Curs Bochimie Anul I Sem II

CARACTERISTICI BIOCHIMICE ALE MATERIEI VII

Definitia biochimiei • Biochimia = ştiinţa care studiaza structura chimica a compuşilor din care sunt alcătuite organismelor vii, totalitatea reacţiilor şi transformărilor care au loc în celule, modalitatile de reglare a acestora şi interactiunile permanente cu mediul înconjurător. • In functie de tipul de organisme pe care le studiaza, se disting: – Biochimia microbiană – Biochimia vegetală – Biochimia animală (inclusiv biochimie medicala sau clinica) • În funcţie de modul de abordare a problemelor studiate, se disting 2 capitole principale ale biochimiei: – Biochimie structurală (descriptivă) – Biochimie dinamică (biochimia metabolismului)

I. BIOCHIMIA STRUCTURALĂ I.1. Compoziţia chimică a organismelor vii  Biolemente si biomolecule • Compoziţia chimică a organismelor vii este extrem de complexă datorită: - structurii diferite a compuşilor biochimici; - proporţiei diferite a elementelor chimice întâlnite în lumea vie.

• Elementele care intră în compoziţia materiei vii = elemente biogene sau bioelemente

Clasificarea bioelementelor  În funcţie de ponderea şi rolul pe care îl joacă în celula vie, elementele chimice se clasifică astfel:  Elemente macrobiogene (macroelemente) - reprezintă până la 99% din compoziţia materiei vii. Acestea sunt: H, O, C, N, P şi Ca (H, O, C, N : 96%)  Elemente oligobiogene (oligoelemente) - se găsesc în proporţie de 0,05-1%: Mg, Na, K, Fe, S, Cl. • Macro- şi oligoelementele → rol structural şi energetic.  Elementele microbiogene (microelemente) se găsesc în cantităţi foarte reduse sau chiar în urme → rol predominant catalitic. • Unele sunt comune tuturor organismelor vii: Cu, Co, Zn, Mn, F, I, Mo – si se numesc elemente invariabile • Altele se găsesc numai în anumite organisme B, Si, Li, As, etc.- şi se numesc elemente variabile. .

Clasificarea biomoleculelor • Bioelementele, atât cele majore cât şi microelementele, se găsesc în stare liberă în organism, doar în cantităţi mici şi foarte mici. • În marea lor majoritate ele intră în structura substanţelor chimice specifice lumii vii, a biomoleculelor. • În funcţie de natura acestora, biomoleculele se împart în două clase: o molecule bioanorganice (biomolecule anorganice) - apa, sărurile minerale; o molecule bioorganice (biomolecule organice) - glucide, lipide , aminoacizi, peptide, proteine, acizi nucleici, vitamine, hormoni, factori de creştere etc.

Apa • Este un constituent absolut indispensabil tuturor organismelor vii; toate procesele celulare care stau la baza vieţii nu pot avea loc în lipsa apei. • 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 peste 90% în frunze, microorganisme, multe ţesuturi animale etc.

Criterii de clasificare a apei din organismele vii  Dupa locul unde se gaseste in raport cu celulele: -apa intracelulara -apa extracelulara. Apa extracelulara: -intrestitiala (extravasculara) sau -circulanta (intravasculara).  Din punct de vedere al distributiei tisulare: - apa tisulara (in tesuturi) si - apa cavitara (din umoarea apoasa si sticloasa, din lichidul cefalorahidian, etc).  Din punct de vedere chimic: -apa legata de diferite structuri chimice si -apa libera. -Apa legata se fixeaza in cea mai mare parte prin hidratare pe structurile coloidale ce prezinta grupari polare (glucide, lipide si protide).

• Din cantitatea de apa continuta intr-un organism viu, apa intracelulara reprezinta 70%, apa intrestitiala 23% si apa circulanta 7 %. • Plasma sanguina contine 93% apa, eritrocitele 60%, muschii pana la 80%. • Exista si structuri biologice care contin o cantitate mai mica de apa ca dintii, unghiile, copitele, parul, portiunea solida a oaselor, etc. • Cu cat un organ sau un tesut este sediul unor procese metabolice mai intense, cu atat cantitatea de apa este mai mare. • In tesuturile embrionare apa poate intra chiar in proportie de 97%. • Cu cat organismul imbatraneste are loc o diminuare a proceselor metabolice, si in consecinta, o scadere a proportiei de apa.

Funcţiile apei -

mediu de reacţie pentru toate procesele biochimice.

-

mijloc de transport (vehicul) 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. Apa legata de structurile organice sub forma de coloizi, nu îngheaţă nici chiar la –100oC, fapt ce explică existenţa formelor de viaţă în condiţii extreme cum ar fi zonele polare, gheţarii etc

Disociatia electrolitica a apei

• Apa este un electrolit slab. • Moleculele de apa disociaza conform reactiei reversibile:

H 2O + H 2O

H3O+ + HO-

• Echilibrul este mult deplasat spre stanga. • Gradul de disociere a apei este foarte mic.

Produsul ionic al apei (constanta de autoprotoliza a apei) Constanta de echilibru (constanta de disociere a apei) este: La 250C, K = 1,8 X 10-16 moli/L

Intrucat gradul de disociere a apei este foarte mic, concentratia apei cH2O poate fi considerata constanta, ceea ce inseamna ca produsul dintre concentratia ionilor de hidroniu si concentratia ionilor de hidroxil este, de asemenea, constant:

KW se numeste produsul ionic al apei.  Produsul ionic al apei depinde de temperatura, dar la aceeasi temperatura este constant, indiferent de pHul solutiei. La 25°C, valoarea acestuia este aproximativ 10-14 mol L-1.

Valorile produsului ionic al apei functie de temperatura Temperatura[°C] 0 10 20 25 30 50 80 100

KW×10-14 [mol L-1] 0,113 0,292 0,681 1,008 1,470 5,470 25,100 55,000

pHul In apa pura concentratia ionilor H3O+ este egala cu cea a ionilor HO-, ceea ce inseamna ca, la 25°C: Pentru a exprima concentratia ionilor de hidrogen in solutii apoase s-a introdus notiunea de pH (exponent de hidrogen), definit de Sörensen (1909): Adaugand in apa pura un acid, de exemplu acid clorhidric, concentratia ionilor de hidroniu va creste, ceea ce va determina deplasarea echilibrului apei spre stanga, in sensul micsorarii concentratiei ionilor de hidroxil, astfel incat produsul ionic al apei KW sa ramana la aceeasi valoare. Daca , de exemplu, prin adaugare de acid clorhidric, concentratia ionilor de hidroniu ajunge la 10-3 mol L-1, concentratia ionilor de hidroxil va scadea la 10-11 mol L-1. In acest caz, pH-ul solutiei va fi 3.

Invers, prin adaugare de ioni de hidroxil, concentratia ionilor de hidroniu va scadea, astfel incat produsul ionic al apei sa ramana constant.

Echilibrul acido-bazic • Electrolitii sunt substante care, in stare topita sau in solutie, sunt conductori electrici. • Din masuratorile de conductivitate electrica a solutiilor de electroliti a rezultat ca la unii electroliti, conductivitatea in solutii apoase este mult mai mare decat la altii. • Electroliti tari au conductivitate mare, subt disociati practic total in solutii diluate. • Electroliti slabi au conductivitate mica, sunt doar partial dislociati (de multe ori sub 5%) in solutii apoase.

Tipuri de electroliti Electroliti tari

Electroliti slabi

Saruri: NaCl, NaNO3, K2SO4, Pb(NO3)2, CaCl2, CuSO4, CH3COONa

Acizi organici: CH3COOH, C6H5COOH

Hidroxizi solubili: NaOH, KOH, Ba(OH)2

Acizi anorganici: H2S, H2CO3, HCN

Acizi minerali: HCl, HI, H2SO4, HNO3, H3PO4

Baze: NH3, amine

Electrolitii pot fi combinatii ionice sau combinatii covalente. Formarea ionilor (purtatori de sarcini electrice), in cazul combinatiilor covalente, are loc prin scindarea heterolitica a unor legaturi covalente CH3CO-O-H + H2O

CH3COO- + H3O+

Reacţii acido-bazice (după Brönsted) •

Sunt reacţii cu transfer de protoni (protoliza), în care sunt cuplate cedarea şi acceptarea de protoni.

•

Prin cedare de protoni, dintr-un acid rezultă baza sa conjugată, iar prin acceptarea de protoni, dintr-o bază rezultă acidul său conjugat.

•

Acizii sunt donori de protoni, iar bazele sunt acceptori de protoni, formânduse în fiecare caz o pereche de acid-bază conjugată.

•

Reactia de disociere a unui acid slab este: slab, iar A- = baza sa conjugata.

•

Daca acidul se afla in forma ionizata , reactia va fi: BH+ acidul, iar B = baza sa conjugata

H+ + A-, unde: HA = acidul

HA

A  H   

•

Constanta de disociere a unui acid slab este: k a

H+ + B, unde: BH+ este

AH 



Ecuatia Henderson-Hasselbach A  H   

ka

Din ecuatia Rezulta ca:



AH 

 H   K  HA A  



a

Logaritmand si schimband semnul, rezulta ca:



 lg H   lg K a

 HA   lg

A  

pHul este definit ca logaritm cu semn schimbat din concentratia ionilor de hidrogen:

 

pH   lg H 

pKa este definita ca logaritm cu semn schimbat din constanta de disociere a unui acid slab:

pH  pK a

A   lg 

HA 

iar relatia de mai sus poarta numele de ecuatia Henderson-Hasselbach

Ecuatia Henderson-Hasselbach • Este folosita pentru: - determinarea valorilor de pH in timpul titrarii unui acid slab cu o baza tare - prepararea solutiilor tampon de pH cunoscut - calcularea gradului de disociere in cazul perechilor acid slab – baza conjugata

Perechi de acizi slabi – baze conjugate relevante fiziologic Acid

Baza conjugata

pKa

NH4+ Ion amoniu

NH3 Amoniac

9,25

H2CO3 Acid carbonic

HCO3 – Ion bicarbonat

6,37

H2PO -4 Ion fosfat diacid

HPO -4 Ion fosfat monoacid

6,86

CH3CH(OH)COOH Acid lactic

CH3CH(OH)COOIon lactat

3,86

Reglarea pHului sanguin • Nivelele de CO2 si HCO-3 din sange sunt foarte importante pentru mentinerea unui pH sanguin la valorile normale, din urmatoarele motive: 1. CO2 dizolvat in sange se hidrateaza sub forma de H2CO3, care este foarte instabil in solutie apoasa, descompunandu-se si disociind usor si aproape complet:

CO2 + H2O

H2CO3

H+ + HCO3-

2. La dizolvarea CO2 in apa, cantitatea de H2CO3 este foarte mica, incat, conform reactiei

CO2 + H2O

H+ + HCO3-

CO2 poate fi considerat acidul slab, baza conjugata fiind HCO3-

Reglarea pHului sanguin Valoarea pKa pentru reactia de mai sus, care are loc in sange, in conditii fiziologice, este 6,1. pHul normal al sangelui este 7,4.

 baza  pH  pK a  lg acid 

 HCO  7,4  6,1  lg 

Folosind ecuatia Henderson-Hasselbach, se calculeaza nivelele relative ale CO2 si HCO3necesare pentru a mentine pHul fiziologic al sangelui.

3

CO2 

 HCO  7,4  6,1  lg 

3

CO2 

HCO  1,3  lg 

3

CO2 

 HCO  anti lg 1,3   20 

3

CO2 

Reglarea pHului sangelui • In mod obisnuit, nivelele CO2 se exprima sub forma PCO 2 unde P reprezinta presiunea partiala a gazului (CO2) dizolvat in plasma sanguina. In plasma, in conditii fiziologice, [CO2] si

PCO2 sunt legate prin

constanta de solubilitate in plasma a CO2, care, la 380C, are valoarea 0,03 mM/mmHg Valorile normale pentru sange sunt: - pH = 7,4;

- PCO = 40 mm Hg 2

- [HCO3- ] = 24 mM Nivelele de CO2, respectiv HCO3- sunt reglate prin activitatea pulmonara si renala.

Dezechilibre care modifica pHului sanguin • pHul sanguin poate varia ca rezultat al afectiunilor respiratorii sau metabolice. - pH < 7,4: acidoza - pH> 7,4: alcaloza • Modificarile pHului sanguin ca urmare a modificarii nivelelor CO2 se datoreaza unor disfunctii respiratorii, :  acidoza, cand nivelul CO2 creste;  alcaloza, cand nivelul CO2 scade. • Modificarile pHului sanguin ca urmare a modificarii nivelelor HCO3se datoreaza unor disfunctii metabolice, care produc:  acidoza, cand nivelul HCO3- scade;  alcaloza, cand nivelul HCO3- creste.

Exemple de dezechilibre care modifica pHul sanguin Emfizemul pulmonar Analize de sange: - PCO = 60 mmHg 2

-

[HCO3-] = 34 mM

-

pH = 7,38

Din cauza unei afectiuni pulmonare cronice, viteza de respiratie este deprimata si CO2 nu este eliminat eficient din sangele din alveole. Rezulta acidoza respiratorie , cu valori crescute ale presiunii partiale a CO2, PCO 2 . Pentru a compensa afectiunea respiratorie, rinichii au raspuns prin cresterea secretiei de H+ si a reabsorbtiei HCO3-. Astfel a rezultat o alcaloza compensatorie, cu nivele serice crescute ale [HCO3-].

Semnificatia pHului sanguin usor crescut fata de valoarea normala, rezida in faptul ca acidoza respiratorie nu este integral compensata, ceea ce este caracteristic pentru afectiunile respiratorii cronice.

Exemple de dezechilibre care modifica pHul sanguin Afectiunea primara

Efect asupra

Compensare

Efect asupra

PCO 2

HCO3-

Alcaloza metabolica

-

↑

↑

Acidoza metabolica

-

↓

↓

↓

Alcaloza respiratorie

↓

-

↑

↑

Acidoza respiratorie

↑

-

PCO 2

HCO3

Acidoza respiratorie

↑

-

↓

Alcaloza respiratorie

↓

-

Acidoza metabolica

-

Alcaloza metabolica

-

-

pH

Dezechilibre care modifica pHului sanguin • De cate ori este posibil, organismul incearca sa compenseze modificarile anormale de pH prin ajustarea activitatii plamanilor si rinichilor. • Acidoza si alcaloza respiratorii pot fi compensate prin alcaloza, respectiv acidoza metabolice.

Sărurile minerale • Sărurile minerale sunt prezente în toate organismele vii, în diferite proporţii. • In 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 • Au rol:  Structural (sărurile de calciu, de exemplu, sunt componente ale oaselor).  Catalitic (unii ioni intra în structura unor compuşi biologici foarte activi, cum sunt enzimele, clororfila, hemoglobina,)  Fizico-chimic (condiţioneaza echilibrul osmotic, acidobazic, electrochimic, în ţesuturi).

Molecule bioorganice • Combinaţiile organice existente în organismele vii sunt sunt denumite biocompuşi sau biomolecule si indeplinesc funcţii structurale (plastice), energetice sau de efectori sau mediatori biochimici. • Dupa structura lor, biomoleculele organice apartin urmatoarelor clase:  aminoacizi  proteine  glucide  lipide  acizi nucleici

Molecule bioorganice Efectori biochimici sunt substanţe care influenţează şi controlează desfăşurarea proceselor din sistemele vii:  biocatalizatori sau enzime şi precursorii lor  alte substanţe cu rol de factori de reglare şi control: hormonii, vitaminele  mediatorii chimici ai influxului nervos

AMINOACIZII – UNITĂŢI STRUCTURALE DE BAZĂ ALE PROTEINELOR

Definiţie, structură chimică, răspândire în natură •

•

•

Aminoacizii = compuşi organici cu funcţiune mixtă: contin o grupare amino (–NH2) şi o grupare carboxilică (–COOH), un atom de hidrogen si o grupa distinctiva (R), denumita catena laterala, toate legate de un atom de carbon. Din cei aproximativ 200 de aminoacizi cunoscuţi în prezent, 20 sunt codificati genetic si intră în mod curent în structura proteinelor ca aminoacizi fundamentali care participa la biosinteza proteinelor (aminoacizi proteinogeni). Din punct de vedere structural, aminoacizii proteinogeni sunt α–aminoacizi, in sensul ca grupa amina este legata de atomul de carbon din pozitia alfa, cu exceptia prolinei (care este un iminoacid),

R

şi au formula generală:

Definiţie, structură chimică, răspândire în natură • In compozitia proteinelor s-au identificat si alti aminoacizi decat cei codificati genetic si anume aminoacizi rezultati prin modificarea unuia din cei 20 proteinogeni, dupa incorporarea acestora in lanturile proteice (modificari posttranslationale). • Exista, de asemenea, multi aminoacizi care nu intra in compozitia proteinelor, dar se gasesc in natura, avand proprietati: antibiotice sau de toxine

Caracterul amfoter al aminoacizilor Aminoacizii cu formula generala de mai jos exista in solutie sub forma de molecule dipolare, avand atat sarcini pozitive, cat si negative: - grupa alfa-carboxil disociaza si ramane cu o sarcina negativa. - grupa amina se protoneaza si se incarca pozitiv. . .

Caracterul amfoter al aminoacizilor Datorită protolizei intramoleculare, aminoacizii au structura unor amfioni sau ioni bipolari.

Datorită acestui caracter amfoter, formează săruri atât cu acizii cât şi cu bazele, comportandu-se în mediu acid ca baze iar în mediu bazic ca acizi:

În ambele cazuri pH-ul soluţiei nu se schimbă în mod apreciabil. Pe această proprietate a lor se bazează utilizarea aminoacizilor ca soluţii 34 tampon.

Aminoacizi • Radicalul R poate fi alifatic, aromatic sau heterociclic. • Cu exceptia glicinei, atomul de C α este legat de 4 atomi diferiti  atomul de C α este un atom de C asimetric, chiral. • Cei 20 de aminoacizi implicati in biosinteza proteinelor pot fi clasificati in functie de polaritatea catenei laterale R sau in functie de structura acesteia.

I. Clasificarea aminoacizilor in funcţie de polaritatea radicalului R 1. Aminoacizi neutri, cu catene laterale nepolare (hidrofobe)

1. Aminoacizi neutri, cu catene laterale nepolare (hidrofobe)

2. Aminoacizi neutri, cu catene laterale polare

2. Aminoacizi neutri, cu catene laterale polare

3. Aminoacizi cu caracter acid (monoaminodicarboxilici)

Amide ale aminoacizilor dicarboxilici

4. Aminoacizi cu caracter bazic (diaminomonocarboxilici)

Alti aminoacizi bazici

• 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, stabila, se întâlneşte numai in unele plante. • Citrulina este, de asemenea, un intermediar al ciclului ureogenetic.

Clasificarea aminoacizilor in functie de structura catenei laterale 1. Aminoacizi alifatici

2. Aminoacizi aromatici Contin un nucleu aromatic in catena laterala.

3. Aminoacizi heterociclici Contin un nucleu heterociclic in catena laterala, in cazul Trp si His, iar Pro este un iminoacid, grupa imino (-NH-) fiind inclusa in heterociclu.

heterociclu indolic

heterociclu imidazolic

heterociclu pirolidinic

Hidroxiaminoacizii Sunt aminoacizi ce conţin în catena laterala grupa alcoolică. Dintre aminoacizii proteinogeni, în această grupă intră serina, treonina si tirozina.

alifatici

aromatic

Aminoacizi cu S

Cystine (Cys-Cys)

Prin decarboxilarea acidului aspartic rezultă β-alanina. Intră în structura unor compusi biologici importanti (ac. pantotenic), în dipeptidele din muşchi (carnozina şi anserina).

Ac. γ-aminobutiric (GABA) format prin decarboxilarea ac. glutamic, este un component al ţesutului cerebral cu rol în transmiterea impulsurilor nervoase.

• Sarcozina, derivatul N-metilic al glicocolului are acţiune antitumorală prin blocarea sintezei bazelor purinice. • Prin metilare se formează derivatul cuaternar de amoniu al glicinei, denumit betaina, cu rol lipolitic.

Ca si clasa de compusi organici, derivatii metilati cuaternari ai aminoacizilor sunt denumiti betaine

cod 3-litere

cod 1 literă code

Alanină

ALA

A

Arginină

ARG

R

Asparagină

ASN

N

Aspartat

ASP

D

Cisteină

CYS

C

Acid glutamic

GLU

E

Glutamină

GLN

Q

Glicină

GLY

G

Histidină

HIS

H

Isoleucină

ILE

I

Leucină

LEU

L

Lizină

LYS

K

Metionină

MET

M

Fenilalanină

PHE

F

Prolină

PRO

P

Serină

SER

S

Treonină

THR

T

Triptofan

TRP

W

Tirosină

TYR

Y

Valină

VAL

V

Denumirea (Residue)

Proprietăţi ale aminoacizilor • Aspect: aminoacizii sunt substanţe albe, cristalizate • Puncte de topire: ridicate (peste 200oC) descompunere; nu pot fi distilaţi, nici chiar în vid.

cu

• Solubilitate: - toţi aminoacizii sunt solubili în acizi şi baze diluate; - in apa sunt mai usor sau mai greu solubili in functie de polaritatea catenei laterale; - în solvenţi organici sunt insolubili

Caracterul amfoter al aminoacizilor 1. Monoaminoacizii monocarboxilici exista in solutie sub forma de molecule dipolare, avand atat sarcini pozitive, cat si negative: - grupa alfa-carboxil disociaza si ramane cu o sarcina negativa. - grupa amina se protoneaza si se incarca pozitiv. . .

Caracterul amfoter al aminoacizilor Datorită protolizei intramoleculare, aminoacizii au structura unor amfioni sau ioni bipolari.

Datorită acestui caracter amfoter, formează săruri atât cu acizii cât şi cu bazele, comportandu-se în mediu acid ca baze iar în mediu bazic ca acizi:

În ambele cazuri pH-ul soluţiei nu se schimbă în mod apreciabil. Pe această proprietate a lor se bazează utilizarea aminoacizilor ca soluţii 58 tampon.

Caracter amfoter 2. La pHuri acide (scazute), grupa -COO- accepta un proton, iar molecula ramane cu o sarcina pozitiva, transformandu-se intr-un cation.

Caracter amfoter 3. La pHuri alcaline (ridicate), grupa NH3+ cedeaza un proton, iar molecula ramane cu o sarcina negativa, transformandu-se intr-un anion.

Caracter amfoter 4. Unii aminoacizi contin grupe disociabile si in catena laterala: - acidul aspartic si acidul glutamic contin grupa COOH in catena laterala, care cedand un proton, transforma molecula aminoacidului intr-un anion. - lizina, arginina si histidina pot accepta un proton in catena laterala, astfel rezultand un cation. 5. Gradul de disociere a grupelor functionale ale aminoacizilor depinde de pHul si de pKa ale acestor grupe. De exemplu, acidul glutamic are 3 protoni disociabili, cu valori ale pKa = 2,19, 4,25 si 9,67.

Punct izoelectric • La o anumită concentraţie a H+, aminoacidul devine neutru deoarece gruparea aminică şi cea carboxilică disociate în aceeași măsură şi deci molecula este neutră din punct de vedere electric. • pH-ul la care soluţia unui aminoacid conţine anioni şi cationi în proporţie egală poarta denumirea de punct izoelectric, se notează cu pHi sau pI fiind o constantă foarte importantă a aminoacizilor. • Fiecare aminoacid are un pHi specific, la care are solubilitate si reactivitate chimică minimă; prin urmare, punctul izoelectric este pHul la care se poate realiza precipitarea unui aminoacid din solutia in care este dizolvat. • Valorile punctului izoelectric variază între 2,9 şi 12,5 şi se determină in general prin metode potenţiometrice.

Noțiuni de stereoizomerie • Stereochimia înseamna cunoasterea aranjarii spatiale a atomilor în moleculele compusilor organici si a proprietatilor, fizice si chimice, care se datoreaza acestei aranjari spatiale. • Aranjarea spartiala a atomilor intr-o molecula poate fi redata prin:  conformatie, care descrie așezarea spatiala a atomilor, care rezulta ca urmarea a rotatiei (torsiunii) libere în jurul unei legaturi simple de tip sigma ( C – C; C – O; C –N; N – N, N – O, etc.)  configurație, care descrie aranjarea spatiala a atomilor într-o molecula fara a lua în considerare asezarile spatiale care pot sa apara ca urmare a torsiunii în jurul unor legaturi simple. • Compușii care au aceeași constituție (aceeași formula moleculara) dar au configurații și/sau conformații diferite se numesc izomeri sterici (stereoizomeri). . 63

Notiuni de stereoizomerie • În cazul izomerilor de configuratie, trecerea unui izomer in altul se face prin scindarea si refacerea a cel putin doua legaturi covalente, ceea ce necesita o cantitate mare de energie, care apare doar în reactiile chimice (entalpia de reactie). • În schimb, în marea majoritate a cazurilor, trecerea unui izomer de conformatie în oricare altul necesita o cantitate relativ mica de energie pentru ca nu este vorba de scindarea sau formarea unor legaturi covalente

Izomeria de configuratie În functie de diferentele de configuratie care pot sa apara între izomeri, izomeria de configuratie poate sa fie de mai multe feluri : - izomeria optica sau enantiomeria; - diastereoizomeria sau izomeria sterica de distanta; Diasteroizomeria poate sa fie la rândul ei de doua feluri: - diastereoizomeria optica; - diastereoizomeria “cis-trans” sau “geometrica”.

Izomeria optica (enantiomeria) • Obiectele tridimensionale care nu sunt superpozabile cu imaginea lor in oglinda (cum sunt mana stanga si mana dreapta) sunt denumite obiecte chirale şi prezintă proprietatea denumită chiralitate. Această proprietate înseamnă că obiectul şi imaginea sa de oglindire nu sunt superpozabile şi sunt de fapt obiecte diferite. • Moleculele, care sunt şi ele obiecte aşezate în spaţiu, pot să prezinte de asemenea imagini de oglindire superpozabile sau nesuperpozabile. • Cele care nu sunt superpozabile cu imaginea lor in oglinda prezintă chiralitate, sunt chirale şi ca urmare apar în două configuraţii diferite care reprezintă doi izomeri de configuraţie. • Astfel de izomeri de configuraţie sunt denumiţi enantiomeri sau izomeri optici.

Exemple de enantiomeri  Cel mai frecvent este cazul unor molecule care au un atom hibridizat sp3 de care sunt legati patru substituenti diferiti.  Când acest atom este carbonul (cum este în majoritatea compusilor organici) atunci acest atom este denumit atom de carbon asimetric si este notat într-o molecula cu simbolul: C*.  Compusii care au un astfel de atom prezinta “chiralitate centrala”.  O molecula simpla, cu un singur atom de carbon si cu patru atomi diferiti legati de acest atom este clorobromofluorometanul, care, reprezentat printro formula de perspectiva, nu se suprapune cu imaginea sa de oglindire.

Proprietăţile enantiomerilor • Atunci când o moleculă prezintă chiralitate, cei doi izomeri care apar au aceeaşi constituţie, ceea ce înseamnă că au aceeaşi atomi care sunt legaţi în acelaşi fel. • Lungimile de legătură şi unghiurile de valenţă sunt identice, deci şi energiile lor interne sunt identice. • Din acest motiv cei doi enantiomeri au practic aceleaşi proprietăţi fizice şi chimice şi se obţin în proporţie egală prin metodele de sinteză obişnuite. • Astfel, cei doi enantiomeri au acelaşi: punct de topire, punct de fierbere, densitate, indice de refracţie, solubilitate, prezintă acelaşi spectru de UVVIZ, IR, RMN sau spectru de masă. • Reacţionează la fel cu diverşi reactanţi şi dau aceeaşi produşi.

69

Proprietăţile enantiomerilor • Singura diferenţă care se poate face, din punct de vedere fizic, între cei doi enentiomeri, este sensul de rotire al planului luminii polarizate. • Proprietatea de a roti planul luminii polarizate este specifica enantiomerilor, este denumită activitate optică şi se masoara cu ajutorul unui instrument denumit polarimetru.

70

Proprietăţile enantiomerilor Activitatea optică a unui enantiomer se exprimă prin activitatea specifică, [α]D măsurată la 200C, care este definită ca unghiul de rotaţie al planului luminii polarizate pentru o soluţie de 1g/cm3, la o lungime cuvei de 1dm:

unde: - α este unghiul măsurat, - c este concentraţia în g/cm3 -l este lungimea stratului în dm. Pentru cei doi enantiomeri valoarea unghiului este aceeaşi doar sensul este opus: enantiomerul care deviază planul de polarizare spre dreapta (cu un unghi +α) este denumit dextrogir pe când cel care deviază planul spre stânga (cu un unghi -α) este levogir. 71

Izomeria optica (enantiomeria) aminoacizilor • Aminoacizii, cu excepţia L-prolinei, sunt α-aminoacizi.

• Cu exceptia glicinei, atomul de carbon α al aminoacizilor este un atom de carbon asimetric = chiral, care conduce la aparitia izomeriei optice = enantiomeriei. • Izomeria optică (enantiomeria) apare atunci când moleculele nu prezintă elemente de simetrie înalte, adică nu prezintă centru de simetrie (sau de inversie), plan de simetrie sau axe de simetrie de ordin superior.

72

Enantiomeria aminoacizilor • Enantiomeria rezultată prin prezenţa unui atom de carbon asimetric (centrul de chiralitate) apare frecvent la o serie de compuşi naturali importanţi pentru procesele biochimice care au loc în organismele vii. • Un astfel de compus este glicerinaldehida,

cu a carei structura sunt comparate structurile aminoacizilor. • Cei patru substituienţi diferiţi ai atomului de carbon asimetric C* al glicerinaldehidei sunt: : -H, -OH, -CH=O, -CH2OH

73

Conventie Dacă formula glicerinaldehidei sau a aminoacidului este scrisă astfel încât atomul de carbon oxidat (la glicerinaldehidă gruparea aldehidă, iar la aminoacid gruparea carboxil) se găseşte în cea mai îndepărtată poziţie (sus) iar gruparea alcoolică secundară a glicerinaldehidei sau gruparea alfa amino a aminoacidului se găseşte la stânga faţă de linia verticală care reprezintă lanţul atomilor de carbon, combinaţia aparţine seriei L

L şi D-izomerii sunt unul fata de celalalt ca un obiect si imaginea lui în oglindă.

74

Cei doi enantiomeri ai glicerinaldehidei în formule de perspectiva (a şi b) şi de proiectie Fisher (a’şi b’) 75

CH=O

H

CH=O

CH2OH OH

HOH2C HO

CH=O H

H

CH=O OH

CH2OH

HO

H CH2OH

Observaţie importantă:  Sensul rotaţiei optice, datorată carbonului optic activ, nu depinde de apartenenţa la una din seriile sterice L sau D desemnate conventional (notaţiile D şi L sunt doar o denumire a configuraţiei şi nu reprezintă şi activitatea optică, o mărime care se măsoară experimental) .  Sensul rotaţiei se determina experimental si se notează (+), pentru dreapta si (-) pentru stanga. De exemplu, D-alanina roteşte planul luminii polarizate la stânga (-), iar Lalanina, spre dreapta (+), in timp ce D-glicerinaldehida roteşte planul luminii polarizate la dreapta (+), iar L-glicerinaldehida spre stanga (conform acestei convenţii, enantiomerul dextrogir al glicerinaldehidei va fi denumit D-(+)glicerinaldehida iar enantiomerul levogir va fi denumit L-(-)-glicerinaldehida) .

• Cu unele excepţii, aminoacizii naturali aparţin seriei L deoarece organismele vii nu sintetizează enzimele necesare metabolizării Daminoacizilor. • 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.

Aminoacizii pot fi obţinuţi în stare liberă prin hidroliza chimică sau enzimatică a proteinelor, care sunt polimeri ai aminoacizilor,