şi acidul adenozin-3’fosfat-5’- fosfo-sulfuric.

16

Adenina stă de asemenea la baza structurii familiei de compuşi cunoscuţi sub denumirea de acizi adenilici care sunt substanţe macroergice larg răspândite în toate celulele vii (acidul adenozin-difosforic – ADP şi acidul adenozin-trifosforic – ATP). NH 2 N

N N

N

O

O O O II II II CH 2 – O – P–O ~ P – O ~ P – OH I I I OH OH OH

AMP ADP ATP

Rolul acestora este de a acumula şi de a ceda energia, în funcţie de necesităţile de moment ale celulei. Resturile de acid fosforic din moleculele de ADP şi ATP sunt unite între ele prin legături speciale, numite legături macroergice. La acest nivel, energia de legătură este de 3 – 4 ori mai mare decât în cazul celorlalte legături fosfoesterice. Toate bazele azotate purinice şi pirimidinice pot forma nucleotide trifosforilate, structura lor asemănându-se cu cea a ATP-ului cu deosebirea că diferă baza azotată, dar dintre derivaţii trifosforilaţi ai nucleozidelor, în afară de ATP, numai GTP şi ITP intervin în unele procese energetice celulare. Acizii ribonucleici (ARN) sunt compuşi biochimici informaţionali prezenţi în absolut toate organismele vii. Ei sunt substanţe macromoleculare alcătuite din unităţi structurale de bază numite ribonucleotide, deci sunt substanţe poliribonucleotidice. Raporturile molare dintre bazele azotate purinice şi pirimidinice din ARN variază între limite foarte largi, însă suma A+C este egală întotdeauna cu suma G+U. În celulele vii există mai multe tipuri de ARN. ARN ribozomal (ARNr) intră în structura ribozomilor şi reprezintă aproximativ 80% din totalul ARN-ului celular. Acest tip de ARN se caracterizează printr-o mare stabilitate metabolică şi are masa moleculară cuprinsă între 500.000 – 2.000.000 Da. ARN de transport (ARNt) reprezintă aproximativ 15% din totalul ARN-ului celular, are masa moleculară cuprinsă între 25.000 – 28.000 Da şi are rolul de a activa şi de a transporta în mod specific aminoacizii din citosol la nivelul ribozomilor în vederea biosintezei proteice. ARN mesager (ARNm) sau informaţional (ARNi) reprezintă numai 5% din totalul ARN-ului celular. Are o durată de viaţă relativ scurtă, este deosebit de activ şi prezintă o masă moleculară de aproximativ 500.000 Da. Rolul biologic al ARNm este acela de a copia informaţia genetică codificată în ADN-ul din cromozomi. În afară de aceste trei tipuri principale de ARN, mai există şi alte forme speciale, cu funcţii biochimice specifice. ARN-ul virusurilor reprezintă între 5 – 40% din nucleoproteinele ce intră în structura virusurilor. De exemplu, ARN-ul din virusul mozaicului tutunului (VMT) este o macromoleculă cu masa moleculară de 2.000.000 Da şi reprezintă aproximativ 5% din masa virusului. Se prezintă sub forma unei singure catene spiralate, înconjurată de o proteină oligomeră de tip histonic, formată din 2.100 subunităţi dispuse, de asemenea, sub formă spiralată. ARN-ul din virusul mozaicului tutunului este infecţios şi în stare pură, iar capacitatea sa de a infecta tutunul este anulată după prelucrarea preparatului pur cu ribonuclează. Virusurile gripei, ciumei şi mieloblastozei aviare au o formă sferică şi conţin între 1 – 3% ARN viral. Structura primară a ARN-ului. Analiza structurii produşilor de hidroliză în mediu alcalin ai moleculelor de ARN a arătat că legătura dintre monomerii ribonucleotidici se realizează prin intermediul grupărilor fosfodiesterice care unesc C3’ şi C5’ din două nucleotide vecine. Molecula de ARN se prezintă astfel sub forma unei catene liniare, în care bazele azotate purinice şi pirimidinice sunt localizate în calitate de radicali laterali (fig. I.4).

17

.. .

O HO – P = O O

NH 2 I

N

N

CH 2 N O

N

O

5'

P

HO – P = O

O

O

N

CH 2 O

N

3'

5' NH

N

A

P

NH 2

G P

O HO – P = O

NH 2

O

C

N

CH 2 O

N

P O

3'

5' P

O HO – P = O

O

O CH 2 O

U

3'

NH N

O

O HO – P = O O

.. ..

Fig. I.4. Formula moleculară şi reprezentarea schematică a structurii primare a ARN-ului

Structura secundară a ARN-ului. Pentru moleculele de ARN, structura secundară a fost studiată mai puţin decât structura secundară a ADN-ului. În prezent, este cunoscută această structură numai pentru moleculele de ARNt şi pentru ARN-ul izolat din Escherichia coli. În soluţii cu tărie ionică mică, moleculele de ARN se comportă ca lanţuri polielectrolitice tipice, iar prin creşterea tăriei ionice a soluţiei, catenele se scurtează, acest fenomen fiind însoţit de micşorarea densităţii specifice şi de modificarea constantei de sedimentare. Prin metoda difracţiei de raze X s-a demonstrat că bazele azotate pot forma două şi respectiv trei punţi de hidrogen astfel: A

U

G

C

Numărul legăturilor duble ce se formează între bazele azotate este determinat de structura chimică a acestora. Astfel, între adenină şi uracil se formează două punţi de hidrogen, iar între guanină şi citozină trei asemenea legături conform schemei: O HN

N– H

O Uracil

H–N–H I

N N

N N

I H

Adeninã

18

H I –N–H

O N

H –N

N

HN

Citozinã

N

N

H–N I H

O

I H

Guaninã

S-a demonstrat că moleculele de ARN sunt reprezentate de câte o catenă poliribonucleotidică care prezintă segmente spiralate ce alternează cu regiuni nespiralate (fig. I.5). Se presupune că la formarea regiunilor spiralate pot participa între 40 şi 70% din resturile de mononucleotide ale moleculei. Această structură se explică prin aceea că în lanţul polipeptidic al moleculei de ARN există fragmente ale căror succesiuni de baze azotate sunt complementare cu succesiunile de baze azotate existente în alte fragmente ale aceleiaşi molecule, complementaritatea constând în modul de formare a punţilor de hidrogen şi numărul acestora. Fragmentele moleculare nespiralate create de spiralizarea unor astfel de zone poartă numele de bucle. U

G

A

C

U G

C

buclã

A

A

G

U C

U

....... C ....... ....... G ....... U ....... A

A

U

C

C

G

A

U

U

....... G ....... ....... C ....... A ....... U

fragment dublu spiralat A

G

C

G

U

U

A

G

C

Fig. I.5. Reprezentarea schematică a fragmentelor spiralate şi nespiralate din moleculele de ARN

Structura terţiară a ARN-ului. În ultimele decenii, toate datele experimentale privind structura ARNt au indicat faptul că acest tip de ARN prezintă şi o structură terţiară şi că funcţiile sale biochimice pot fi mult mai numeroase decât s-a crezut. Conform acestor cercetări, moleculele de ARNt prezintă două stări conformaţionale reversibile ce se deosebesc între ele din punctul de vedere al activităţii biologice, precum şi după comportarea loc cromatografică. În cazul ARN-ului de transport, structura terţiară este dată de una din aceste stări conformaţionale care este forma superspiralizată. Acizii deoxiribonucleici (ADN), din punct de vedere structural sunt polideoxiribonucleotide, adică sunt compuşi macromoleculari alcătuiţi dintr-un număr mare de unităţi structurale de bază numite deoxiribonucleotide. ADN-ul are masa moleculară cuprinsă între 106 – 109 Da şi este localizat aproape exclusiv în nucleul celular. La eucariote, ADN-ul se găseşte într-o cantitate de aproximativ 2 mg/gram de ţesut umed şi poate fi găsit, în cantităţi mult mai mici şi în mitocondrii sau chiar în citoplasmă. Bacteriile şi unele virusuri conţin ADN, dar în acest caz el nu este localizat într-o structură morfologică definită. Cantitatea de ADN în celulele unei specii de vieţuitoare este întotdeauna aceeaşi şi depinde de numărul de cromozomi. În cursul diviziunii celulare, cantitatea de ADN se dublează pentru ca în mitoză să se reducă la jumătate în aşa fel încât celulele fiice diploide să conţină aceeaşi cantitate de ADN ca şi celulele parentale caracteristice speciei. În celulele haploide (gameţi) cantitatea de ADN este înjumătăţită deoarece prin fecundare are loc restabilirea cantităţii de ADN specifică speciei respective, iar în celulele poliploide cantitatea de ADN corespunde gradului de poliploidie al speciei. Macromoleculele de ADN sunt alcătuite din unităţi monomere de bază care sunt mononucleotide ale 2-deoxiribozei şi anume dAMP (deoxiadenozin-monofosfat), dGMP (deoxigu-anozin-monofosfat), dCMP (deoxicitidin-monofosfat) şi dTMP (deoxitimidin-monofosfat) legate între ele prin punţi 3’,5’–fosfodiesterice. Compoziţia macromoleculelor de ADN în baze azotate purinice şi pirimidinice este caracteristică pentru fiecare organism în parte (deci nu pentru fiecare specie!) şi rămâne aceeaşi indiferent de vârstă, de condiţiile fiziologice sau de condiţiile de mediu. În urma unui studiu referitor la conţinutul în ADN al genomului a peste 1100 de plante superioare şi peste 1300 de specii de plante inferioare s-a constatat că toate organismele cu o 19

cantitate de ADN în genom mai mică de 5•10–3 pg sunt considerate procariote, iar cele cu o cantitate mai mare de 3,6•10-2 pg sunt eucariote. Structura primară a ADN-ului este dată de numărul, natura şi succesiunea deoxiribonucleotidelor în catenele moleculelor de ADN. Spre deosebire de ARN, macromoleculele de ADN sunt dublu-catenare. Una din catene este complementară cu cealaltă din punctul de vedere al succesiunii bazelor azotate datorită specificităţii formării punţilor de hidrogen între acestea:

G

C

T

si

CH 3 I O HN

H–N–H I

N

N– H

N N

N

O Timinã

sau

A

I

Adeninã H

H I –N–H

O N

H –N

N

HN

H–N I H

O Citozinã

N

N

I H

Guaninã

Structura dublu catenară este menţinută datorită acestor punţi de hidrogen. Structura primară dublu-catenară a macromoleculelor de ADN poate fi reprezentată în mod similar cu cea a ARN-ului (fig. I.6). Schematic, un fragment tetranucleotidic al moleculei de ADN poate fi reprezentat astfel: 3' 3'

5'

P 3'

5'

P A

T

3'

P

P G

C

P

P C

G

P

P 3'

5'

T

A P

P 5'

5'

5'

3'

3'

20

.. . NH 2 I

HO – P = O O

N

CH 2 O

N

.. . O

N

HO – P = O

HN

N

O

O CH 3 CH 2 O

N

O HO – P = O O

N

CH 2 O

HO – P = O N

NH

N

N

O

NH 2

O

O

O

NH 2

CH 2

N

O

O

O

HO – P = O

O

NH 2

O

N

CH 2 O

N

O

H2 N

HO – P = O N

H N N

O O

O

O HO – P = O H3C

NH 2 I

O

O

CH 2 O

CH 2

N

N NH

N

N

HO – P = O N

O

N

O

O

CH 2

O O

HO – P = O

HO – P = O O

.. ..

O

.. ..

Fig.I.6. Formula moleculară a dublu–helix-ului de ADN

Cele două catene polideoxiribonucleotidice au o orientare antiparalelă. Aceasta înseamnă că la fiecare extremitate a moleculei, una din catenele polinucleotidice este orientată cu capătul 5’– OH, iar cealaltă cu capătul 3’–OH liber, la cealaltă extremitate orientarea fiind inversă. Cele două catene ale dublu helix-ului de ADN se unesc prin punţi de hidrogen după regula de împerechere a bazelor azotate purinice şi pirimidinice. Structura secundară a ADN-ului. Studiul structurii moleculare a ADN-ului s-a realizat cu ajutorul metodei difracţiei razelor X aplicată pe preparate înalt purificate. În urma acestor studii, precum şi prin determinarea unor proprietăţi fizico-chimice ale ADN-ului, Chargaff elaborează regula care îi poartă numele conform căreia numărul bazelor azotate purinice este egal cu cel al bazelor pirimidinice (A = T şi G = C sau, altfel spus, A + G = T + C). Structura terţiară a ADN-ului. În cromozomi, ADN-ul se află într-o structură superspiralizată sub forma unor complecşi cu proteinele bazice numite histone. __________________________________________________________________________

Întrebări de verificare şi evaluare a cunoştinţelor – Ce sunt acizii nucleici şi care este principalul lor biologic? –Ce baze azotate intră în structura chimică a acizilor nucleici? – Ce sunt nucleozidele? Scrieţi formulele chimice ale nucleozidelor ce alcătuiesc acizii nucleici. – Ce sunt nucleotidele? – Ce tipuri de ARN celular cunoaşteţi? – Scrieţi formulele chimice ale câte unui fragment dintr-o catenă de ARN şi respectiv ADN.

__________________________________________________________________________

21

I.1.2.5. Enzime Reacţiile chimice din organismele vii au loc datorită acţiunii catalizatorilor biologici numiţi enzime. Acestea reprezintă instrumentul prin intermediul căruia se realizează totalitatea transformărilor chimice din organismul viu, transformări ce alcătuiesc metabolismul substanţelor şi energiei. Substanţa asupra căreia acţionează enzima se numeşte substrat iar compusul chimic rezultat în urma acţiunii enzimei se numeşte produs de reacţie. Toate enzimele fără nici o excepţie sunt proteine. În funcţie de structura lor chimică ele pot fi enzime monocomponente şi enzime bicomponente. Enzimele monocomponente – sunt proteine simple (holoproteine) cu moleculele alcătuite numai din radicali de aminoacizi legaţi între ei prin legături peptidice, iar enzimele bicomponente fac parte din clasa proteinelor complexe (heteroproteine) şi au molecula alcătuită dintr-o componentă proteinică numită apoenzimă şi o grupare de natură neproteică numită cofactor enzimatic. Cofactorii legaţi puternic cu apoenzimele lor se numesc grupări prostetice iar cei uşor disociabili se numesc coenzime. Acţiunea catalitică a enzimelor este condiţionată de existenţa în moleculele lor a unor regiuni distincte, denumite situsuri (centre) active sau catalitice. Aminoacizii participanţi la formarea centrului activ sunt grupaţi într-o geometrie spaţială, la nivelul căreia se află grupele funcţionale implicate în legarea directă a substratului şi în transformarea catalitică a acestuia. Situsurile active ale enzimelor bicomponente cuprind pe lângă aminoacizii respectivi de asemenea coenzima sau gruparea prostetică, care interacţionează cu substratul şi facilitează desfăşurarea reacţiei enzimatice. O altă clasificare a enzimelor se poate face în funcţie de natura reacţiei catalizate. După acest criteriu enzimele se grupează în 6 clase: 1. oxidoreductaze 2. transferaze 3. hidrolaze 4. liaze 5. izomeraze 6. ligaze (sintetaze) Fiecare clasă se subdivide în subclase şi subsubclase. În acest sistem (elaborat de Comisia de Enzimologie a Uniunii Internaţionale de Biochimie) o enzimă este definită printr-o denumire şi un cod de patru cifre. Prima cifră indică clasa la care aparţine enzima, a doua cifră subclasa şi precizează natura grupelor chimice sau a legăturilor chimice din molecula substratului, a treia cifră natura chimică a substratului, a acceptorului etc., iar a patra cifră indică numărul de ordine al enzimei în cadrul subsubclasei date. De regulă înaintea codului enzimei se înscriu literele EC (Enzyme Commission). Coenzime În funcţie de natura lor chimică se împart în patru clase: – coenzime cu structură alifatică – coenzime cu structură alifatică – coenzime cu structură heterociclică – coenzime cu structură nucleozidică 1. Coenzime cu structură alifatică. Din această grupă fac parte acidul lipoic, glutationul şi acidul ascorbic (vit. C). Acidul lipoic poate exista sub o formă aciclică şi una ciclică:

forma oxidată

forma redusă

Datorită capacităţii sale de a trece uşor şi reversibil din forma disulfidică (oxidată) în forma ditiolică (redusă), acidul lipoic este implicat în diferite procese metabolice legate de oxidarea biologică: – dehidrogenarea α-cetoacizilor – biosinteza şi degradarea glicocolului 22

– biosinteza prostaglandinelor Glutationul este o tripeptidă:

HOOC

CH

CH2 CH2

NH2

H C N O

H C N

CH

CH2 COOH

CH2 O SH

glutation (glutamil-cisteinil-glicina) Rolul coenzimatic al glutationului este asigurat prin prezenţa grupării –SH în moleculă care se poate oxida reversibil:

2 G SH

_ 2 + _ 2 eH ;

G S S G

+ 2 H+ ; + 2e-

glutation redus

glutation oxidat

Glutationul redus (G-SH) poate fi oxidat enzimatic sub acţiunea glutation-dehidrogenazei în prezenţa acidului ascorbic. Datorită acestei proprietăţi glutationul este coenzimă pentru o serie de dehidrogenaze importante.

Acidul ascorbic Din grupa coenzimelor de natură alifatică face parte şi acidul L-ascorbic, deşi mecanismul de acţiune prin care acesta este implicat în diferite procese metabolice nu justifică pe deplin apartenenţa vitaminei C la clasa coenzimelor. O C HO C HO C

O C

O C O

H C

_H _ e ; +

-

+ H+; + e-

HO C H

O C HO C

_ H+ _ e;

O

+

+H; + e

H C HO C H

CH2 OH

O C

O

H C HO C H

CH2 OH

acid L-ascorbic

-

O C

radical ascorbic liber

CH2 OH acid L-dehidroascorbic

2. Coenzime cu structură aromatică Din această categorie fac parte ubichinonele, compuşi naturali ce conţin în molecula lor un inel derivat de la hidrochinonă şi mai multe unităţi izoprenice: O

H3C O H3C O

CH3 O

CH3

(CH2 CH C CH2)n H

ubichinonele ( coenzimele Q )

Ubichinonele sau coenzimele Q apar în ţesuturile animalelor şi plantelor superioare, în special în mitocondrii unde sunt componente ale catenei respiratorii. 3. Coenzime de natură heterociclică a) coenzime derivate de la tiamină Tiamina (aneurina sau vitamina B1)este un factor nutritiv foarte important. Forma în care vit. B1 îndeplineşte funcţie coenzimatică este tiamin-pirofosfatul. Această coenzimă este implicată in reacţiile de decarboxilare a α-cetoacizilor, reacţiile de dismutare a acidului piruvic şi reacţiile de decarboxilare oxidativă: 23

CH2 N Cl

N H3C

CH2 CH2 OH

S

NH2

N

CH3

clorhidrat de tiamină b) coenzime derivate de la biotină Biotina (vit. H) se prezintă sub 3 forme din care doar β-biotina joacă rol coenzimatic: O HN

O NH

HN CH2 CH2 CH2 CH2 COOH

S

NH S

α-biotina

CH2 CH2 CH CH3 COOH β-biotina

O HN

NH S

(CH2)4 CO NH (CH2)4 CH COOH NH2 biocitina

Rolul coenzimatic al biotinei este jucat în reacţiile enzimatice în care se realizează o activare urmată de un transfer de CO2, adică reacţiile de decarboxilare şi carboxilare. În aceste reacţii se formează întotdeauna un intermediar carboxilat al coenzimei. O astfel de reacţie enzimatică în care este implicată biotina este reacţia de carboxilare a acidului piruvic cu formare de acid oxalil-acetic. c) coenzime derivate de la piridoxină Numeroase reacţii enzimatice sunt catalizate de enzime ce conţin în calitate de cofactor piridoxal-fosfatul, un derivat al formei aldehidice a vitaminei B6:

HO H3C

CH2 OH CH2 OH N

C HO H3C

Piridoxol

O H

CH2 OH

N

HO H3C

CH2 NH2 CH2 OH N

Piridoxamina

Piridoxal

Această coenzimă este implicată într-o serie de reacţii extrem de importante ale metabolismului aminoacizilor cum ar fi O transaminarea, decarboxilarea şi C H racemizarea acestora. CH2 NH2 HO

H3C

CH2 O PO3H2

N

Piridoxal-5-fosfat (PALP)

HO H3C

CH2 O-PO3H2 N Piridoxamin-5-fosfat (PAMP)

24

d) coenzime derivate de la acidul folic. Acidul folic a fost extras prima dată din frunzele de spanac după care a fost descoperit în ficat şi alte organe şi ţesuturi. Acidul folic (vitamina M) conţine în moleculă un rest de pteridină, un rest de acid p-aminobenzoic şi unul de acid glutamic: OH N

N H2N

N

CH2 NH

CO NH CH CH2 CH2 COOH COOH

N Acid folic

OH

N

N H2N

CHO

N

CH2 NH

CO NH CH CH2 CH2 COOH COOH

N H Acid formil-tetrahidrofolic

În stare liberă, acidul folic se întâlneşte foarte rar, fiind de obicei prezent sub forma unor derivaţi care îndeplinesc acelaşi rol biochimic. Cel mai adesea se întâlneşte sub formă parţial redusă care este acidul tetrahidro-folic sau acid folinic FH4 care îndeplineşte rol de transfer a unor grupări C1 (metil, formil, hidroximetil etc.) 4. Coenzime cu structură nucleozidică şi nucleotidică. Există mai multe coenzime de natură nucleozidică şi nucleotidică, cele mai importante fiind următoarele: a) adenozintrifosfatul – este principalul compus macroergic al organismelor vii şi, în acelaşi timp, principalul transportor de grupări fosfat. Legăturile dintre radicalii fosfat ale moleculei de ATP au o energie liberă cu mult mai mare decât în cazul altor esteri fosforici din care cauză ele se numesc legături macroergice. NH2 N

N N

N

O

O

O

CH2 O P O~ P O ~ P OH O OH OH OH

b) coenzima A – este un agent de activare şi transport a radicalului acetil şi în general a radicalilor acil.

25

CH3

O

O

CH2 C

CH C N CH2 CH2 C N CH2 CH2 CH3 OH H H

O HO P O O HO P O O

SH

NH2 N

N

N

N

CH2 O

O O P OH OH

Din punct de vedere structural, coenzima A este formată dintr-un rest de acid adenilic, un rest de ribozo-3-fosfat, un rest de pirofosfat, unul de acid pantotenic şi unul de tioetanolamină: Gruparea funcţională –SH reprezintă partea activă a moleculei din care cauză notarea prescurtată este CoA-SH. Atomul de sulf al grupei –SH poate forma legături macroergice cu radicalii acil. Din această cauză, CoA-SH este implicată în reacţiile în care se realizează transfer de radicali acil. c) coenzime piridin-nucleotidice Majoritatea organismelor animale precum şi numeroase microorganisme necesită un aport zilnic de acid nicotinic sau nicotinamidă (vit. PP). În afară de rolul vitaminic jucat de acidul nicotinic şi amida sa, acesta intră în structura a două coenzime importante: nicotinamidadenindinucleotid (NAD+) şi + nicotinamidadenindinucleotidfosfat (NADP ) NH2

O C NH2 N

N

N

N N O O CH2 O P O P O CH2 O O OH OH

OH OH

OH OX +

X=H

NAD

X = PO3H2

NADP

+

NAD+ şi NADP+ sunt coenzime ale unor oxidoreductaze, deoarece au capacitatea de da reacţii redox reversibile: O C NH2

O C NH2 + DH2

N R

+

N R

+D+H

sau : +

NAD(P) + S

+

NAD(P)H+ P + H

d) coenzime flavinice: flavinmononucleotid (FMN) şi flavinadenindinucleotid (FAD):

26

O CH2 O P OH HO C H HO C H

O O CH2 O P O P

OH

H3C

HO C H CH2 N N

H3C

N

HO C H HO C H

O NH

OH

H3C

HO C H CH2 N N

H3C

N

O

NH2

O

OH

N

CH2 O

O

N

N

N

OH OH

NH O

flavinmononucleotidul (FMN)

flavinadenindinucleotidul (FAD)

Şi coenzimele flavinice sunt cofactori ai unor oxidoreductaze. Acestea au capacitatea de a

H3C H3C

R N

N

O NH

N

H3C

H N

+ DH2 H3C

O FMN (FAD)

R N

Donor de hidrogen

N H

O NH

+ D

O

FMNH2 (FADH2)

da reacţii redox reversibile la nivelul nucleului izoaloxazinic: Proprietăţile enzimelor Datorită naturii lor proteice, enzimele posedă toate proprietăţile fizică-chimice specifice acestor macromolecule (solubilitate, proprietăţi osmotice, sarcină electrică netă, denaturare termică, reacţii chimice etc.). Enzimele sunt catalizatori şi respectă legile catalizei: catalizează reacţii posibile din punct de vedere termodinamic, scad energia liberă a sistemului accelerând reacţia, sunt necesari în cantităţi mult mai mici comparativ cu substratul, se regăsesc nemodificaţi din punct de vedere cantitativ şi calitativ la sfârşitul reacţiei. Cataliza enzimatică prezintă o serie de particularităţi care o deosebesc net de cataliza chimică: viteză de reacţie mult mai mare decât în cazul reacţiilor chimice, acţionează în condiţii blânde de reacţie care sunt condiţiile fiziologic normale de pH, temperatură, presiune osmotică etc., cea mai importantă particularitate este înalta specificitate de acţiune concretizată în capacitatea enzimelor de a cataliza transformarea unui grup de substrate, înrudite structural. Cinetica reacţiilor enzimatice – studiază dependenţa vitezei reacţiilor enzimatice de natura chimică a enzimei şi substratului, de pH-ul şi temperatura mediului de incubare, de concentraţia substratului etc. Influenţa concentraţiei enzimei asupra vitezei de reacţie. Viteza reacţiei enzimatice depinde de concentraţia enzimei. Dacă concentraţia substratului este constantă, se observă o proporţionalitate directă între viteza de reacţie iniţială(când numai o cantitate foarte mică de S se transformă în P) şi concentraţiile crescânde ale enzimei. Această dependenţă liniară este caracteristică pentru majoritatea enzimelor. Influenţa pH-ului mediului. Acţiunea tuturor enzimelor depinde de pH-ul mediului în care au loc reacţiile enzimatice. Fiecare enzimă manifestă o activitate maximă într-un domeniu determinat al concentraţiei ionilor de hidrogen, care se numeşte pH optim de acţiune. Valoarea sa variază cu natura şi originea enzimei, natura chimică a substratului, sistemul tampon etc. pentru majoritatea enzimelor pH-ul optim se situează în domeniul neutru sau slab acid (fig. I.7.).

27

v

V max

pH

pHoptim

Fig. I.7. Influenţa pH-ului mediului de incubare asupra vitezei reacţiilor enzimatice

Influenţa temperaturii mediului Viteza reacţiilor enzimatice creşte cu ridicarea temperaturii pe un interval mic de temperatură (fig. I.8.). v

V max

t2

toptim

t1

oC

Fig. I.8. Dependenţa vitezei reacţiilor enzimatice de temperatura mediului de incubare

Valoarea maximă a vitezei de reacţie corespunde la temperatura optimă de acţiune a enzimei. Dacă temperatura se măreşte în continuare are loc o diminuare rapidă a vitezei de reacţie prin denaturarea termică a enzimei. În general majoritatea enzimelor de origine animală prezintă o eficienţă catalitică maximă între 35 şi 40oC iar enzimele vegetale în domeniul de temperatură 45 şi 60oC. La temperaturi mai mari de 70oC majoritatea enzimelor se inactivează. Funcţia catalitică a enzimelor este anulată reversibil la temperaturi sub 0oC. Influenţa concentraţiei substratului Pentru majoritatea enzimelor, la concentraţii mici de substrat, viteza de reacţie este direct proporţională cu concentraţia substratului. Pentru a găsi o dependenţă matematică între aceşti doi parametri, Michaelis, Menten şi Haldane au luat în considerare reacţia enzimatică cea mai simplă, adică cea cu un singur substrat şi cu un singur complex enzimă-substrat.

E + S

K+1 K-1

ES

K+2

E + P

Conform teoriei acestor autori, viteza de reacţie enzimatică este de fapt viteza cu care complexul ES se descompune pentru a forma produsul de reacţie. Totodată autorii iau în considerare şi conceptul de stare staţionară conform căruia în sistem se instalează un echilibru

28

atunci când viteza de formare (Vf) a complexului ES devine egală cu viteza de descompunere (Vd) a acestuia. Vf = k1[E] . [S] = k1([Et] – [ES]) . [S] unde Et reprezintă cantitatea totală de enzimă iar diferenţa reprezintă enzima liberă Vd = k2 [ES] + k3[ES] = (k2+ k3) [ES] La echilibru: Vf = Vd Rezultă: k1([Et] – [ES]) . [S] = (k2+ k3) [ES] Sau: ([Et] – [ES]) . [S] (k2+ k3) = = const. = KM [ES] k1 Constanta Km poartă numele de constanta Michaelis şi are o semnificaţie concretă, identificându-se cu acea concentraţie a substratului la care v=1/2 Vmax. Din relaţia de mai sus KM este egală cu concentraţia molară a substratului la care jumătate din enzimă se găseşte legată cu substratul, iar cealaltă jumătate se află în stare liberă. Constanta KM se poate determina experimental prin trasarea curbei de viteză funcţie de concentraţia substratului. Pentru construirea graficului se determină viteza de reacţie la diferite valori ale concentraţiei substratului. Pentru evaluarea mai precisă a KM şi Vmax ecuaţia M. M. se prelucrează în următoarea ecuaţie liniară, numită ecuaţia Lineweaver-Burck (fig. I.9.) 1 v

1 V max

_ 1 KM

O

1/[s]

Fig.I.9. Reprezentarea grafică a ecuaţiei Lineweaver-Burk

Graficul dependenţei între 1/v şi 1/[S] reprezintă o linie dreaptă a cărei pantă este egală cu KM/Vmax şi care intersectează ordonata în punctul 1/Vmax. din acest grafic se pot afla uşor Vmax şi KM. Parametrul KM al unei enzime depinde de substrat şi condiţiile de reacţie valorile sale variind pentru diferite enzime în limite foarte largi. O constantă KM mare indică o afinitate mică a enzimei pentru substrat. Enzima cu KM mică va manifesta în organismul viu o activitate mare, posibil chiar maximă. Influenţa efectorilor asupra activităţii enzimelor. Se numesc efectori (modulatori) substanţele chimice care modifică viteza unor reacţii enzimatice când sunt adăugate în mediul de incubare. În funcţie de modul cum acţionează efectorii pot fi activatori sau inhibitori. Activatorii influenţează pozitiv activitatea enzimelor pe care o intensifică sau stimulează. Între activatorii enzimatici se numără numeroşi ioni metalici (Na+, K+, Mg2+, Ca2+, Zn2+, Mn2+, Co2+ etc.), unii anioni (Cl– etc.), diferiţi compuşi organici cum ar fi unii tioli (cisteina, glutationul etc.). Inhibitorii sunt modulatori care diminuează sau anulează activitatea enzimelor. În funcţie de modul de acţiune al inhibitorilor asupra enzimelor inhibiţia poate fi: - inhibiţie reversibilă - inhibiţie ireversibilă Ultima conduce la pierderea definitivă a activităţii enzimei, datorită denaturării ei prin legarea covalentă a inhibitorului cu un aminoacid esenţial pentru funcţia catalitică. La rândul ei inhibiţia reversibilă este de 2 tipuri, în funcţie de mecanismul de acţiune al inhibitorului, competitivă şi necompetitivă. Inhibitorii competitivi interacţionează cu centrul activ al enzimei. Ei prezintă o analogie structurală cu substratul şi în consecinţă concurează cu acesta pentru centrul activ al enzimei. În inhibiţia necompetitivă inhibitorul nu prezintă analogie structurală cu substratul şi se 29

leagă cu enzima într-o altă zonă a moleculei, diferită de centrul activ. Inhibitorii necompetitivi pot reacţiona atât cu enzima liberă cât şi cu complexul ES. Reglarea activităţii enzimelor – se realizează prin mai multe mecanisme: Conversia precursorilor inactivi în enzime active. Unele enzime care funcţionează în exteriorul celulei (în tractul digestiv sau în plasma sanguină) sunt sintetizate sub formă de precursori inactivi numiţi proenzime sau zimogene. Hidroliza unui număr limitat de legături peptidice în moleculele zimogenelor conduce la conversia lor în enzime active. Modificarea covalentă a unor enzime se poate realiza prin inserţia de grupări micromoleculare în moleculele lor. Spre exemplu activitatea enzimelor care catalizează sinteza şi degradarea glicogenului este reglată prin fosforilarea unui anumit radical de serină din moleculele acestor enzime. Un mecanism de reglare mai răspândit decât modificarea covalentă, este inhibiţia de tip feed back, când acumularea produsului final al unei căi metabolice cauzează inactivarea enzimelor necesare pentru sinteza lui. Cel mai răspândit mecanism de reglare a activităţii enzimelor în lumea vie se consideră reglarea allosterică. Caracteristica esenţială a enzimelor alosterice este susceptibilitatea lor de a fi activate sau inhibate de alţi metaboliţi decât substratele naturale. Aceşti metaboliţi se numesc efectori alosterici sau modulatori alosterici. Dacă modulatorul induce creşterea capacităţii catalitice a enzimei se numeşte activator sau modulator pozitiv, iar dacă acesta provoacă scăderea eficienţei ei catalitice se numeşte inhibitor sau modulator negativ. Un alt mecanism este reglarea vitezei de biosinteză a enzimelor sau reglarea genetică.

______________________________________________________________________ Întrebări de verificare şi evaluare a cunoştinţelor – Ce sunt enzimele şi cum se clasifică ele? – Ce coenzime cunoaşteţi? Care sunt formulele lor chimice? – Care sunt principalele proprietăţi ale enzimelor? – Care sunt principalele aspecte ale cineticii reacţiilor enzimatice? – Ce este constanta KM şi cum se deduce formula sa?

__________________________________________________________________________

I.1.2.6. Glucidele (zaharurile, hidraţii de carbon) Din punct de vedere cantitativ, glucidele sau zaharidele reprezintă cea mai importantă clasă de substanţe organice naturale, fiind totuşi răspândită în mod inegal în organismele vii. În plante, spre exemplu, ele reprezintă 80-90% din substanţa uscată, în timp ce ţesuturile animale conţin cantităţi mult mai mici (1-5%). Glucidele, libere sau sub formă de derivaţi, se află în compoziţia oricărui organism viu, unde îndeplinesc rolul de surse de energie şi rol structural (plastic), ele fiind elemente de construcţie ale celulei vii. Din punct de vedere structural glucidele se împart în trei clase: monoglucide oligoglucide poliglucide Monoglucidele (monozaharidele sau ozele) sunt combinaţii naturale polihidroxicarbonilice, mai exact polihidroxialdehide sau polixidroxicetone cu lanţ C-C neîntrerupt. După numărul atomilor de carbon din moleculă monoglucidele pot fi trioze, tetroze, pentoze, hexoze, heptoze etc. După natura grupării carbonilice monoglucidele pot fi. aldoze – monoglucide care au în molecula lor grupa aldehidică; cetoze - monoglucide care au în molecula lor grupa cetonică. CH 2 – OH H – C =O

C =O

(CH – OH) n

(CH – OH) n

CH 2 – OH

CH 2 – OH

aldoză

cetoză

30

Monozaharidele cel mai des întâlnite în organismele vii sunt următoarele (cu reprezentanţi mai importanţi): Triozele sunt monozaharide cu trei atomi de carbon în moleculă. Dintre trioze două sunt răspândite în celulele animale şi vegetale gliceraldehida (aldotrioză) şi dihidroxiacetona (cetotrioza): H – C =O

CH 2 – OH

CH – OH

C =O

CH 2 – OH

CH 2 – OH

gliceraldehidă (aldotrioză)

dihidroxiacetona (cetotrioză)

Tetrozele sunt monozaharide cu patru atomi de carbon în moleculă. Un exemplu este eritroza întâlnită ca produs intermediar fosforilat în degradarea enzimatică a glucidelor: H – C =O H – C – OH H – C – OH CH2 – OH eritroza

Pentozele sunt monozaharide cu cinci atomi de carbon în moleculă. Dintre aldopentoze cea mai importantă este riboza, monozaharidul cel mai răspândit în natură, îndeosebi ca parte componentă a acizilor nucleici sau a unor enzime: H – C =O H – C – OH H – C – OH H – C – OH CH 2 – OH riboza

Dintre cetopentoze în organismele vii se întâlnesc sub formă fosforilată ribuloza şi xiluloza: CH2OH C O H C OH H C OH CH2OH ribuloza

CH2OH C O HO C H H C OH CH2OH xiluloza

Hexozele sunt monozaharide cu şase atomi de carbon în moleculă. Glucoza este monozaharidul cel mai răspândit în natură, găsindu-se atât sub formă liberă (sânge, limfă, miere, fructe, sucuri de plante etc.) cât şi combinată (glicozide, oligozaharide, polizaharide):

31

H HO H H

O C H C OH C H C OH C OH CH2OH

H HO HO H

O C H C OH C H C H C OH CH2 OH

O C H C H C H C OH C OH CH2OH

HO HO H H

galactoza

glucoza

CH2OH C O HO C H H C OH H C OH CH2OH fructoza

manoza

Galactoza se întâlneşte rar în stare liberă, în fructe. Sub formă combinată se întâlneşte în lactoză, melibioză (dizaharide), rafinoză (trizaharid), şi în câteva polizaharide. Manoza se găseşte sub formă combinată în câteva polizaharide(mucilagiile şi gumele vegetale). Fructoza denumită şi levuloză este întâlnită în stare liberă în miere, în sucul unor fructe, în mere, tomate etc., iar sub formă combinată în structura zaharozei, în unele oligozaharide etc. Heptozele sunt monozaharide cu şapte atomi de carbon în moleculă. Sedoheptuloza se găseşte în sucul numeroaselor plante şi ca produs intermediar în procesul de fotosinteză (rol important în biosinteza hexozelor din compuşi care conţin un număr mai mic de atomi de carbon):

HO H H H

CH 2OH C O C H C OH C OH C OH CH 2OH

sedoheptuloza

Cele mai simple monoglucide sunt triozele. Se cunoaşte o aldotrioză denumită aldehida glicerică (gliceraldehida sau gliceroza) şi o cetotrioză-dihidroxiacetona. Cu excepţia dihidroxiacetonei, toate ozele conţin cel puţin un atom de carbon asimetric (chiral) deci prezintă izomerie optică. Aldehida glicerică conţine un atom de carbon asimetric (C*) şi prin urmare există două forme cu configuraţii diferite, adică doi enantiomeri: aldehida D-glicerică şi aldehida L-glicerică: O

O C

C

H

H

H

C * OH CH 2

HO

C* H CH 2

OH

aldehida D-glicericã

OH

aldehida L-glicericã

Toate monoglucidele (tetroze, pentoze, hexoze etc.) care teoretic pot fi obţinute din aldehida D-glicerică prin creşterea succesivă a catenei atomilor de carbon de la capătul cu grupa aldehidică, formează seria D. Monoglucidele provenite pe aceeaşi cale din L-gliceraldehidă constituie seria L. Prin urmare, monoglucidele aparţin seriei D sau L dacă atomul de carbon asimetric, cel mai îndepărtat de grupa carbonil, are aceeaşi configuraţie ca şi atomul de carbon asimetric din aldehida D- sau Lglicerică. Marea majoritate a monoglucidelor descoperite în natură fac parte din seria D deoarece organismele vii nu conţin enzimele capabile să metabolizeze ozele seriei L. Ozele mai prezintă un tip special de izomerie numită epimerie. Două oze epimere diferă structural prin configuraţia unui singur atom de carbon asimetric. De exemplu D-glucoza şi Dmanoza sunt epimere în raport cu C-2 iar D-ribuloza şi D-xiluloza sunt epimeri după atomul C-3:

H HO H H

CHO C OH C H C OH C OH CH2 OH

D glucoza

HO HO H H

CHO C H C H C OH C OH CH2 OH

D manoza

32

Transformarea unei oze în epimerul său se numeşte epimerizare. Formulele liniare (aciclice) sunt utile pentru compararea structurii diferitelor monoglucide, însă nu reflectă unele proprietăţi ale acestora. Aldozele cu peste 4 atomi de C în moleculă şi cetozele cu peste 5 atomi de C în moleculă pot da reacţii de ciclizare intramoleculară cu formare de semiacetali, respectiv semicetali (formule ciclice). La grupa carbonil din aldoze şi cetoze se adiţionează o grupă –OH din aceeaşi moleculă rezultând cicluri de 5 sau 6 atomi dintre care unul de oxigen. Ciclul cu 5 atomi se numeşte ciclu furanozic iar ciclul cu 6 atomi se numeşte ciclu piranozic. De exemplu, H H HO H H

O C C OH C H C OH C OH CH2OH

H H HO H H

OH C C OH C H O C OH C CH2OH

în cazul glucozei: În structura astfel rezultată, grupa carbonil este mascată şi în locul ei apare o nouă grupă – OH numită hidroxil glicozidic sau semiacetalic (semicetalic). Prin ciclizarea monoglucidelor apare un nou centru de asimetrie la atomul de carbon care a aparţinut grupei carbonil. Prezenţa acestui nou centru asimetric în molecula monoglucidelor face posibilă existenţa a doi stereoizomeri numiţi α- şi β-anomeri. Anomerul α desemnează forma în care orientarea hidroxilului glicozidic este identică cu cea a hidroxilului de la atomul de carbon asimetric care determină apartenenţa monoglucidului respectiv la seria D sau L, iar β-anomerul are configuraţia opusă la cei doi atomi de carbon. Un tablou mai complet asupra stării reale a moleculelor de monoglucide se obţine dacă formulele ciclice se reprezintă prin formulele de perspectivă: CH2 OH

CH2 OH H

O H H

OH OH H

H

OH

OH

α -D-glucozã

H

O OH H

OH OH H

H

H

OH

β -D-glucozã

Ciclul piranozic sau furanozic este imaginat perpendicular pe planul hârtiei, atomul de oxigen aflându-se la distanţa cea mai mare de observator. Legăturile dinspre observator se trasează cu linie groasă. Substituenţii orientaţi în formele ciclice la dreapta liniei verticale se plasează în formulele de perspectivă sub planul heterociclului, iar cei dispuşi la stânga – deasupra. Grupa alcoolică primară, sau restul catenei de la atomul de carbon asimetric cu cel mai mare număr de ordine din ciclul piranozic sau furanozic se trece deasupra planului moleculei, dacă atomul menţionat are configuraţie D şi sub acest plan în cazul atomului cu configuraţia L. Aceeaşi regulă se aplică şi pentru grupa alcoolică primară legată la C-2 în piranozele sau furanozele provenite din cetoze. Derivaţi funcţionali ai monoglucidelor În organismele vii se întâlnesc atât ozele ca atare cât şi sub forma unor derivaţi funcţionali. Între derivaţii monoglucidelor se numără: deoxiglucidele, aminoglucidele, derivaţi acizi, glicozide. a) Deoxiglucidele – sunt derivaţi ai monozaharidelor în care una sau mai multe grupări – OH sunt substituite cu atomi de H. Un astfel de compus foarte des întâlnit în natură este 2-Ddeoxiribăza care intră în structura ADN-ului.

33

riboza

deoxiriboza

b) Aminoglucidele – sunt derivaţi ai ozelor în care o grupare –OH este substituită cu o grupare aminică. Aminoglucidele cele mai răspândite în natură sunt 2-aminoaldozele cum ar fi glucozamina şi galactozamina întâlnite de regulă sub forma derivaţilor N-acetilaţi în structura glicoproteinelor şi glicolipidelor:

glucozamina

galactozamina

O clasă importantă de aminoglucide cu o structură complexă, o formează acizii sialici care sunt derivaţi acilaţi ai acidului neuraminic:

Acidul neuraminic b) Acizii derivaţi de la monozaharide Gruparea aldehidică a aldozelor se poate oxida la gruparea –COOH cu formarea hidroxiacizilor corespunzători numiţi acizi aldonici. Prin această proprietate se explică capacitatea reducătoare a aldozelor. Dacă se protejează gruparea aldehidică şi se oxidează gruparea alcoolică primară rezultă acizii uronici. Atunci când se oxidează atât gruparea aldehidică cât şi cea alcoolică primară se obţin acizii aldarici (zaharici). În cazul glucozei cei trei acizi sunt: CHO

COOH

CHO

COOH

H

C

OH

H

C

OH

H

C

OH

H

C

OH

HO

C

H

HO

C

H

HO

C

H

HO

C

H

H

C

OH

H

C

OH

H

C

OH

H

C

OH

H

C

OH

H

C

OH

H

C

OH

H

C

OH

CH2

OH

glucozã

CH2

OH

acid gluconic

COOH acid glucaric

COOH acid glucuronic

34

c) Glicozidele sunt derivaţi ai ozelor care iau naştere prin substituirea hidroxilului glicozidic din formele ciclice ale ozelor cu alcooli, fenoli, amine etc. Fragmentul de monoglucidă din molecula glicozidică se numeşte rest glicozidic sau glicon iar cealaltă componentă se numeşte aglicon. În funcţie de natura atomului prin care se leagă cele două componente, glicozidele sunt de mai multe tipuri: O-glicozide, N-glicozide, Sglicozide. Multe glicozide au importanţă practică, însă marea lor majoritate sunt toxice pentru om şi animale. Oligoglucide (oligozaharide, oligozide) Sunt combinaţii formate din 2 – 10 resturi de oze legate între ele prin legături O-glicozidice. Atunci când legătura glicozidică se formează între hidroxilul glicozidic al unei oze şi un hidroxil alcoolic al alteia se formează oligoglucide reducătoare. De exemplu maltoza (2 resturi de α-Dglucoză), celobioza (2 resturi de β-D-glucoză, lactoza (β-galactoză + α-glucoză).

maltoza

celobioza

lactoza Dacă legătura glicozidică se stabileşte între hidroxilii glicozidici rezultă oligoglucide nereducătoare. De exemplu zaharoza (α-D-glucoză + β-D-fructoză), trehaloza, rafinoza etc.

zaharoza În funcţie de numărul resturilor de oze oligoglucidele pot fi: - diglucide - triglucide - tetraglucide etc. Poliglucide (polizaharide) 35

Sunt compuşi macromoleculari formaţi dintr-un număr mare de resturi de oze legate între ele prin legături glicozidice. În funcţie de structura chimică se împart în două grupe: – homopolizaharide (homoglicani) care se caracterizează prin aceea că au molecula formată din acelaşi tip de monozaharide; – heteropolizaharide (heteroglicani)care au în structura lor 2 sau mai multe tipuri de oze sau derivaţi ai acestora. Homoglicanii pot fi la rândul lor: homoglicani neutri – rezultaţi prin condensarea monoglucidelor neutre şi homoglicani acizi - rezultaţi din acizi derivaţi de la monoglucide. Celuloza este cea mai răspândită substanţă organică naturală. Este o poliglucidă predominant vegetală, dar se poate întâlni şi la unele bacterii şi nevertebrate. Este un polimer liniar alcătuit din resturi de β-D-glucoză unite prin legături β-1,4-glicozidice. Hidroliza completă a celulozei conduce la obţinerea cantitativă a β-D-glucozei iar hidroliza parţială la celobioză, diglucid care reprezintă unitatea structurală de bază a celulozei. Celuloza conţine aproximativ 3 000 resturi de celobioză, având o masă moleculară de aproximativ 400 000 daltoni (1D = 1,67x10-24g). Celuloza joacă preponderent un rol structural în organismele vegetale. Amidonul este principala polizaharidă de rezervă din plante (este depozitată în seminţe, bulbi, tuberculi etc.). Prin hidroliza completă a amidonului rezultă α-D-glucopiranoză. Amidonul reprezintă un amestec de 2 polizaharide: – amiloza (15-25%) este un polimer liniar alcătuit din resturi alcătuit de α-D-glucopiranoză unite prin legături α-1,4-glicozidice:

Fig.I.10. Structura amilozei

– amilopectina (75-85%) este un polimer cu structură puternic ramificată în care resturile de glucoză se unesc predominant prin legături α-1,4-glicozidice, iar în punctele de ramificaţie prin legături α-1,6-glicozidice:

36

Fig.I.11. Structura amilopectinei

Amiloza şi amilopectina au proprietăţi fizice şi chimice diferite. Masa moleculară medie a amilozei din cartofi este de aprox. 400 000 D, în porumb şi orez de aprox. 100-200 000 D. Masa moleculară a amilopectinei este de aprox. 20 x 10 6 D. Amiloza se colorează cu iodul în albastru închis, iar cu amilopectina în albastru-violet. Amiloza, prin dizolvare în apă fierbinte dă o soluţie coloidală, limpede, nevâscoasă, iar amilopectina formează aşa numitul “clei de amidon”. Amidonul are rol important în alimentaţia omului. Inulina şi fleina sunt poliglucide de rezervă ale D-fructozei care se întâlnesc în plantele superioare. Glicogenul este cea mai importantă poliglucidă de rezervă din organismele animale. Se acumulează în principal în ficat şi muşchi. De asemenea se găseşte în unele drojdii şi bacterii. Are o structură foarte asemănătoare cu cea a amilopectinei (legături α-1,4-şi α-1,6-glicozidice). Spre deosebire de aceasta, glicogenul posedă o structură mult mai ramificată şi mai compactă. Dextranii sunt poliglucide produse de unele bacterii în care resturile de α-D-glucoză sunt legate predominant prin legături α-1,6-glicozidice dar şi ramificaţii prin intermediul legăturilor α-1,2-, α-1,3- şi α-1,4-glicozidice. Din dextrani se prepară “Sephadex-ul” folosit în laboratoarele de biochimie drept site moleculare (datorită structurii foarte ramificate). Agaroza este componentul principal al agarului din unele specii de alge roşii marine, alcătuit din resturi alternante de D-galactoză şi 3,6 anhidro-L-galactoză, unite pe rând prin legături β-1,4- şi α-1,3-glicozidice. Chitina este o polizaharidă cu structură liniară constituit din resturi de N-acetil- β-Dglucozamină legate prin legături β-1,4-glicozidice. Chitina intră în structura carapacei crustaceelor, a tegumentelor exterioare ale insectelor, a pereţilor celulari ai ciupercilor, precum şi ai multor microorganisme. Heteropolizaharide (heteroglicani) conţin în moleculă resturi a cel puţin două oze diferite. Galactomananii şi glucomananii sunt heteropoliglucide formate din resturi de galactoză şi manoză şi respectiv glucoză şi manoză unite prin legături β-1,3- şi β-1,4- glicozidice. Galactomananii se găsesc în seminţele de leguminoase şi în rizomii plantelor iar glucomananii predominant în organele subpământene (tuberculi, rădăcini, bulbi) ale unor plante. Aceste heteropoliglucide se găsesc alături de amidon sau uneori ca substanţe unice de rezervă. Mucopolizaharidele sunt heteroglicani formaţi din resturi de aminoglucide care alternează cu resturi de acizi uronici. Se întâlnesc preponderent în organismele animale şi în cel uman unde îndeplinesc funcţii bine stabilite. Cele mai importante mucopolizaharide sunt: acidul hialuronic, acizii condroitin-sulfurici, dermatan-sulfatul, keratan-sulfatul, heparina. – Acidul hialuronic este un polimer neomogen ce conţine resturi de acid β-D-glucuronic şi N-acetil-β-D-glucozamină. Este constituentul principal al substanţei intercelulare unde îndeplineşte rolul de material de cimentare a celulelor în ţesutul conjunctiv. Joacă şi un rol de apărare prin faptul că acest heteroglican formează o barieră contra pătrunderii germenilor patogeni şi substanţelor toxice în organism. – Acizii condroitin-sulfurici sunt sulfaţi ai condroitinei care, la rândul ei reprezintă un polimer liniar ce conţine resturi de acid β-D-glucuronic şi N-acetil-β-D-galactozamină. Sunt răspândiţi în cartilaje, tendoane, oase etc. – Dermatan-sulfatul are molecula formată din resturi de N-acetil-β-D-galactozamină esterificate cu acid sulfuric la C4 şi resturi de acid D-glucuronic. Este răspândit în piele, tendoane, pereţii vaselor sanguine etc. – Keratan sulfaţii sunt formaţi din resturi de β-D-galactopiranoză şi N-acetil-β-Dglucozamin-6-sulfat. Se găseşte în cornee, cartilaje şi oase. – Heparina este secretată în sânge de către ficat, dar şi de plămâni şi muşchi. Este formată din acid α-D-glucuronic esterificat cu acid sulfuric la C2 şi N-sulfo-α-D-glucozamin-6-sulfat. Heparina este un puternic anticoagulant. __________________________________________________________________________

Întrebări de verificare şi evaluare a cunoştinţelor –

Ce sunt monozaharidele? 37

–

Ce sunt aldozele şi hexozele? Scrieţi formulele lor generale.

–

Scrieţi formulele liniară, ciclică şi de perspectivă ale α - şi β -D-glucozei Ce derivaţi de la monozaharide cunoaşteţi? Scrieţi formulele lor chimice. Scrieţi formulele chimice ale principalelor oligozaharide reducătoare şi nereducătoare. Care sunt principalii homoglicani? Unde se întâlnesc ei în natură? Care sunt principalele mucopolizaharide şi rol îndeplinesc ele?

– – – –

__________________________________________________________________________ I.1.2.7. Lipide Lipidele constituie o grupă de substanţe bioorganice larg răspândite în organismele vii, caracterizată prin heterogenitatea structurii şi a proprietăţilor fizico-chimice. Lipidele sunt substanţe insolubile în apă şi solubile în solvenţi organici. În organismele vii, lipidele îndeplinesc mai multe funcţii: – rol energetic datorită energiei ce rezultă în urma degradării lor catabolice, această energie, acumulată sub forma legăturilor macroergice ale moleculelor de ATP, putând fi utilizată de către organisme în procesele de biosinteză şi în efortul fizic şi intelectul; – rol de rezervă îndeplinit de lipidele localizate în ţesuturile adipoase; – rol plastic jucat de lipidele citoplasmatice care sunt, în general, lipide complexe care intră în compoziţia citoplasmei şi a tuturor membranelor biologice. Dacă lipidele de rezervă sunt consumate în caz de subnutriţie, lipidele plastice reprezintă elementul constant, concentraţia lor rămânând nemodificată. – rolul de material izolant jucat de lipidele localizate în ţesuturile subcutanate sau în jurul diferitelor organe unde asigură protecţia mecanică şi termică. Din punct de vedere structural, lipidele se clasifică în două mari grupe care la rândul lor se împart în alte subgrupe: lipide simple (ceride, acilgliceroli, steride şi etolide) şi lipide complexe (fosfolipide şi glicolipide). La rândul lor, acilglicerolii pot fi mono-, di- şi triacilgliceroli, fosfolipidele se împart în glicerofosfatide şi sfingofosfatide, iar glicolipidele pot fi glicosfingolipide (cerebrozide şi gangliozide) şi glicozil-gliceride). Acizii graşi ce intră în structura lipidelor sunt în general acizi monocarboxilici saturaţi sau nesaturaţi, cu număr par de atomi de carbon (doar rareori se întâlnesc acizi graşi cu număr impar de atomi de carbon), cu catenă normală sau ramificată. – Acizi graşi cu catenă normală:

CH3 – (CH2)n – COOH n = 2 – ac. butiric 4 – ac. caproic 6 – ac. caprilic 8 – ac. caprinic 10 – ac. lauric 12 – ac. miristic 14 – ac. palmitic 16 – ac. stearic 18 – ac. arahidic 20 – ac. behenic 22 – ac. lignoceric 24 – ac. cerotic etc. – Acizi graşi cu catenă ramificată

acid tuberculosteraic – Acizi graşi nesaturaţi – cu o dublă legătură acid crotonic acid palmitoleic acid oleic 38

–cu două duble legături acid linoleic – cu trei duble legături acid α – linolenic – cu patru duble legături acid arachidonic – cu triplă legătură acid tariric – hidroxiacizi nesaturaţi acid ricinoleic acid hidroxinervonic

Lipide simple Ceridele sunt esteri ai acizilor graşi superiori (C24 – C32) cu alcooli monohidroxilici superiori. În natură, ceridele apar sub forma unui amestec de hidrocarburi, alcooli şi acizi graşi care poartă numele de ceruri. Cerurile pot fi de provenienţă animală (spermacet, ceara de albine, lanolina) sau vegetală (ceara de Carnauba). Cerurile formează un strat protector pe pielea, părul şi penele vieţuitoarelor, de asemenea, pe frunzele, florile şi fructele diferitelor plante. Acilglicerolii sunt esteri ai acizilor graşi cu glicerolul. Întrucât glicerolul este un alcool trihidroxilic se deosebesc monoacilgliceroli, diacilgliceroli şi triacilgliceroli care au formulele generale: CH 2–O–CO–R

CH 2–OH

CH 2–O–CO–R 1

CH 2–O–CO–R 1

CH 2–O–CO–R 1

CH–OH

CH–O–CO–R

CH–OH

CH–O–CO–R 2

CH–O–CO–R 2

CH 2–OH

CH 2–OH

CH 2–O–CO–R 2

CH 2–OH

CH 2–O–CO–R 3

triacilα-monoacilβ-monoacilα,α'-diacilα,β -diacil-glicerol -glicerol -glicerol -glicerol -glicerol Acilglicerolii sunt cele mai răspândite lipide în ţesuturile plantelor (uleiuri) şi animalelor (grăsimi). Ei sunt insolubili în apă dar foarte solubili în solvenţi organici nepolari (benzen, cloroform, eter etilic etc.). Ca esteri, acilglicerolii pot fi hidrolizaţi prin fierbere cu acizi sau baze. Hidroliza acilglicerolilor sub acţiunea hidroxizilor alcalini se numeşte saponificare. Ionii carboxilaţi eliberaţi în urma acestei reacţii formează cu cationii sărurile corespunzătoare numite săpunuri. Cantitatea în mg de KOH necesară pentru saponificarea unui gram de triacilglicerol se numeşte indice de saponificare. Deosebit de importante sunt reacţiile de adiţie la dublele legături din moleculele acilglicerolilor. Prin hidrogenare, uleiurile vegetale se solidifică, proces folosit la prepararea margarinei. Cantitatea de I2 sau Br2, în grame, adiţionată la dublele legături ale acizilor graşi din 100g acilglicerol se numeşte indice de iod. Sub acţiunea oxigenului şi a umidităţii acilglicerolii suferă un proces de râncezire care conduce la cetone şi aldehide cu miros neplăcut. Steridele sunt esteri ai acizilor graşi superiori cu alcooli tetraciclici monohidroxilici saturaţi cunoscuţi sub numele de steroli. Unitatea structurală de bază a acestora este steranul (nucleul ciclopentanoperhidrofenantrenic):

39

nucleu ciclopentanoperhidrofenantrenic Sterolii sunt răspândiţi atât în ţesuturile animale (zoosteroli) cât şi în plante (fitosteroli) şi ciuperci (micosteroli). Cel mai răspândit sterol din organismele animalelor superioare şi omului este colesterolul:

colesterol colesteridă În sângele uman, o treime din cantitatea totală de colesterol se află sub formă de alcool liber, iar 2/3 sub formă esterificată. Lipide complexe Conţin în molecula lor, pe lângă componenta lipidică şi o componentă de altă natură. Din punct de vedere al structurii lor chimice, lipidele complexe se împart în două clase: fosfolipide şi glicolipide. A. Fosfolipidele denumite şi fosfatide, se împart la rândul lor în două grupe glicerofosfolipide (glicerofosfatide) şi sfingofosfolipide (sfingofosfatide). – Glicerofosfatidele sunt derivaţi ai acidului L-α-fosfatidic

acid L - α - fosfatidic Prezenţa radicalului fosfat conferă fosfolipidelor proprietăţi specifice: un capăt al moleculei este polar, hidrofil, iar celălalt este hidrofob. De aceea, fosfolipidele intră în structura membranelor biologice a căror funcţionare o condiţionează. În structura glicerofosfatidelor, restul de acid fosforic este la rândul lui esterificat cu alţi compuşi. În funcţie de natura acestora, glicerofosfatidele se clasifică astfel:

fosfatidilcoline (lecitine)

fosfatidiletanolamine (cefaline)

fosfatidilserina 40

fosfatidilinozitoli În ţesuturile animale, în special în muşchi şi în ţesutul nervos, au fost identificate glicerofosfatide în care grupa –OH din poziţia 1 este eterificată cu un alcool α-β-nesaturat. Aceşti compuşi au primit numele de plasmalogene. – Sfingofosfatidele (sfingomieline) sunt fosfolipide ce conţin în molecula lor un aminoalcool dihidroxilic nesaturat numit sfingozină, un acid gras superior, acid fosforic şi colină:

sfingozina

sfingomielina B) Glicolipidele conţin în molecula lor, pe lângă componenta lipidică şi o componentă glucidică. Din punct de vedere al structurii lor chimice se împart în: – glicosfingolipide – glicozilgliceride Glicosfingolipidele sunt glicolipide care conţin sfingozină, un derivat al acesteia, un rest de acid cerebronic şi un rest de hexoză. Între glicosfingolipide se disting: cerebrozide, sulfatide, ceramidoligozaharide şi gangliozide. Cerebrozidele conţin sfingozină, acid gras şi hexoză (galactoză sau glucoză). De aceea adesea se numesc galactocerebrozide sau glucocerebrozide. Cerebrozidele se găsesc în ţesuturile vertebratelor, nevertebratelor şi plantelor.

galactocerebrozidă Sulfatidele (cerebrozidsulfatidele) se deosebesc de cerebrozide prin prezenţa restului de acid sulfuric, legat esteric la carbonul C-3 al galactozei. Se găsesc în creier şi alte ţesuturi şi au rol deosebit în transportul ionilor la nivelul membranelor biologice. Ceramidoligozaharidele conţin heterooligozaharide unite printr-o legătură β-glicozidică cu ceramida. Gangliozidele sunt cele mai complexe lipide a căror componentă glucidică conţine glucoză, galactoză, N-acetilgalactozamină şi acid N-acetil-neuraminic. Ele au fost descoperite în ganglionii sistemului nervos, creier şi alte ţesuturi. Gangliozidele au un rol extrem de important în funcţionarea membranelor celulare nervoase. S-a observat că în unele boli neuropsihice, în sistemul nervos apar gangliozide cu structură modificată. – Glicozil-gliceridele. Din surse vegetale (grâu, porumb, alge etc.), precum şi din unele ţesuturi animale (creier) au fost izolate glicolipidele numite glicozildiacilgliceroli şi sulfoglicozil diacilgliceroli în care componenta glucidică poate fi galactoza, glucoza, manoza etc. __________________________________________________________________________

Întrebări de verificare şi evaluare a cunoştinţelor – Ce sunt lipidele şi ce funcţii îndeplinesc ele în organismele vii? 41

– Care sunt principalii acizi graşi ce intră în structura lipidelor? Scrieţi formulele lor chimice. – Cum se clasifică şi care sunt formulele chimice ale lipidelor simple? – Cum se clasifică şi care sunt formulele chimice ale lipidelor complexe?

__________________________________________________________________________ I.1.2.8. Vitamine Vitaminele sunt substanţe organice micromoleculare cu structuri chimice extrem de diferite care exercită o influenţă considerabilă asupra desfăşurării normale a tuturor proceselor biochimice din organismele vii. Denumirea de “vitamină” (amina vieţii) a fost utilizată pentru prima dată în 1912 de către K. Funk. După descoperirea mai multor vitamine în prima jumătate a secolului nostru, s-a constatat că nu toate aceste substanţe conţineau grupări aminice şi ca atare această denumire este improprie. Fiind deja intrată în uz, continuă să fie utilizată şi astăzi. Pentru vitaminele cunoscute până în prezent se folosesc mai multe denumiri: – denumirea alfabetică care utilizează majuscule ale alfabetului latin (A, B, C, D, E, F etc). Odată cu creşterea numărului de vitamine cunoscute a început utilizarea unor indici (A 1, A2, D2-D7, B1-B15, B12a, B12b etc); – denumirea chimică se bazează pe structura chimică a fiecărei vitamine (ergocalciferol, retinol, tocoferol, piridoxină etc.); – denumirea terapeutică se bazează pe efectul farmacodinamic principal (vitamina antiscorbutică, vitamina antirahitică, vitamina antipelagroasă etc.). Clasificarea este dificil de realizat din cauza structurii chimice foarte diferite. Vitaminele cunoscute până în prezent se împart în trei grupe: – vitamine liposolubile; – vitamine hidrosolubile; – substanţe cu acţiune asemănătoare vitaminelor. Lipsa unei sau altei vitamine din hrana omului şi a animalelor provoacă tulburări ale metabolismului substanţelor care se manifestă prin boli specifice numite avitaminoze. Dacă hrana conţine o vitamină în cantitate insuficientă pentru a acoperi cerinţele organismului maladia se numeşte hipovitaminoză. Introducerea în organism a unui exces de vitamine poate cauza boli numite hipervitaminoze. Biosinteza vitaminelor în organismul vegetal şi animal se poate realiza prin precursori specifici numiţi provitamine care în urma unor modificări chimice minore se transformă în vitamine active. Unele substanţe organice naturale şi sintetice au o structură asemănătoare cu cea a diverselor vitamine. Aceste substanţe se numesc antivitamine şi determină apariţia simptomelor de hipo- şi avitaminoză, chiar dacă vitamina respectivă este conţinută în hrană în cantitate suficientă. Vitamine liposolubile – A, D, E, K şi F Vitamina A (retinol, vitamina antixeroftalmică sau vitamina creşterii). Cea mai mare cantitate de vitamină A se găseşte în untura peştilor marini. H3C

CH3

CH3

CH2– OH

CH3

H3C

CH3

CH3

Retinal

CH3

CH3

CH3

H I C=O

H3C

CH3 CH2– OH

CH3

Retinol CH3

CH3

H3C

3 –Dehidroretinol CH3

CH3

CH3

CH3

COOH

Acid retinoic

Vitamina A are rol în creşterea organismelor tinere, protejarea ţesuturilor epiteliale, procesul vederii etc. În plante vitamina A se găseşte predominant sub formă de provitamină – carotenoide. β -carotenul este principala provitamină A din care, prin degradare oxidativă rezultă cele două molecule de vitamină A. Vitamine D (calciferoli, vitaminele antirahitice). În prezent se cunosc mai multe provitamine D (D2-D7) care din punct de vedere structural fac parte din clasa steroidelor.Cele mai cunoscute şi mai des utilizate în prezent sunt vitaminele D2 şi D3: 42

HO

HO ergocalciferol (D 2)

colecalciferol (D 3)

Transformarea sterolilor în vitamine D se face sub acţiunea radiaţiilor UV. Din ergosterol, sub acţiunea UV se formează un intermediar – precalciferol – care apoi se transformă în vitamina D2. Vitaminele D sunt substanţe termostabile. Se găsesc în ulei de peşte, unt, unt ficat, ouă, lapte, drojdie de bere. Rolul lor fiziologic este de a favoriza absorbţia fosforului şi calciului şi formarea sistemului osos. Avitaminoza D creează rahitismul la copii şi osteomalacia la adulţi. Hipervitaminoza D provoacă demineralizarea oaselor şi apariţia calculilor renali şi biliari. Vitamine E (tocoferoli, vitaminele antisterilităţii, vitaminele de reproducere) Aceste vitamine sunt sintetizate numai de plante. Din punct de vedere chimic sunt derivaţi ai benzopiranului fiind alcătuite dintr-un inel benzenic, un heterociclu cu oxigen şi o catenă laterală ramificată. În prezent se cunosc 6 tocoferoli, cei mai importanţi fiind α - şi β -tocoferolul: CH3

CH3

HO

HO CH3

H3C

O

CH3

CH3

CH3 O

CH3

CH3

CH3

CH3

CH3

CH3

CH3

CH3

β–tocoferol

α –tocoferol

– sunt substanţe uleioase, termostabile în absenţa oxigenului; – sunt antioxidabile; – funcţionează în organism ca antioxidanţi; – favorizează reacţiile de fosforilare şi formare a compuşilor macroergici; – prezintă proprietăţi antiinflamatorii; Vitaminele K (antihemoragice) Sunt sintetizate numai de plante şi microorganisme. Se găsesc în spanac, urzici, varză, conopidă, arahide etc. Avitaminoza provoacă hemoragii. O

O

CH3 CH3 CH3 I I CH2–CH=C–CH2–(CH2–CH2–CH–CH2)3–H

O

O

O

O –CO–CH3 CH3

Vitamina K3

CH3 I (CH2–CH=C–CH2n ) –H O

Vitamina K1 CH3

O –CO–CH3

Vitamina K4

CH3

Vitamina K2 OH CH3

+ _ Vitamina K5 NH3 ]Cl

43

+

_

OH

NH3 ]Cl CH3

+

_

+

CH _3

NH3 ]Cl

NH3 ]Cl

Vitamina K6

Vitamina K7

– sunt substanţe solide, cristaline, termostabile, fotosensibile; – determină coagularea sângelui prin transformarea fibrinogenului în fibrină; – păsările sunt foarte sensibile la avitaminoza K. Vitamine F (antidermatitice). Sub această denumire sunt reuniţi acizii graşi nesaturaţi esenţiali cu mai multe legături duble. Aceste vitamine nu se sintetizează în organismul animal. Lipsa vitaminelor F determină tulburări metabolice la nivelul pielii. Vitamine hidrosolubile Cu excepţia acidului ascorbic, al cărui mecanism de acţiune nu este tipic coenzimatic, celelalte vitamine hidrosolubile intră în structura multor enzime sub formă de coenzime. Vitamina B1 (tiamina, aneurina, vitamina antiberiberică, vitamina antinevritică). Se găseşte în drojdia de bere, seminţele de cereale, cojile de orez. CH2

N H 3C

N

CH 3

+ N S

NH2

CH 2–CH 2–OH

Este o substanţă albă, cristalină care se distruge la fierbere. Prin fosforilarea tiaminei cu ATP se obţine coenzima tiaminpirofosfat (TPP). Lipsa vitaminei B1 determină apariţia unor tulburări ale sistemului nervos, oboseală, tulburări gastrointestinale. În cazuri mai grave pot apărea nevralgii, convulsii, pareze ale extremităţilor. Vitamina B2 (riboflavina) Din punct de vedere chimic este un nucleu izoaloxazinic şi un tetraol: OH OH OH I I I CH2–C H–CH–CH–CH2–OH H 3C

N

O

N

NH

N

H 3C

O

Este o substanţă fluorescentă care intră în structura unor coenzime dehidrogenazice cum ar fi FMN şi FAD. Stimulează creşterea organismelor tinere şi are rol în procesul de bioluminescenţă la licurici. Lipsa acestei vitamine scade rezistenţa la infecţii, determină căderea părului şi conjunctivită. Vitaminele B6. (piridoxina). Sunt derivaţi piridinici. Cele mai importante sunt. piridoxolul, piridoxalul şi piridoxamina. O CH 2–OH HO H 3C

CH 2–OH N

piridoxol

C HO H 3C

H

CH 2–OH

N

piridoxal

HO H 3C

CH 2–NH 2 CH 2–OH N

piridoxaminã

44

În natură se găsesc de obicei împreună şi se pot transforma una în alta. Prin fosforilarea piridoxalului şi piridoxaminei se obţin coenzimele importante piridoxal-fosfatul şi piridoxaminfosfatul care participă la decarboxilarea şi transaminarea aminoacizilor. Avitaminoza B6 produce modificări cutanate, tulburări nervoase, anemie, insomnii etc. Vitaminele B12 (cobalamine, corinoide) Sunt compuşi chimici cu o structură chimică complicată alcătuită dintr-un nucleu corinic format din 4 inele pirolice, un atom central de Co, un nucleotid legat α-glicozidic. Vitaminele B12 sunt sintetizate în principal de către microorganismele din tractul gastrointestinal al rumegătoarelor, din sol precum şi de alte microorganisme. Vitaminele B12 participă la metabolismul glucidelor, lipidelor şi proteinelor. Avitaminoza B12 determină tulburări ale procesului de eritropoeză, apariţia unei forme canceroase de anemie numită anemie pernicioasă, încetinirea creşterii, leziuni nervoase, deteriorarea funcţiei de reproducere. Vitaminele PP (vitaminele B5) CONH2

COOH N

N

Acid nicotinic

Nicotinamidã

Termenul generic de vitamină PP sau niacină desemnează acidul nicotinic, amida sa precum şi toţi derivaţii acestora biologic activi. Acidul nicotinic se sintetizează în aproape toate organismele vii având drept precursor triptofanul. Rolul biochimic constă în faptul că nicotinamida intră în structura NAD şi NADP. Avitaminoza PP produce o boală gravă numită pelagră, dermatite, dereglări ale sistemului nervos (pierderea memoriei, halucinaţii, demenţă). Biotina (vitamina H). Din punct de vedere chimic este alcătuită dintr-un inel tetra-hidroimidazolic condensat cu un inel tetra-hidro-tiofenic şi o catenă laterală ce reprezintă un radical de acid valerianic:

O HN

O NH

S

HN CH2 CH2 CH2 CH2 COOH

α-biotina

NH S

CH2 CH2 CH CH3 COOH β-biotina

O HN

NH S

(CH2)4 CO NH (CH2)4 CH COOH NH2 biocitina

În privinţa rolului biologic, biotina constituie gruparea prostetică a enzimelor implicate în activarea şi transportul CO2. Toate enzimele care conţin biotina drept cofactor sunt inhibate de glicoproteina numită avidină din albuşul de ou. Lipsa biotinei provoacă dermatită, scăderea în greutate, paralizia membrelor. Acidul pantotenic (vitamina B3). Este sintetizat în toate plantele şi majoritatea microorganismelor. Rolul biologic rezidă, în primul rând, în faptul că acidul pantotenic este unul din 45

constituenţii coenzimei A, aceasta din urmă reprezentând la rândul ei o adevărată placă turnantă în metabolismul celular. Lipsa acidului pantotenic conduce la dermatite, depigmentarea şi căderea părului, încetinirea creşterii. Acidul folic (vitamina M). Din punct de vedere chimic este alcătuită dintr-un rest pteridinic substituit, un rest de acid p-aminobenzoic, un rest de acid glutamic. Prin reducerea acidului folic rezultă acidul tetrahidrofolic sintetizat de microorganismele intestinale. Rol biochimic are acidul tetrahidrofolic care este un agent de metilare. Avitaminoza produce tulburarea procesului de hematopoieză, oprirea creşterii, anemie macrocitară (modificarea dimensiunilor elementelor figurate ale sângelui), inflamarea cavităţii bucale, iminenţă de avort. Vitamina C (acidul ascorbic, vitamina antiscorbutică) HO–CH 2–CH–OH O H HO

O

OH

Are caracter slab acid şi este sintetizat din monoglucide de numeroase specii de microorganisme plante şi animale. Avitaminoza C provoacă afecţiuni ale ţesuturilor conjunctive, oboseală, somnolenţă. Boala numită scorbut se manifestă prin fragilitatea capilarelor, hemoragii, scăderea rezistenţei la infecţii precum şi tumefiere şi hemoragii gingivale. Rolul său biochimic constă în participarea la procese de oxido-reducere.

______________________________________________________________________ Întrebări de verificare şi evaluare a cunoştinţelor – Ce sunt vitaminele şi cum se clasifică ele? – Ce vitamine liposolubile cunoaşteţi? Scrieţi formulele lor chimice. – Care sunt principalele vitamine hidrosolubile? Scrieţi formulele lor chimice.

______________________________________________________________________ I.1.2.9. Hormoni Deşi tendinţa actuală a unor ramuri ale biologiei o constituie aprofundarea mecanismelor moleculare ce stau la baza funcţionării celulei vii, nu trebuie să neglijăm faptul că aceste mecanisme se integrează într-un tot unitar deoarece celulele, ţesuturile şi organele reprezintă părţi componente ale organismului viu în ansamblul său şi se află într-o strânsă interdependenţă şi interacţiune. Iată de ce, cunoaşterea hormonilor sub aspectul structurii lor chimice, rolului biologic şi mecanismelor de acţiune este importantă nu numai din punct de vedere practic, în scopul profilaxiei şi tratamentului unor disfuncţii glandulare ci, mai ales, pentru înţelegerea globală a proceselor biochimice şi fiziologice ce au loc în organismele vii. Sistemul endocrin îndeplineşte funcţia majoră de legătură între sistemul nervos şi celelalte sisteme de control, inclusiv cel ce acţionează la nivel molecular. Aşadar, sistemul endocrin face parte integrantă din edificiul sistemelor de reglare ce s-au dezvoltat în cursul evoluţiei şi anume: a) sistemul nervos central (SNC) al cărui rol constă în reglarea rapidă a interrelaţiilor mediu extern – organism; b) sistemul endocrin ce realizează o reglare mai lentă, dar continuă; c) sistemul imunitar cu rol de apărare faţă de proteinele străine organismului în cauză. Hormonii sunt definiţi ca fiind substanţe organice specifice, sintetizate şi secretate de către ţesuturi glandulare specializate ce formează glandele cu secreţie internă sau glande endocrine, care sunt deversate direct în sânge, fiind transportate de către acesta spre diferite organe şi ţesuturi numite organe ţintă, asupra cărora îşi exercită acţiunea lor specifică. Hormonii, numiţi şi mesageri sau reglatori chimici, coordonează activitatea diferitelor părţi ale organismului, acţionând asupra celulelor ce compun ţesuturile şi organele respective. Acestea din urmă "răspund" în funcţie de tipul lor, starea lor funcţională şi nutriţională, vârstă etc., integrându-se în ansamblul controlului hormonal şi nervos la care sunt supuse. Hormonii vertebratelor sunt secretaţi de glandele endocrine şi se împart în trei clase principale în funcţie de structura lor chimică. 46

1. Hormoni derivaţi de la aminoacizi – Hormonii glandei tiroide sunt triiodtironina şi tetraiodtironina (tiroxina) I

I —O—

HO

I —CH 2–CH–COOH

I

—O—

HO

NH 2

I

3,5,3'-triiodtironina (T 3)

I —CH 2–CH–COOH NH2

I

3,5,3',5'-tetraiodtironina sau tiroxina (T

4)

Rolul lor biochimic constă în reglarea creşterii şi dezvoltării organismului.În insuficienţa tiroidiană apărută în copilărie apare creşterea deficitară în înălţime, cretinism etc. La adulţi apare astenie, obezitate, tulburări neuropsihice, guşa endemică. Hiperfuncţia tiroidiană conduce la pierderea greutăţii, nervozitate, emotivitate, palpitaţii. – Hormonii medulosuprarenalei În substanţa medulară a suprarenalelor se sintetizează trei derivaţi ai o-dihidroxibenzenului numiţi catecolamine: adrenalina, noradrenalina şi dihidroxifeniletilamina (DOP-amina): OH HO

OH

OH –CH–CH 2–NH–CH 3 HO

–CH–CH 2–NH2 HO

OH

OH

adrenalină

noradrenalină

–CH 2–CH2–NH2

DOP-amină

Catecolaminele determină creşterea glicemiei, a consumului de oxigen şi a formării CO 2 8intensifică catabolismul glucidelor). Intensifică de asemenea lipoliza. – Hormonul epifizei este melatonina care se formează din triptofan.

melatonina Alături de reglarea metabolismului pigmenţilor melatonina inhibă dezvoltarea funcţiilor sexuale la animalele tinere şi joacă rol principal în apariţia somnului. Mediază de asemenea legătura între radiaţiile luminoase , sistemul nervos şi funcţionalitatea anumitor organe. 2. Hormoni cu structură polipeptidică şi proteică – Hormonii neurohipofizei sunt ocitocina (oxitocina), vasopresina şi coherina. Din punct de vedere chimic sunt peptide alcătuite din 9 aminoacizi. Determină stimularea contracţiei muşchilor netezi, în special a uterului, stimulează evacuarea laptelui din glanda mamară. Vasopresina reglează presiunea sângelui. – Hormoni reglatori ai hipotalamusului. Hipotalamusul secretă o serie de peptide micromoleculare care stimulează (liberine) sau inhibă (statine) secreţia hormonilor de către alte glande endocrine. De exemplu: melanostatina, melanoliberina sau somatostatina, somatoliberina. – Hormonii adenohipofizei. Adenohipofiza secretă o serie de hormoni peptidici cu acţiune biologică foarte diferită: a) hormonul tireotrop (tireotropina), TTH, care controlează funcţia glandei tiroide şi stimulează mobilizarea ionilor de iod din sânge b) hormonul adrenocorticotrop (corticotropina), ACTH, controlează funcţiile suprarenalei şi intensifică biosinteza hormonilor corticosteroizi c) hormonii gonadotropi (gonadotropinele) reglează funcţionarea gonadelor. Cei mai importanţi sunt: hormonul foliculostimulant, hormonul luteinizant, prolactina etc. d) hormonul de creştere (hormonul somatotrop), STH, influenţează creşterea şi dezvoltarea armonioasă a organismului. Excesul de STH determină apariţia gigantismului la copii şi agromegalia la adulţi. Insuficienţa STH determină nanismul (stagnarea creşterii). e) Hormonul melanotrop (melanotropina) reglează pigmentarea pielii. 47

– Hormonii glandelor paratiroide. Glandele paratiroide secretă doi hormoni parathormonul şi calcitonina care au rol de menţinere constantă a concentraţiei de Ca2+ în sânge. – Hormonii pancreasului sunt insulina (esenţială în reglarea metabolismului intermediar al glucidelor, lipidelor şi proteinelor) şi glucagonul 3. Hormonii steroidici – Hormonii corticosuprarenalei. Zona corticală a suprarenalelor secretă peste 30 hormoni steroidici utilizând colesterolul drept precursor în sinteza lor. Cei mai importanţi sunt cortizolul, corticosteronul, 11-deoxicorticosteronul, aldosteronul. În funcţie de rolul lor biologic se împart în mineralocorticoizi şi glucocorticoizi. – Hormonii gonadali. Spre deosebire de toţi ceilalţi hormoni, care sunt identici la ambele sexe, hormonii gonadali sunt diferiţi. Diferite tipuri de hormoni gonadali se sintetizează la ambele sexe, dar predomină numai la unul. Hormonii androgeni (hormonii sexuali masculini) sunt în celulele interstiţiale ale testiculului şi mai puţin în ovar sau corticosuprarenale. CH3

O

OH

O CH3

CH3

CH3

CH3

CH3

O

O

HO

Testosteron

Dehidroepiandrosteron

Androstendion

Au puternic efect anabolic, mai ales asupra metabolismului azotului şi calciului şi stimulează biosinteza proteinelor. De asemenea reglează morfogeneza şi funcţionarea normală a glandelor sexuale masculine, dezvoltă caracterele sexuale secundare masculine. Ultimele două funcţii sunt inhibate de melatonină până la pubertate când intervenţia lor este bruscă. Hormonii estrogeni (hormonii sexuali feminini) cei mai importanţi sunt: estrona (E1), estradiolul (E2) şi estriolul (E3). CH3

HO

OH

O

HO

Estronă

OH

CH3

CH3

OH

HO

Estradiol

Estriol

Hormonii estrogeni au aceleaşi funcţii ca şi hormonii androgeni. La crustacee, hormonii reglează o serie de procese biochimice şi fiziologice specifice acestor vieţuitoare dintre care mai importante sunt reprezentate de reglarea proceselor de degradare şi biosinteză, a creşterii şi dezvoltării caracterelor sexuale etc. Fenomenul de năpârlire caracteristic crustaceelor este influenţat de trei hormoni importanţi: hormonul năpârlirii, hormonul inhibitor al năpârlirii şi, respectiv, hormonul accelerator al năpârlirii. Hormonul năpârlirii este sintetizat în organele Y, iar rolul său principal îl constituie declanşarea năpârlirii. În acelaşi timp, el are rolul de a controla mobilizarea calciului din vechea crustă în vederea reutilizării la formarea celei noi. Hormonul inhibitor al năpârlirii este sintetizat de organele X ale ganglionilor terminali şi are o acţiune opusă celei exercitate de hormonul năpârlirii. Această funcţie se realizează prin acţiunea de inhibiţie exercitată asupra organelor Y care, în felul acesta, întrerup elaborarea unor noi cantităţi de hormon al năpârlirii. Hormonul accelerator al năpârlirii are o acţiune aparte, în sensul că el stimulează organele Y de a sintetiza hormonul năpârlirii la un moment determinat, concomitent cu întreruperea acţiunii hormonului inhibitor. Aceleaşi organe Y elaborează şi hormonul gonadotrop cu rol în dezvoltarea gonadelor.

48

Glandele sinusale şi organele postcomisurale ale crustaceelor sintetizează şi secretă o serie de hormoni cu structură polipeptidică numiţi hormoni cromatoforotropi al căror rol principal îl constituie reglarea concentrării şi, respectiv, dispersării pigmenţilor în cromatofori. Hormonii insectelor au rol de control metabolic şi de reglare a diferitelor procese fiziologice specifice lor cum ar fi creşterea, năpârlirea, metamorfoza etc. Ei sunt secretaţi de celule specializate neurosecretoare din creier şi ganglioni, glandele endocrine, glandele protoracice etc. Celulele neurosecretoare din creier sintetizează şi secretă trei hormoni principali cu rol de reglare şi control: hormonul protoracotropic (ecdisiotropina), hormonul de activare şi bursiconul. Hormonii plantelor sau fitohormonii se definesc ca fiind molecule endogene oligodinamice (ceea ce înseamnă că se disting net de substanţele trofice din punct de vedere biochimic şi fiziologic) cu rol de vectori ai unor informaţii pentru celulele ţintă ce prezintă sensibilitate selectivă faţă de acţiunea acestora, celule a căror funcţionare o influenţează. Spre deosebire de hormonii animalelor, fitohormonii se disting prin absenţa ţesuturilor specializate care să-i sintetizeze, prin absenţa, de cele mai multe ori, a unui sistem de transport şi prin faptul că informaţia ce declanşează biosinteza fitohormonilor provine, preponderent, direct din mediul exterior (lumină, stres etc.). Fitohormonii cunoscuţi în prezent au fost clasificaţi în 5 grupe în funcţie de structura lor chimică: auxinele, giberelinele, citokininele, grupa acidului abscisic şi etilena.

___________________________________________________________________ Întrebări de verificare şi evaluare a cunoştinţelor – Ce sunt hormonii şi cum se clasifică ei? Scrieţi formulele lor chimice. ______________________________________________________________________

II. BIOCHIMIE DINAMICĂ Metabolismul constituie caracteristica esenţială, fundamentală a lumii vii, indiferent de treapta de evoluţie a fiecărei specii de vieţuitoare. Prin metabolism se înţelege totalitatea reacţiilor chimice şi a transformărilor energetice ce au loc în organismul viu, reglarea acestora şi interdependenţa cu mediul înconjurător. În funcţie de sensul transformărilor, distingem două ramuri ale metabolismului: – Dezasimilaţia (catabolismul) – Asimilaţia (anabolismul, biosinteza). Catabolismul cuprinde reacţiile de degradare a biomoleculelor cu formarea unor produşi finali de tipul dioxidului de carbon, apei, ureei etc. şi cu eliberarea unei anumite cantităţi de energie. Energia rezultată în urma degradărilor catabolice este înmagazinată în legăturile macroergice ale moleculelor de ATP. Asimilaţia (anabolismul) cuprinde totalitatea reacţiilor de biosinteză care sunt, în general, cuplate cu hidroliza moleculelor de ATP deoarece ele decurg cu consum de energie.

II.1. Metabolismul aminoacizilor II.1.1. Căi comune de degradare a aminoacizilor Aminoacizii sintetizaţi în celulele vii sunt folosiţi pentru biosinteza de proteine specifice organismelor respective, de enzime şi de hormoni de natură polipeptidică şi proteică sau pot fi metabolizaţi cu formarea unor compuşi intermediari utilizaţi la rândul lor în sinteza bazelor azotate sau a altor compuşi. Ei pot suferi de asemenea o degradare oxidativă completă şi în acest caz servesc ca sursă energetică. O serie de reacţii de degradare sunt comune tuturor aminoacizilor, iar restul hidrocarbonat se degradează apoi pe căi diferite, specifice fiecărui aminoacid. Spre deosebire de alte biomolecule, aminoacizii prezintă căi de degradare mult mai numeroase şi mai complexe, existând totuşi o serie de căi comune, întâlnite la toţi sau la marea majoritate a aminoacizilor proteinogeni. Principalele căi comune de degradare a aminoacizilor, 49

întâlnite atât la plante şi animale cât şi la microorganisme, sunt dezaminarea, decarboxilarea şi transaminarea, iar pentru unii dintre ei transmetilarea şi transamidinarea. II.1.1.1. Dezaminarea aminoacizilor Procesul de dezaminare reprezintă procesul de eliminare a grupării aminice sub formă de amoniac cu formarea acizilor corespunzători, adică a α-cetoacizilor, α-hidroxiacizilor, acizilor carboxilici saturaţi şi nesaturaţi etc. Produşii rezultaţi în urma dezaminării aminoacizilor sunt apoi metabolizaţi în celulă, fiind utilizaţi, fie în procese de biosinteză a altor constituenţi celulari, fie că sunt degradaţi în scopul formării energiei necesare întreţinerii proceselor biochimice În funcţie de natura enzimelor ce catalizează aceste procese şi de structura chimică a produşilor formaţi, dezaminarea aminoacizilor poate fi reductivă, hidrolitică, oxidativă sau desaturantă. a) Dezaminarea reductivă are loc atunci când aminoacidul este transformat în acidul carboxilic corespunzător cu eliberare de amoniac, donorul hidrogenului necesar reducerii fiind NADH-ul. Aminoacizii se dezaminează reductiv sub acţiunea aminoacid-reductazelor specifice NADH-dependente: R – CH – COOH I NH 2 Aminoacid

NADH+H

+

NAD

+

R – CH 2 – COOH

Aminoacid-reductaza

+

NH

3

Acid carboxilic

b) Dezaminarea hidrolitică realizează înlăturarea azotului aminic sub formă de amoniac cu formarea α-hidroxiacidului corespunzător: H2O R – CH – COOH I NH2 Aminoacid-hidrolaza Aminoacid

R – CH – COOH I OH Hidroxiacid

+

NH 3

c) Dezaminarea oxidativă a aminoacizilor constă în eliminarea azotului aminic sub formă de amoniac cu formarea α-cetoacidului corespunzător, sub acţiunea aminoacid-oxidazelor specifice: R – CH – COOH I NH2 Aminoacid

1/2O2 Aminoacid-oxidaza

R – C – COOH II O Cetoacid

+

NH3

La animalele superioare şi în organismul uman predomină dezaminarea aminoacizilor pe cale oxidativă. Acest lucru a fost demonstrat prin cercetările efectuate de Krebs, Green şi alţii care au stabilit că în aceste organisme (în special în ficat, rinichi, creier etc.), dar şi în plantele superioare, unele bacterii, veninul de şarpe etc., se întâlnesc aminoacid-oxidazele ce catalizează dezaminarea oxidativă atât a L-aminoacizilor cât şi a D-aminoacizilor. Enzimele ce acţionează asupra aminoacizilor din seria L se mai numesc şi aminoacid-dehidrogenaze-dezaminante şi sunt NAD+ sau NADP+–dependente. Ele sunt incluse în subclasa E.C.–1.4. care cuprinde dehidrogenazele aminoacizilor şi aminooxidazele. Împărţirea în subsubclase se face în funcţie de natura acceptorului: NAD+ pentru E.C.–1.4.1., NADP+ pentru E.C.–1.4.2., oxigenul pentru E.C.– 1.4.3., diferiţi compuşi disulfidici pentru E.C.–1.4.4. etc. În organismele animale este foarte activă glutamat-dehidrogenaza pentru care acceptorul echivalenţilor reducători este NAD+-ul: COOH I CH 2 I CH 2 I CH – NH 2 I COOH Acid glutamic

H2O

NAD

+

NADH+H

Glutamat-dehidrogenaza

+

COOH I CH 2 I CH 2 I C=O I COOH

+

NH 3

Acid α-ceto-glutaric

Reacţia de dezaminare oxidativă decurge în două etape. În prima fază are loc un proces de dehidrogenare a aminoacidului cu formarea α-iminoacidului corespunzător. În această etapă acceptorul de hidrogen este FAD-ul în calitatea sa de coenzimă a aminoacid-oxidazei, dar care 50

joacă în această reacţie şi rol de cosubstrat. În etapa a II-a are loc adiţionarea elementelor apei cu formarea α-cetoacidului corespunzător şi eliminarea amoniacului: FAD

H2O

FADH 2

R – CH – COOH I NH2

NH3

R – C – COOH II NH

α-Aminoacid

R – C – COOH II O

α-Iminoacid

α-Cetoacid

În numeroase organisme s-a pus în evidenţă faptul că în realitate există două categorii de flavoenzime ce catalizează acest proces care se deosebesc între ele prin natura cofactorului. Unele din ele sunt specifice L-aminoacizilor, poartă numele de L-aminoacid-oxidaze, au FMN-ul drept cofactor şi sunt localizate în reticulul endoplasmatic: R – CH – COOH I NH 2 α-Aminoacid

E-FMN

E-FMNH 2

R – C – COOH II + O

L-aminoacid-oxidaza

NH 3

α-Cetoacid

Enzimele din cealaltă categorie sunt specifice D-aminoacizilor, se numesc D-aminoacidoxidaze, au drept cofactor FAD-ul şi sunt localizate în microsomii hepatocitelor:

R – CH – COOH I NH 2 α-Aminoacid

E–FAD

E–FADH

2

D-aminoacid-oxidaza

R – C – COOH II O

+

NH 3

α-Cetoacid

Flavin-nucleotidele reduse ale acestor oxidaze (FMNH2 şi FADH2) reacţionează direct cu oxigenul molecular cu formarea peroxidului de hidrogen care, la rândul său, este descompus de către catalază în apă şi oxigen. Acest proces conjugat se realizează în peroxisomii hepatocitelor. d) Dezaminarea desaturantă este procesul prin care aminoacizii eliberează azotul aminic sub formă de amoniac cu formarea acizilor nesaturaţi corespunzători: NH 3 R – CH 2 – CH – COOH I NH 2

R – CH = CH – COOH

Acid α ,β-nesaturat

Aminoacid

II.1.1.2. Decarboxilarea aminoacizilor. Procesul de eliminare a grupelor –COOH din moleculele aminoacizilor este catalizat de enzime specifice numite aminoacid-decarboxilaze care conţin în calitate de cofactor piridoxal-fosfatul. Prin decarboxilare, aminoacizii proteinogeni formează monoamine, diamine, γ- şi δ-aminoacizi etc., în funcţie de structura chimică a aminoacidului supus decarboxilării. Reacţia generală de decarboxilare a aminoacizilor poate fi reprezentată astfel: R – CH – COOH I NH2 α-Aminoacid

CO2 Aminoacid-decarboxilaza

R – CH2 – NH2 Aminã

Aminoacizii diaminomonocarboxilici formează prin decarboxilare diaminele corespunzătoare. Astfel, prin decarboxilarea lizinei se formează cadaverina, iar ornitina trece în putresceină. Aceste diamine au un miros specific, iar procesul de decarboxilare este deosebit de intens în cadavre unde se realizează sub acţiunea decarboxilazelor din microflora de putrefacţie. Mirosul specific de cadavru este datorat diaminelor care se formează în cantităţi crescute:

51

CO 2 H2N – (CH 2)4 – CH – COOH I NH2 Lezin-decarboxilaza Lizinã CO2 H2N – (CH 2)3 – CH – COOH I NH2 Ornitin-decarboxilaza Ornitinã

H2N – (CH 2)5 – NH 2 Cadaverinã

H2N – (CH 2)4 – NH 2 Putresceinã

Putresceina se mai formează şi prin decarboxilarea argininei. În acest caz se formează mai întâi agmatina în calitate de compus intermediar, iar aceasta se descompune prin hidroliză în uree şi putresceină: CO2 H2N– C – NH – (CH 2)3 – CH – COOH II I ArgininNH NH2 decarboxilaza Argininã H2N– C – NH – (CH 2)3 – CH 2 – NH 2 II NH

Agmatinã H2N – (CH 2)4 – NH 2

Putresceinã

+

H2O Agmatin-ureohidrolaza

H2N – C – NH II O

2

Uree

Decarboxilarea lizinei, argininei şi ornitinei se realizează şi in vivo. Diaminele rezultate nu se acumulează însă ci sunt utilizate de organism în calitate de precursori în biosinteza unor poliamine biologic active cum ar fi spermina şi spermidina. Acestea se întâlnesc în cantităţi apreciabile în unele ţesuturi (ficat, pancreas, plămâni etc.) şi în unele microorganisme (Escherichia coli, Aspergillus nidulans etc.). Biosinteza poliaminelor mai utilizează în calitate de precursor, alături de diamine şi propilamina. Aceasta din urmă se formează în organism sub formă de S-adenozil-metilmercapto-propilamină prin decarboxilarea Sadenozil-metioniei: N

N N

N O

+ CH 2 – S – CH 3 I (CH 2)2 I CH – NH 2 I COOH

CO 2 S-Adenozil-metionindecarboxilaza

S-Adenozil-metioninã N

N N

N O

+ CH2 – S – CH3 I (CH2)2 I CH2 – NH2

S-(3'-Adenozil)-5'-metilmercaptopropilaminã Restul propilamină din S-(3’-adenozil)-5’-metilmercapto-propilamină se condensează apoi cu o moleculă de putresceină cu formare de metiltioadenozină şi spermidină: 52

N

N N

N O

N + CH2 – S – CH3 N I H2N–(CH2)4–NH2 (CH2)2 I CH2 – NH 2

S-(3'-Adenozil)-5'-metilmercaptopropilaminã +

N CH2 – S – CH3

N O

+

Metiltioadenozinã

H2N – (CH2)4 – NH – (CH2)3 – NH2

Spermidinã Pentru biosinteza sperminei se repetă procesul de decarboxilare a S-adenozilmetioninei, iar restul propilamină din S-adenozilmetil-mercapto-propilamina formată se transferă pe o moleculă de spermidină: H2N – (CH2)4 – NH – (CH 2)3 – NH2

•CH2–CH2–CH2–NH2

Spermidinã

H2N – (CH 2)3 – HN – (CH 2)4 – NH – (CH 2)3 – NH 2 Sperminã

Poliaminele joacă roluri diverse, încă incomplet elucidate, în organismele vii. Nu este exclus ca ele să joace un rol de stabilizare a structurilor membranare şi ribozomale, să îndeplinească un rol de factor de creştere pentru unele microorganisme etc. Ele mai joacă un rol important în reglarea biosintezei acizilor nucleici şi proteinelor. Alţi aminoacizi formează prin decarboxilare unele amine biologic active sau care servesc drept precursori în biosinteza unor compuşi biologic activi. Astfel, fenilalanina şi tirozina formează prin decarboxilare feniletilamina şi respectiv tiramina, iar histidina şi acidul glutamic formează histamina şi respectiv acidul γ-aminobutiric (GABA): CO 2 – CH 2 – CH – COOH I NH2 Fenilalaninã

– CH 2 – CH 2 – NH 2

Fenilalanindecarboxilaza

Feniletilaminã

CO2 HO –

N N H

– CH 2 – CH – COOH TirozinI decarboxilaza NH2 Tirozinã

HO –

– CH 2 – CH – COOH CO2 I NH 2 Histidin-decarboxilaza Histidinã

– CH 2 – CH 2 – NH 2 Tiraminã – CH 2 – CH 2 – NH 2

N N H

Histaminã

CO2 HOOC – CH 2 – CH2 – CH – COOH HOOC – CH 2 – CH2 – CH 2 – NH2 I NH2 Glutamat-decarboxilaza Acid glutamic Acid γ-aminobutiric

Majoritatea aminelor biogene îndeplinesc funcţii biochimice şi fiziologice bine determinate în organismele vii. Unele dintre ele se utilizează în practica medicală datorită acţiunii lor farmacodinamice deosebite. Tiramina formată prin decarboxilarea tirozinei este o substanţă 53

biologic activă ce manifestă o acţiune vasoconstrictoare, ca şi triptamina rezultată prin decarboxilarea triptofanului. Tot din triptofan se formează şi serotonina care participă la fenomenul de transmitere a fluxului nervos, la reglarea presiunii sanguine, a respiraţiei, temperaturii corpului etc. Din histidină se formează histamina, o amină biogenă cu acţiune vasodilatatoare. Ea se formează în cantităţi mari în zonele inflamate şi este implicată în transmiterea senzaţiei dureroase. Un neurotransmiţător cu rol de inhibiţie în sistemul nervos central este acidul γ-aminobutiric (GABA) care rezultă prin decarboxilarea acidului glutamic. Tioetanolamina formată prin decarboxilarea cisteinei intră în structura coenzimei A. De asemenea, ea este utilizată în practica medicală în tratamentul bolii de iradiere. Cadaverina, putresceina şi poliaminele (spermina şi spermidina) interacţionează în mod specific cu catenele polinucleotidice influenţând conformaţia spaţială a acizilor nucleici. Triptofan-decarboxilaza nu prezintă o specificitate strictă de substrat. S-a demonstrat că această enzimă catalizează atât decarboxilarea triptofanului cu formare de triptamină, cât şi a unor derivaţi ai acestuia cum ar fi 5-hidroxitriptofanul (când se formează serotonina) şi 3,4-dihidroxifenilalanina (DOPA) cu formare de DOP-amină. Aceste reacţii prezintă o importanţă biochimică şi fiziologică deosebită. Astfel, serotonina rezultată prin decarboxilarea hidroxitriptofanului este un intermediar în calea de biosinteză a melatoninei în pinealocite, iar DOP-amina este un hormon din clasa catecolaminelor şi serveşte în acelaşi timp drept precursor în biosinteza noradrenalinei şi adrenalinei:

N H Triptofan

CO2 – CH2 – CH – COOH I NH2 Triptofan-decarboxilaza

HO N H

HO

N H Triptaminã

HO CO2 – CH2 – CH – COOH I NH2 Triptofan-decarboxilaza

– CH2 – CH2 – NH2 N H 5-Hidroxitriptaminã (Serotoninã)

5-Hidroxitriptofan

HO

– CH 2 – CH 2 – NH 2

CO2 – CH2 – CH – COOH I NH2 Triptofan-decarboxilaza

3,4-Dihidroxifenilalaninã (DOPA)

HO

– CH2 – CH2 – NH2

HO Dihidroxifeniletilaminã (DOP-aminã)

Melatonina este sintetizată în pinealocite prin utilizarea serotoninei în calitate de precursor. Principala sa funcţie biologică o constituie inhibarea activităţii gonadale la mamifere: H3C – O –

– CH2 – CH2 – NH – CO – CH 3 N H Melatoninã

Prin decarboxilarea cisteinei sub acţiunea cistein-decarboxilazei se formează cisteamina (tioetanolamina) care reprezintă grupa funcţională a coenzimei A: CO2 CH2 – CH – COOH HS – CH2 – CH2 – NH2 I I SH NH2 Cistein-decarboxilaza Cisteinã Tioetanolaminã

Deoarece aminele rezultate prin decarboxilarea aminoacizilor manifestă o acţiune fiziologică importantă, ele au primit numele de amine biogene. Unele dintre ele prezintă importante proprietăţi farmacodinamice (în special histamina şi tiramina). Alte amine biogene îndeplinesc un important rol de precursori în biosinteza unor hormoni derivaţi de la aminoacizi 54

(triptamina, serotonina, DOP-amina etc.), iar la unele plante mulţi alcaloizi se sintetizează prin utilizarea în calitate de precursori a aminelor biogene. Multe amine biogene sunt deosebit de toxice pentru organismul uman şi animal, din care cauză, excesul lor în organism poate fi letal. O cantitate relativ crescută de amine biogene se poate forma prin alterarea alimentelor de origine animală bogate în proteine, sub acţiunea decarboxilazelor microorganismelor. Acest fenomen explică toxiinfecţiile alimentare cauzate de consumul de preparate din carne alterată, mai ales cele din ficat şi peşte care sunt alimentele cele mai uşor alterabile. La consumuri exagerate de proteine de origine animală, procesul de decarboxilare a aminoacizilor este deosebit de intens datorită necesităţii degradării rapide a excesului de aminoacizi. Aminele biogene formate în acest caz sub acţiunea decarboxilazelor endogene pot determina apariţia gutei. Formarea aminelor biogene toxice poate avea loc şi în organismele vegetale. În anumite condiţii nefavorabile de dezvoltare, în ţesuturile plantelor se acumulează cantităţi mari de amine biogene care provoacă intoxicaţii. De exemplu, insuficienţa potasiului în sol determină intensificarea formării putresceinei care influenţează nefavorabil frunzele. În condiţiile unui metabolism echilibrat, organismele vii au capacitatea de a metaboliza în continuare aminele biogene toxice prin oxidarea lor sub acţiunea unor enzime specifice. De exemplu, monoaminoxidazele (MAO) catalizează dezaminarea oxidativă a monoaminelor cu formarea aldehidelor corespunzătoare, amoniacului şi apei oxigenate: R – CH 2 – NH 2+ O2 + H2O

Monoaminoxidaza

R – C = O + NH 3 + H2O2 I H

Aceste reacţii sunt cuplate de regulă cu acţiunea catalazei sau peroxidazei deoarece unul din produşii de reacţie (H2O2) este, de asemenea, toxic pentru celula vie. Oxidarea diaminelor are loc sub acţiunea diaminoxidazelor specifice (DAO) şi conduce la formarea amino-aldehidelor corespunzătoare, amoniacului şi apei oxigenate: O2 H2O H2N – (CH 2)n – NH 2

DAO

H2N – CH 2)n-1 – C = O + H2O2 + NH 3 I H

Aldehidele rezultate se pot oxida în continuare cu formarea acizilor corespunzători. Datorită acţiunii lor de degradare a aminelor biogene toxice, monoaminoxidazele şi diaminoxidazele îndeplinesc în organismul viu o funcţie extrem de importantă şi anume cea de detoxifiere, aceste enzime fiind la fel de răspândite ca şi decarboxilazele aminoacizilor deoarece acţiunea lor este conjugată. Decarboxilarea aminoacizilor poate conduce şi la formarea altor compuşi. Astfel, prin decarboxilarea acidului glutamic sub acţiunea glutamat-decarboxilazei se formează acidul γaminobutiric (GABA) care este un important mediator al inhibiţiei în sistemul nervos central. În mod similar, aspartat-decarboxilaza catalizează conversia acidului aspartic în β-alanină, aceasta fiind o componentă a coenzimei A şi a altor substanţe biologic active: CO2 HOOC – CH2 – CH2 – CH – COOH I Glutamat-decarboxilaza NH2 Acid glutamic

HOOC – (CH2)3 – NH2 Acid γ-amino-butiric

CO2 HOOC – CH 2 – CH – COOH I NH 2 Acid aspartic

HOOC – (CH 2)2 – NH 2 Aspartat-decarboxilaza β – Alaninã

Prin decarboxilarea serinei sub acţiunea serin-decarboxilazei se formează etanolamina ce poate juca rol de precursor în biosinteza fosfolipidelor (cefalinelor şi lecitinelor) când esterifică acidul L-α-fostadidic, fie sub formă de etanolamină (colamină), fie sub formă de colină. Aceasta din

55

urmă se formează din etanolamină prin metilare treptată, donorul de grupări metil fiind S-adenozilmetionina: CO2 CH 2 – CH – COOH I I OH NH 2 Serin-decarboxilaza

HO – CH 2 – CH 2 – NH 2

Serinã

Etanolaminã (colaminã) •CH3

•CH3 HO – CH2 – CH2 – NH – CH3 Metiletanolaminã

•CH3 CH3

HO – CH2 – CH2 – N

CH3

+ HO – CH 2 – CH2 – N

CH3 CH3

Colinã

Dimetiletanolaminã

CH3

În afară de rolul de neurotransmiţător, în organismele animale, acetilcolina mai este implicată în procesul de dilatare a vaselor sanguine cu diminuarea corespunzătoare a tensiunii arteriale. Ea mai determină totodată şi peristaltismul intestinal. Colina se întâlneşte atât în organismele vegetale, cât şi în cele animale unde intră în structura fosforil-colinei, glicerol-fosforilcolinei, fosfatidil-colinei (lecitinei), plasmalogenelor şi sfingomielinei. Un alt compus biologic activ, sintetizat în organismele animale prin utilizarea serinei în calitate de precursor, este carnitina (acidul 4-trimetil-3-hidroxi-butanoic): CH 3 + HOOC – CH 2 – CH – CH 2 – N CH3 I CH 3 OH Carnitinã

Carnitina se întâlneşte în toate ţesuturile animale unde este implicată în metabolismul lipidelor sub forma derivaţilor de tip acil-carnitină. Mai exact, carnitina realizează transportul transmembranar al acizilor graşi. II.1.1.3. Transaminarea aminoacizilor Reacţia de transaminare a aminoacizilor are loc sub acţiunea catalitică a aminotransferazelor (transaminazelor) şi constă în transferul grupei –NH2 de la un α-aminoacid la un α-cetoacid cu formarea unui nou aminoacid şi a unui nou cetoacid. α-Cetoglutarat

NH3

Aspartat

NAD(P)H

1

2

H2O NAD(P)

+

Glutamat

Oxaloacetat

1 – glutamat-dehidrogenaza 2 – aspartat-aminotransferaza

Fig. II.1. Reprezentarea schematică a cuplării reacţiilor de transaminare şi dezaminare

Reacţia de transaminare mai poate fi considerată ca un tip special de dezaminare a aminoacizilor, însă fără formare de amoniac: COOH COOH I I CH – NH 2 + C = O I I R1 R2

Aminotransferazã

COOH I C=O + I R1

COOH I CH – NH 2 I R2

56

Reacţia de transaminare a fost pusă în evidenţă prima dată în 1938 de către Braunstein şi Kritzman. Ulterior s-a demonstrat că ea este larg răspândită, atât în lumea vegetală cât şi în cea animală. Din cei 22 aminoacizi proteinogeni, un număr de 11 suferă în mod obişnuit reacţii de transaminare: alanina, fenilalanina, triptofanul, tirozina, valina, arginina, acidul aspartic, asparagina, izoleucina, cisteina şi lizina. Aminotransferazele ce catalizează aceste reacţii conţin în calitate de cofactor enzimatic piridoxal-fosfatul. Reacţiile de transaminare sunt reacţii reversibile, iar în condiţii normale constanta de echilibru are o valoare apropiată de unitate. Aminotransferazele sunt localizate atât intramitocondrial cât şi în faza solubilă a citoplasmei celulelor eucariote, iar rolul este extrem de diferit. Pe parcursul reacţiei de transaminare, piridoxal – 5 – fosfatul (PALP) trece reversibil în pirodixamin-5-fosfat (PAMP): HO

H3C

H–C=O I – CH 2 – O – P

CH2 – NH 2 I – CH 2 – O – P

HO

N

N

H3C

Piridoxamin-5-fosfat (PAMP)

Piridoxal-5-fosfat (PALP)

În lipsa substratului, gruparea aldehidică a piridoxal-fosfatului formează o legătură aldiminică cu grupa ε-amino a unui rest de lizină localizat în centrul activ al enzimei (cu care formează o bază Schiff). Aceasta este forma activă a aminotransferazelor ce poate lega aminoacidul care urmează a fi transaminat. Reacţia de transaminare este alcătuită din două procese complexe diferite. În prima etapă a transaminării, gruparea aminică a aminoacidului reactant (substratul S1) suferă o reacţie de condensare cu grupa aldehidică a cofactorului enzimatic, deplasând grupa ε-amino a restului de lizină din centrul activ al enzimei: HO

CH3

E – N = CH –

N +

R1 – CH – COOH I NH2

CH2 – O – P S1

E

HO

CH3

R1 – CH – N = CH – N I COOH CH2 – O – P

E – NH2

ES1 (aldiminã)

Se formează o nouă bază Schiff între aminoacid şi piridoxal-fosfat care este o aldimină şi care rămâne legată de apoenzimă prin legături slabe, necovalente (ceea ce înseamnă că în acest caz cofactorul enzimatic este coenzimă). În etapa următoare are loc o izomerizare când legătura dublă îşi schimbă poziţia, aldimina trecând în cetimină. Aceasta din urmă, suferă apoi o reacţie de hidroliză cu formarea α-cetoacidului şi eliberarea cofactorului sub formă de piridoxamin-5-fosfat: HO

CH3

R1 – CH – N = CH – N I COOH CH2 – O – P

E – NH 2

ES1 (aldiminã)

HO

CH3

R1 – C = N – CH 2 – N I COOH CH2 – O – P

E – NH 2

EP1 (cetiminã)

57

H2O

HO R1 – C – COOH + II O

CH3

H2N – CH2 –

E – NH2

N

CH2 – O – P Cetoacid

E

Cealaltă componentă a procesului de transaminare o constituie formarea noului aminoacid. În urma acestor reacţii are loc totodată şi regenerarea enzimei, mai exact refacerea formei aldehidice a cofactorului enzimatic. Această serie de transformări debutează prin interacţiunea complexului enzimatic (apoenzimă – piridoxamin-5-fosfat) cu α-cetoacidul reactant, care este acceptorul grupării aminice. Se formează complexul ES2 sub formă de cetimină, aceasta trece apoi prin izomerizare în aldimină şi, în final acest complex suferă o reacţie de hidroliză cu formarea α-aminoacidului şi regenerarea enzimei active, adică a complexului apoenzimă – piridoxal-5-fosfat (PALP). Cu alte cuvinte, succesiunea reacţiilor ce au loc este inversă cu cea a componentei care realizează conversia aminoacidului în cetoacid: HO E – NH 2

CH 3

H2N – CH 2 –

H2O

N

+

R2 – C – COOH II O

CH 2 – O – P α-Cetoacid

E HO R2 – C = N – CH I COOH

2

CH 3

–

E – NH 2

N

CH 2 – O – P ES 2 (Cetiminã)

HO

CH3

R2 – CH – N = CH – N I COOH CH2 – O – P

H2O E – NH2

ES2 (Aldiminã)

HO R2 – CH – NH I COOH α-Aminoacid

2

+

E – N = CH –

CH 3 N

CH 2 – O – P E

Aminoacid-aminotransferazele sunt larg răspândite în ţesuturile vegetale şi animale, precum şi în microorganisme, în prezent cunoscându-se peste 30 de aminotransferaze specifice. Unele dintre ele sunt mai intens studiate, datorită importanţei lor practice. Printre acestea se numără alanin-aminotransferaza şi respectiv aspartat-aminotransferaza, enzime ce catalizează următoarele reacţii:

58

COOH COOH COOH COOH I I I I CH2 CH2 CH2 CH2 I I I I PALP CH – NH 2 + CH2 C = O + CH2 Aspartat-aminotransferaza I I I I COOH COOH (TGO) C=O CH – NH 2 I I COOH COOH Acid aspartic Acid Acid glutamic Acid oxalilacetic α-cetoglutaric

COOH I CH – NH 2 + I CH 3

COOH I PALP CH 2 I Alanin-aminotransferaza CH 2 (TGP) I C=O I COOH Acid α-cetoglutaric

COOH I C=O + I CH 3

Alaninã

Acid piruvic

COOH I CH 2 I CH 2 I CH – NH 2 I COOH Acid glutamic

Determinarea activităţii acestor două enzime în serul sanguin se efectuează în mod curent în laboratoarele clinice pentru diagnosticul unor maladii ale ficatului şi inimii. În general, aminotransferazele prezintă o înaltă specificitate faţă de ambele substrate, având însă o mai mare afinitate faţă de cetoacid decât faţă de aminoacid (KM cetoacid < KM aminoacid). Pentru metabolismul proteic, transaminarea aminoacizilor prezintă o importanţă deosebită deoarece aceste reacţii fac parte din căile de degradare a unor aminoacizi şi, în acelaşi timp, de biosinteză a altora. Pe de altă parte, participarea α-cetoacizilor face ca aceste reacţii să reprezinte puncte de întretăiere ale căilor metabolismului proteic, glucidic şi lipidic. În urma acestor reacţii, alături de cetoacid, se formează acidul glutamic care, la rândul său se poate dezamina oxidativ sau poate intra în alte căi de degradare sau biosinteză. Fiind reversibilă, reacţia de transaminare serveşte la biosinteza aminoacizilor neesenţiali prin utilizarea în calitate de precursori a acidului glutamic şi a αcetoacizilor corespunzători. Reacţiile de transaminare mai fac parte din unele secvenţe metabolice cum ar fi cele de biosinteză a ureei, acidului γ-aminobutiric etc. Transamidinarea şi transmetilarea aminoacizilor Spre deosebire de decarboxilare, dezaminare şi transaminare care se întâlnesc la toţi aminoacizii, reacţiile de transamidinare şi transmetilare sunt procese enzimatice pe care le suferă doar unii aminoacizi, în urma lor formându-se o serie de compuşi cum ar fi creatina, carnitina, ornitina, canavalina, canavanina şi altele. Enzimele ce catalizează aceste reacţii se numesc transamidinaze şi respectiv transmetilaze (sau metiltransferaze). Enzimele din prima categorie au fost evidenţiate în rinichi, ficat şi pancreas, sunt înalt specifice şi folosesc arginina în calitate de donor de grupări amidinice. Metiltransferazele se întâlnesc în majoritatea ţesuturilor şi utilizează Sadenozilmetionina în calitate de donor de radicali metil. II.1.2. Ciclul ureogenetic Amoniacul rezultat în urma proceselor de dezaminare a aminoacizilor, precum şi din alte procese metabolice ale acestor biomolecule este un produs toxic pentru celula vie, chiar şi în concentraţii relativ mici. La mamifere, acest produs final de metabolism este convertit în uree, fiind apoi eliminat pe cale renală. Primele observaţii asupra acestei căi metabolice au fost făcute de către Krebs care a observat că ornitina, citrulina şi arginina accelerează producerea de uree în prezenţa amoniacului, fără ca ele însele să se consume. Clarificarea completă însă a mecanismului prin care amoniacul este convertit in vivo în uree a fost realizată mult mai târziu. Această cale metabolică debutează prin mobilizarea amoniacului sub acţiunea carbamilfosfat-sintetazei care, în prezenţă de ATP ca sursă de energie şi radicali ortofosfat, catalizează reacţia de condensare a amoniacului cu dioxidul de carbon cu formare de carbamilfosfat:

59

2ATP

2ADP + P i

2+

HCO 3

-

+

+ NH 4

Mg Carbamilfosfatsintetaza

H

O O II II 2N – C – O – P – OH I OH

În hepatocite au fost descoperite două enzime ce catalizează acest proces şi anume carbamilfosfat-sintetaza I localizată în mitocondriile celulelor hepatice şi carbamilfosfatsintetaza II, prezentă în citoplasmă. Reacţia de formare a carbamil-fosfatului este accelerată de Nacetil-glutamat sau de alţi derivaţi acil-glutamici identificaţi în ţesutul hepatic. Mecanismul de participare a N-acetil-glutamatului este deocamdată incomplet elucidat. Se pare că el acţionează asupra enzimei ca un modulator alosteric. Viteza de formare a carbamil-fosfatului se află sub controlul argininei care inhibă printr-un mecanism de tip feed back viteza de formare a N-acetilglutamatului care, la rândul său, stimulează biosinteza carbamil-fosfatului. Carbamilfosfat-sintetaza II prezentă în citosol a fost identificată şi la bacterii unde catalizează reacţia de biosinteză a carbamil-fosfatului prin utilizarea glutaminei în calitate de donor de grupări aminice: CH2 – CH2 – CH – COOH I I + HCO3- + H2O C=O NH2 I NH2 Glutaminã

ATP 2+

ADP + Pi

+

Mg K Carbamilfosfat sintetaza II

O O II II H2N – C – O – P – OH + CH 2 – CH 2 – CH – COOH I I I OH COOH NH 2 Acid glutamic Carbamil-fosfat

La bacterii, formarea carbamil-fosfatului are loc în absenţa N-acetil-glutamatului, iar consumul de energie este mult mai mic, fiind necesară o singură moleculă de ATP. În etapa următoare a procesului acţionează enzima numită ornitin-transcarbamilază ce catalizează reacţia de condensare a carbamil-fosfatului cu ornitina, cu formare de citrulină: O O H3PO 4 II II H2N – C – O – P – OH + H2N – (CH 2)3 – CH – COOH OrnitinI I OH transcarbamilaza NH 2 Carbamil-fosfat

Ornitinã O II H2N – C – NH – (CH 2)3 – CH – COOH I NH2 Citrulinã

În prezenţa arginino-succinat-sintetazei, a ATP-ului şi a ionilor de magneziu, citrulina astfel formată dă o reacţie de condensare cu acidul aspartic generând acidul arginino-succinic: COOH O I II H2N – C – NH – (CH 2)3 – CH – COOH + CH 2 I I NH 2 CH – NH 2 I COOH Citrulinã ATP

Acid aspartic

AMP + PPi Mg2+ Argininosuccinatsintetaza

HN

CH 2 – COOH I NH – CH – COOH C I NH – (CH 2)3 – CH – COOH I NH 2 Acid arginino-succinic

60

Reacţia de mai sus este, în principiu, reversibilă însă, în condiţii fiziologic normale, pirofosfatul rezultat este hidrolizat rapid sub acţiunea pirofosfatazei, ceea ce face ca echilibrul reacţiei să se deplaseze spre dreapta. În etapa următoare acţionează arginino-succinat liaza care scindează acidul arginino-succinic cu formare de arginină şi acid fumaric:

HN

CH 2 – COOH I NH – CH – COOH

Argininosuccinat liaza H – C – COOH II HOOC – C – H

C I NH – (CH 2)3 – CH – COOH I NH 2

+

Acid fumaric

Acid arginino-succinic

H2N – C – NH – (CH2)3 – CH – COOH II I NH NH2

+

Argininã

Arginino-succinat liaza este o enzimă larg răspândită în organismul mamiferelor, fiind prezentă preponderent în ficat, rinichi şi creier, iar reacţia catalizată de ea are lor în citosol, spre deosebire de reacţiile precedente care se realizează în mitocondrii. Ultima etapă a ciclului ureogenetic constă în scindarea argininei în ornitină şi uree, proces ce are loc exclusiv în ficat. Acest lucru este argumentat de faptul că enzima ce catalizează această reacţie – arginaza – este localizată exclusiv în hepatocite. Molecula sa este alcătuită din două subunităţi identice legate între ele prin intermediul ionilor de Mg2+ şi are o masă moleculară de 120.000 Da. Scindarea argininei se face pe cale hidrolitică, iar ornitina rezultată poate relua un nou ciclu de transformare a carbamil-fosfatului. Această cale metabolică este cunoscută sub numele de ciclu ureogenetic sau ciclul Krebs – Henseleit: NH2 I HN = C I NH I (CH2)3 I CH – NH2 I COOH Argininã

H2O Arginaza

NH2 HN I NH2 (CH2)3 C + I I CH – NH2 OH I COOH Ornitinã

H2N

NH2 C II O

Uree

Ureea formată în această cale metabolică este transportată pe cale sanguină la rinichi, fiind eliminată apoi prin urină. Pentru fiecare moleculă de uree formată se consumă o moleculă de dioxid de carbon şi o moleculă de amoniac care reprezintă precursorii atomului de carbon şi respectiv a unuia din atomii de azot ai ureei. Celălalt atom de azot este cedat de acidul aspartic care, la rândul său, este regenerat continuu în cursul proceselor de transaminare ce au loc între glutamat şi oxaloacetat.

______________________________________________________________________ Întrebări de verificare şi evaluare a cunoştinţelor – Care sunt căile comune de degradare a aminoacizilor? Scrieţi succesiunile reacţiilor ce au loc. – Care este importanţa biologică a ciclului ureogenetic şi ce reacţii au loc în această cale metabolică?

______________________________________________________________________ II.2. Biosinteza proteinelor În toate organismele vii, biosinteza proteinelor reprezintă principalul proces prin intermediul căruia se asigură expresia informaţiei genetice codificată în succesiunea bazelor azotate din moleculele de ADN într-un tip de metabolism, specific fiecărei specii de vieţuitoare în parte. Principala caracteristică a procesului de biosinteză a proteinelor constă în exactitatea sa deosebită. Structura proteinelor este programată genetic şi se conservă din generaţie în generaţie, moleculele proteice sintetizându-se de mai multe ori în acelaşi organism, fără abateri esenţiale de la succesiunea dată a aminoacizilor. Această exactitate deosebită este asigurată de către mecanismele moleculare ce stau la baza căilor de biosinteză proteică. 61

Codul genetic Plecând de la faptul că în moleculele de ADN există patru tipuri de baze azotate, iar în structura proteinelor intră de regulă 20 de aminoacizi, prin calcul matematic se constată că secvenţa nucleotidică suficientă pentru codificarea unui aminoacid este reprezentată de o combinare de trei nucleotide adiacente, aceasta primind numele de tripletă sau codon. Din cele patru nucleotide se pot forma C43 = 64 de triplete diferite, fapt ce oferă posibilitatea codificării tuturor celor 20 de aminoacizi proteinogeni. Raportul numeric nucleotide/aminoacizi = 3/1 a fost determinat şi pe cale experimentală. Decodificarea codului genetic, adică stabilirea compoziţiei nucleotidice concrete şi a succesiunii tripletelor pentru toţi cei 20 de aminoacizi proteinogeni a fost elucidată relativ recent. Deoarece în procesul de biosinteză a proteinelor se decodifică informaţia conţinută în ARNm, codonii se reprezintă grafic de regulă sub forma tripletelor de ribonucleotide. P L V h e a yC e u s l

G A C U G A C U G A C U G A

U

C

AG

U C AG U C A G

A

G U

C G U

U G C GA

U G

A

G

U

A G U

A C A

C U

C

UC

A

C

A CU G G A UG ACU C

C

UG

etc. C A G U C A G U C A G U C A

Fig.II.2. Reprezentarea schematică a codonilor din ARNm

Aceiaşi informaţie, codificată însă sub forma tripletelor de deoxiribonucleotide, este conţinută şi în catena de ADN care a servit drept matriţă la biosinteza ARNm. Din cei 64 codoni posibili, numai trei dau semnalul de terminare a translaţiei şi anume tripletele UAA, UAG şi UGA, ele fiind denumite codoni terminatori sau codoni non sens. Alţi doi codoni (AUG şi GUG) marchează debutul biosintezei catenei polipeptidice, aceştia fiind denumiţi codoni de iniţiere sau codoni iniţiatori. Deoarece pentru codificarea celor 20 de aminoacizi proteinogeni există 64 – 3 = 61 codoni, deci un număr triplu de posibilităţi, unii aminoacizi pot fi codificaţi de doi sau chiar mai mulţi codoni, aceştia fiind cunoscuţi sub numele de codoni sinonimi. O altă caracteristică a codului genetic o constituie universalitatea sa. Aceasta înseamnă că un anumit codon codifică acelaşi aminoacid la toate organismele vii. O a treia caracteristică a codului genetic o constituie faptul că acesta este neacoperit şi fără virgule. Aceasta înseamnă că tripletele succesive, vecine într-o genă nu se acoperă, adică nu au nucleotide comune. Deci, codonii reprezintă unităţi de sine stătătoare, nesuprapuse. Pe de altă pare, între sfârşitul unei triplete şi începutul tripletei următoare nu există nucleotide izolate. Biosinteza proteinelor Procesul propriu-zis de biosinteză a proteinelor se realizează la nivelul ribozomilor în mai multe etape: activarea aminoacizilor, iniţierea translaţiei, translaţia propriu-zisă, terminarea translaţiei şi modificarea post-translaţională a proteinelor. Activarea aminoacizilor Biosinteza proteinelor este, poate, cel mai complex proces biochimic ce are loc in vivo. Prima etapă a acestui proces biosintetic este reprezentată de etapa de recunoaştere. În această etapă, fiecare aminoacid dizolvat în citosol recunoaşte prin intermediul unei enzime specifice ARNt-ul său specific cu care formează un complex activ de tipul aminoacil-ARNt. Această recunoaştere este înalt specifică în sensul că fiecărui aminoacid proteinogen îi corespunde un anumit ARNt şi se realizează datorită înaltei specificităţi de substrat a enzimei ce catalizează această reacţie şi care se numeşte aminoacil-ARNt-sintetaza. Formarea complexului aminoacil-ARNt debutează prin activarea aminoacidului cu ajutorul energiei din ATP, procesul având loc sub acţiunea aceloraşi aminoacil-ARNt-sintetaze:

62

PP i

ATP

H2N – CH – COOH I Aminoacil-ARN t-sintetaza R

O II E — [H 2N – CH – C ~ O – AMP] I R

Aminoacid

Aminoacil-AMP (complex ES)

Se formează deci complexul hiperreactiv dintre enzimă şi două din cele trei substrate, adică aminoacidul şi molecula de ATP. Acest complex interacţionează apoi cu cel de-al treilea substrat care este ARNt-ul specific aminoacidului activat: O II E — [H2N – CH – C ~ O – AMP] I R

ARNt

Aminoacil-AMP

AMP Enzimã

O II H2N – CH – C ~ ARN t I R Aminoacil-ARN t

Sub această formă, aminoacizii sunt apţi de a intra în procesul propriu-zis de biosinteză a proteinelor. Biosinteza propriu-zisă a proteinelor (translaţia) Complecşii aminoacil–ARNt sintetizaţi în citoplasmă sunt transportaţi spre ribozomi unde are loc procesul propriu-zis de biosinteză a catenelor polipeptidice ce vor alcătui viitoarele molecule proteice. Etapa ribozomală a biosintezei proteinelor poartă numele de translaţie deoarece acest proces constă în traducerea (sau translarea) informaţiei genetice stocată în succesiunea mononucleotidelor ce formează ARNm în succesiunea resturilor de aminoacizi din proteina nou sintetizată. Translaţia informaţiei genetice din ARNm în structura primară a proteinelor se realizează la rândul ei în trei etape distincte: – iniţierea translaţiei; – elongarea sau translaţia propriu-zisă; – terminarea translaţiei. Iniţierea translaţiei înseamnă recunoaşterea punctului de start în ARNm. Pentru ca iniţierea translaţiei să debuteze este nevoie ca aminoacizii dizolvaţi în citoplasmă să fie activaţi. Aceasta are loc sub acţiunea enzimelor numite aminoacil-ARNt-sintetaze. Acţiunea acestor enzime cere prezenţa ionilor de Mg2+, fiecare aminoacid are enzima sa specifică (există deci cel puţin 20 aminoacil-ARNt-sintetaze) iar energia necesară pentru procesul de activare a aminoacizilor este furnizată de ATP. Iniţierea translaţiei nu este întâmplătoare. La nivelul ribozomului este transportat un anumit complex de aminoacid-ARNt pe baza recunoaşterii dintre codonul din ARNm şi anticodonul din ARNt. Codonul ce declanşează iniţierea se numeşte codon de iniţiere. Etapa de elongare – clivarea ribozomului de-a lungul ARNm. Sinteza unei polipeptide începe de la capătul N-terminal şi se termină cu extremitatea Cterminală. Creşterea polipeptidei cu un aminoacid se efectuează în trei stadii: – legarea următorului aminoacil-ARNt; – transpeptidarea (formarea legăturii peptidice sub acţiunea enzimei peptidil-transferază; – translocaţia. Acest proces complex se repetă ciclic până când întreaga informaţie conţinută de ARNm este tradusă în secvenţa aminoacidică a proteinei codificate. Încheierea (terminarea) translaţiei se produce atunci când ribozomul ajunge în dreptul aşa numitului codon non-sens (UAG, UGA, UAA) care nu codifică nici un aminoacid. Multe catene polipeptidice eliberate de pe ribozom suferă modificări ulterioare care au drept rezultat structura spaţială finală a proteinelor ce determină activitatea lor biologică.

__________________________________________________________________ Întrebări de verificare şi evaluare a cunoştinţelor Ce este codul genetic şi care sunt caracteristicile lui?

– Care sunt etapele biosintezei proteice şi ce reacţii au loc în cadrul fiecăreia? __________________________________________________________________

63

II.3. Metabolismul glucidelor II.3.1. Glicoliza anaerobă a glucidelor (secvenţa Embden – Meyerhoff – Parnas) Funcţia principală a glucozei în organism este aceea de a servi drept sursă de energie metabolică. Eliberarea energiei încorporate în molecula de glucoză se realizează fie parţial, prin degradarea sa la piruvat, fie total, prin oxidare la dioxid de carbon. Oxidarea glucozei până la piruvat presupune parcurgerea glicolizei – cale metabolică elucidată de către Embden, Meyerhoff şi Parnas. Piruvatul rezultat în glicoliză este oxidat în continuare până la dioxid de carbon prin antrenarea sa în ciclul Krebs, în condiţiile în care ţesuturile dispun de oxigen sau este redus la lactat, în condiţiile în care aportul de oxigen este scăzut. În ficat şi alte ţesuturi, glicoliza reprezintă şi modalitatea metabolică de transformare a glucozei, oferită în cantităţi mari postprandial, în lipide de rezervă, respectiv trigliceride, formă ideală de depozitare a energiei la care se va face apel în condiţiile în care concentraţia glucozei în sânge este redusă. Glicoliza furnizează atât componenta glicerol a trigliceridelor cât şi elementul de construcţie a acizilor graşi care este acetil – CoA. De menţionat faptul că ficatul utilizează componenta glicerol (ca glicerofosfat) şi în vederea obţinerii fosfolipidelor, iar componenta acetil – CoA şi în scopul sintezei colesterolului. Aceşti compuşi de natură lipidică vor fi exportaţi ţesuturilor extrahepatice, cu precădere ţesutului adipos, sub formă de lipoproteine. Secvenţa glicolitică se desfăşoară în citosol şi presupune următoarele transformări catalizate enzimatic: – conversia glucozo – 6 – fosfatului la fructozo – 6 – fosfat; – fosforilarea fructozo – 6 – fosfatului; – scindarea fructozo – 1,6 – difosfatului; – oxidarea fosforilantă a gliceraldehid – 3 – fosfatului; – transformarea 3 – fosfogliceratului în piruvat; – obţinerea acidului L – lactic. Însumând toate transformările ce au loc se obţine următoarea reacţie globală pentru glicoliză: C6H12O6 + 2ATP + 2 H3PO4 + 2 ADP → 2 acid lactic + 4 ATP Aceasta înseamnă că randamentul energetic al degradării glucozei până la acid lactic este de 2 moli ATP. Schematic, calea de degradare anaerobă a glucidelor prin glicoliză poate fi redată schematic ca în figura II.1.

64

Fig. II.3. Schema generală a glicolizei anaerobe (cuplată cu gluconeogeneza)

II.3.2. Fermentaţia glucidelor de către microorganisme Prin fermentaţie se înţelege procesul complex de degradare anaerobă a glucidelor de către microorganisme în scopul obţinerii energiei necesare proceselor lor fiziologice. În funcţie de natura produsului final care predomină cantitativ în mediul de fermentaţie şi care caracterizează procesul, există mai multe tipuri de fermentaţie: – alcoolică, rezultă etanol; – lactică, rezultă acid lactic; – acetică, rezultă acid acetic; – citrică, rezultă acid citric, etc. Fermentaţia alcoolică este realizată de drojdii şi unele bacterii care metabolizează glucoza cu formare de alcool etilic şi CO2. Materia primă este reprezentată de glucoza liberă din sucurile de fructe, glucoza obţinută din maltoză şi zaharoză sau din amidon, ultimul fiind supus mai 65

întâi zaharificării cu ajutorul amilazelor. Deoarece levurile nu conţin amilaze, mediul de fermentaţie se suplimentează cu malţ (orz încolţit) sau preparate amilazice izolate din ciuperci. Maltoza formată din amidon sub acţiunea amilazelor este scindată apoi în glucoză de către maltaza din levuri. Fermentaţia alcoolică decurge după un mecanism care este identic până la etapa de formare a acidului piruvic inclusiv, cu secvenţa reacţiilor din glicoliză. Spre deosebire de glicoliză, acidul piruvic în fermentaţia alcoolică este supus decarboxilării ireversibile în acetaldehidă sub acţiunea piruvatdecarboxilazei care are drept coenzimă TPP. În etapa finală alcooldehidrogenaza reduce cu ajutorul NADH acetaldehida în alcool etilic. II.3.3. Decarboxilarea oxidativă a acidului piruvic În majoritatea celulelor vegetale şi animale, precum şi la unele microorganisme, acidul piruvic se degradează prin decarboxilare oxidativă cu formare de acetil – CoA. Acest proces este catalizat de un complex multienzimatic numit piruvatdehidrogenază, format din trei enzime şi cinci coenzime: piruvatdehidrogenaza, dihidrolipoiltransacetilaza, dihidrolipoildehidrogenaza şi respectiv tiaminpirofosfatul, acidul lipoic, coenzima A, nicotinamidadenindinucleotidul (NAD) şi flavinadenindinucleotidul (FAD) (fig. II.2.).

Fig. II.4. Schema generală a structurii piruvatdehidrogenazei şi a decarboxilării oxidative a acidului piruvic

II.3.4. Ciclul Krebs (ciclul acizilor tricarboxilici, ciclul acidului citric) Ciclul acizilor tricarboxilici reprezintă o succesiune de reacţii prin parcurgerea căreia fragmentul acetil – CoA este oxidat până la dioxid de carbon. Etapele ciclului au fost postulate şi demonstrate ulterior de către Hans Krebs care, cu câţiva ani înainte, elucidase etapele procesului de ureogeneză. Cele două molecule de dioxid de carbon care se formează la fiecare tur al ciclului rezultă prin scindarea restului acetil din acetil – CoA. Funcţionarea continuă a ciclului Krebs este condiţionată de reoxidarea celor trei molecule de NADH şi FADH2 în lanţul respirator, cu producerea de ATP. La nivelul mitocondriilor, pentru fiecare moleculă de NADH se formează trei molecule de ATP, iar un mol de FADH2 generează doi moli de ATP. Ciclul acizilor tricarboxilici este strict aerob, în timp ce glicoliza se poate desfăşura atât în condiţii aerobe cât şi anaerobe. Bilanţul energetic al ciclului Krebs arată că prin degradarea restului acetil pe această cale se formează 12 moli de ATP (fig. II.3.).

66

Fig. II.5. Schema generală a ciclului acizilor tricarboxilici

Catena respiratorie Oxidarea substanţelor organice în celula vie se realizează prin dehidrogenare. Procesul de transfer al protonilor şi electronilor de la substratele supuse oxidării spre O2 se numeşte respiraţie şi este catalizat de o serie de oxidoreductaze (dehidrogenaze nicotinamiddinucleotidice, dehidrogenaze flavinice şi citocromi - proteine transportoare de electroni -). Totalitatea acestor enzime formează aşa numita catenă respiratorie care are structură de tip cascadă ce permite eliberarea treptată a energiei libere. Această energie liberă se acumulează parţial în legăturile chimice macroergice ale ATP. Transferul protonilor şi electronilor prin catena respiratorie spre O 2 are loc cu o scădere mare a energiei libere, care parţial se pierde sub formă de căldură, parţial se acumulează în legăturile chimice macroergice ale ATP. Sinteza ATP din ADP şi acid fosforic cu ajutorul energiei procesului de oxidare biologică se numeşte fosforilare oxidativă.

__________________________________________________________________ Întrebări de verificare şi evaluare a cunoştinţelor – Ce este metabolismul şi care sunt principalele lui componente? – Descrieţi calea de degradare a glucozei prin glicoliză anaerobă – –

În ce constă decarboxilarea oxidativă a acidului piruvic? Descrieţi ciclul acizilor tricarboxilici.

____________________________________________________________________ 67

II.4. Metabolismul lipidelor Lipidele se disting prin eterogenitate structurală şi funcţională ceea ce determină o mare diversitate de căi metabolice de degradare şi biosinteză. II.4.1. Metabolismul triacilglicerolilor Biosinteza triacilglicerolilor Acest proces biosintetic poate utiliza în calitate de precursori glicerolul şi acizii graşi preexistenţi, adică rezultaţi în urma hidrolizei lipidelor sau se poate realiza de novo prin utilizarea unor produşi intermediari ai metabolismului glucidic.

Atunci când acizii graşi rezultaţi prin hidroliza lipidelor sunt insuficienţi, ei se sintetizează prin utilizarea în calitate de precursori a acetil – CoA. Calea de biosinteză a triacilglicerolilor poate fi redată schematic astfel:

Catabolismul triacilglicerolilor Triacilglicerolii (trigliceridele) ca formă de depozitare a excesului caloric al organismului se găsesc în cantităţi apreciabile în ţesutul adipos. Un adult normal (bărbat de 40 de ani şi 70 de kg) cuprinde 15 kg ţesut adipos (135 kilocalorii). Energia potenţială a acilglicerolilor este cuprinsă în catenele bogate în hidrogen ale resturilor acil. În ţesuturi catabolismul triacilglicerolilor are loc în etape, până la formarea de glicerol şi acizi graşi corespunzători care se absorb la nivelul peretelui intestinal. Procesul este catalizat de către lipază, enzimă întâlnită atât la plante, microorganisme cât şi în ţesuturile animale. La animale lipidele sunt mai întâi emulsionate sub acţiunea sărurilor biliare din bilă ceea ce determină creşterea suprafeţei de contact dintre cele două faze. 68

II.4.2. Metabolismul glicerolului Glicerolul este component al gliceridelor şi fosfogliceridelor. Liber se formează prin hidroliza tisulară a trigliceridelor. Pentru ca glicerolul să reintre în fluxul metabolic el este mai întâi fosforilat la glicerol – fosfat sub acţiunea glicerol kinazei:

CH 2 CH CH 2

OH

ATP

ADP

OH OH

glicerol-kinază

CH 2

OH

CH

OH

CH 2

O

P

glicerol glicerol-fosfat Această enzimă este foarte activă în ficat, dar este practic absentă în adipocite. Glicerolul format în ţesutul adipos difuzează în plasmă de unde este captat de ficat care îl utilizează după conversie în glicerol – fosfat. Glicerol–fosfatul mai poate fi obţinut din glucoză, mai exact din dihidroxiaceton – fosfat, intermediar al glicolizei anaerobe, prin reacţia reversibilă:

După condiţiile specifice fiecărui ţesut, glicerol – fosfatul poate evalua pe următoarele căi metabolice: – poate fi transformat în trigliceride sau fosfogliceride; – după conversia sa într-un triozofosfat (dihidroxiaceton – fosfat şi 3 – gliceraldehid – fosfatul) poate urma calea glicolitică degradativă şi apoi oxidare completă la dioxid de carbon şi apă; ca triozofosfat poate fi substrat gluconeogenetic. II.4.3. Metabolismul acizilor graşi Degradarea acizilor graşi se face pe mai multe căi. Cea mai importantă este β-oxidarea care reprezintă procesul de degradare completă cu formare de dioxid de carbon, apă şi energie. Această cale de degradare a fost postulată prima dată în 1904 de către Franz Knopp. Hrănind animalele de experienţă cu fenil – derivaţi ai acizilor carboxilici cu până la cinci atomi de carbon în moleculă, autorul studiază metabolismul acestor substanţe urmărind produşii ce apar în urină. El constată că derivaţii cu număr impar de atomi de carbon au fost oxidaţi la acid benzoic, iar cei cu număr par de atomi de carbon dau acid fenil – acetic. Din aceste experimente Knopp trage concluzia că degradarea acizilor graşi are loc cu desprinderea treptată a unor fragmente cu doi atomi de carbon. Mecanismul β-oxidării a fost clarificat cu aproape jumătate de secol mai târziu când Lynen reuşeşte să izoleze din drojdii acetil

69

– CoA. El conchide că degradarea acizilor graşi prin β-oxidare se realizează prin clivarea unor fragmente cu doi atomi de carbon sub formă de acetil – CoA. Procesul β-oxidării acizilor graşi se realizează în mai multe etape (fig. II.4.). Prima etapă o reprezintă activarea acizilor graşi prin formarea unor complecşi cu CoA. Reacţia de activare este catalizată de enzime specifice numite tiokinaze sau acil – CoA – sintetaze. La rândul ei, etapa de activare cuprinde două faze: mai întâi acidul gras interacţionează cu ATP – ul formând un produs intermediar – acil - adenilatul. După etapa de activare, complecşii acil – CoA astfel formaţi pătrund în mitocondrii unde se realizează degradarea propriu-zisă. Transformările ce urmează sunt ciclice, la fiecare ciclu desprinzându-se câte doi atomi de carbon sub formă de acetil – CoA, iar noul acil – CoA ce este mai scurt deci cu doi atomi de carbon, reia un nou ciclu de transformări:

Fig. II.6. Schema generală a β-oxidării acizilor graşi

______________________________________________________________________ Întrebări de verificare şi evaluare a cunoştinţelor – Ce reacţii au loc în calea de biosinteză a triacilglicerolilor? –

Descrieţi calea de degradare a acizilor graşi prin b-oxidare.

______________________________________________________________________

70

BIBLIOGRAFIE SELECTIVĂ

1. Artenie, Vl. – 1976, Curs de chimie biologică, Vol II, Ed. Univ. „AL. I. Cuza” Iaşi. 2. Artenie, Vl. – 1987, Biochimia şi organizarea moleculară a cromozomului eucariot, Ed. Univ. „Al. I. Cuza” Iaşi.

3. Artenie, Vl. – 1986, Acizii nucleici şi rolul lor genetic, Ed. Univ. „Al. I. Cuza”, Iaşi. 4. Artenie, Vl. – 1991, Biochimie, Ed. Univ. „Al. I. Cuza” Iaşi. 5. Ashwell, G., Kawasaki, T. – 1978, A Protein from Mammalian Liver That specifically Binds Galactose-Terminated Glycoproteins, in: Methods in Enzymology, vol. L, Part C, Acad. Press, Inc.

6. Branden, C., Tooze, J. – 1991, Introduction to Protein Structure, Garland Publ. Inc., New York7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18. 19. 20. 21. 22. 23. 24. 25. 26. 27. 28.

London. Brody, T. – 1994, Nutritional Biochemistry, Acad. Press Inc., San Diego, California. Cacan, R. – 1999, La biosynthèse des N-glicosylprotéines, in: 3ème Ecole d’été Francophone de Biochimie, Iaşi, 5-17 juillet. Calladine, C. R., Drew, H. R. – 1992, Understanding DNA, Acad. Press, Inc., London-San DiegoNew York. Cann, J. R. – 1978, Measurements of Protein Interactions Mediated by Small Molecules Using Sedimentation Velocity, in: Methods in Enzymology, vol. XLVIII, Part F, Acad. Press, Inc. Cazzone, A. J. – 1988, Protein phosphorylation in prokaryotes, in: Annu. Rev. Microbiol., Vol. 42. Clavey, V. – 2001, Structure et Métabolisme des Lipoprotéines Plasmatiques, in: Biochimie Structurale. Cojocaru, D.C. – 1996, Biochimia vitaminelor, Ed. Gama, Iaşi. Cojocaru, D.C. – 1997, Enzimologie, Ed. Gama, Iaşi. Cojocaru, D.C., Doina-Irina Cojocaru, Elena Ciornea – 1999, Biochimia hormonilor, Ed. Corson, Iaşi. Cojocaru, D.C., Mariana Sandu – 2004, Biochimia proteinelor şi acizilor nucleici, Ed. Pim, Iaşi. Dumitru, I. F. – 1980, Biochimie, Ed. Did. şi Ped., Bucureşti. Lentner, C. – 1986, Geigy Scientific Tables, Vol. 4, Biochemistry, Metabolism of Xenobioticc, Inborn Errors of Metabolism, Basle, Switzerland. Montreuil, J. – 1996, Structure and Biosynthesis of Glyco-proteins, in: Polysaccharides in Medicinal Applications (ed. by Severian Dimitriu), M. Dekker, Inc., New York. Montreuil, J. – 1996, Normal and Pathological Catabolism of Glycoproteins, in: Polysaccharides in Medicinal Applications (ed. by Severian Dimitriu), M. Dekker, Inc., New York. Pelmont, J. – 1995, Enzymes. Catalyseurs du monde vivant, Presse Universitaires de Grenoble, Grenoble. Racadot, A. – 1990, La “Sex–binding protein” ou SBP (protéine de transport des hormones sexuelles), in: Immunoanal. Biol. Spéc., Vol. 21, Elsevier, Paris. Racadot, A. – 1991, Biosynthése des hormones thyroidiennes. Aspects biochimiques, in: Immunoanal. Biol. Spéc., Vol. 30, Elsevier, Paris. Popescu Aurora, Dinu Viorica, Truţia, E., Popa Cristea Elena – 1996, Biochimie Medicală, Ed. Medicală, Bucureşti. Simionescu Ligia – 1982, Radioimunoanaliza hormonilor, Ed. Medicală, Bucureşti. Tămaş Viorica, Boitor, I. – 1977, Hormonii şi funcţiile lor biochimice, Ed. Ceres, Bucureşti. Teodorescu-Exarcu, I. (sub red.) – 1974, Patologie biochimică, Ed. Medicală, Bucureşti. Voet, D., Voet, J.G. – 1990, Biochemistry, John Wiley & Sons, New York.

71

CUPRINS

I. I.1. I.1.1. I.1.2. I.1.2.1. I.1.2.2. I.1.2.3. I.1.2.4. I.1.2.5. I.1.2.6. I.1.2.7. I.1.2.8. I.1.2.9. II. II.1. II.1.1. II.1.1.1. II.1.1.2. II.1.1.3. II.1.2. II.2. II.3. II.3.1. II.3.2. II.3.3. II.3.4. II.4. II.4.1. II.4.2. II.4.3.

INTRODUCERE BIOCHIMIE STRUCTURALĂ COMPOZIŢIA CHIMICĂ A ORGANISMELOR VII Molecule bioanorganice Molecule bioorganice Aminoacizi Peptide Proteine Acizi nucleici Enzime Glucide Lipide Vitamine Hormoni BIOCHIMIE DINAMICĂ METABOLISMUL AMINOACIZILOR Căi comune de degradare a aminoacizilor Dezaminarea aminoacizilor Decarboxilarea aminoacizilor Transaminarea aminoacizilor Ciclul ureogenetic BIOSINTEZA PROTEINELOR METABOLISMUL GLUCIDELOR Glicoliza anaerobă a glucidelor Fermentaţia Decarboxilarea oxidativă a acidului piruvic Ciclul Krebs METABOLISMUL LIPIDELOR Metabolismul triacilglicerolilor Metabolismul glicerolului Metabolismul acizilor graşi BIBLIOGRAFIE

3 4 4 4 4 4 7 9 13 21 29 36 40 45 47 47 47 47 50 55 58 60 62 62 63 64 64 66 66 67 67 68

72

73