BIOCHIMIE-capitole specialeObiectiveRecunoaterea i definirea unor termeni specifici biochimiei.

Cunoaterea principalelor clase de constitueni structurali ai lumii vii.

Cunoaterea mecanismelor de biosintez i degradare care au loc n natur.

nelegerea mecanismelor biocatalitice ce guverneaz procesele metabolice i degradative prezente n natur.Sl. dr. ing. Cristian Boscorneaboscornea_cristian@yahoo.com0745186652CapitolulContinutulOreIntroducere Compoziia chimic a sistemelor vii. Organizarea moleculara a sistemelor biologice. Termodinamica proceselor biochimice.2Apa n procesele biochimice.Structura i proprietile fizico-chimice ale apei. Rolul apei. Influena activitii apei asupra reaciilor chimice i biochimice n alimente. Interaciuni hidrofobe. 2Proprietile fizico-chimice i funcionale ale glucidelor.Glucide. Rspndire i importan. Monoglucide. Structur, izomerie. Proprieti fizicochimice. Oligoglucide. Poliglucide. Glicozide. Reprezentani.4Proprietile fizico-chimice i funcionale ale proteinelor.Proprietile fizico-chimice ale aminoacizilor. Clasificarea proteinelor.Organizare structurala la nivel supramolecular. Proprietile funcionale ale proteinelor. Activitatea chimic a proteinelor.4Proprietile fizico-chimice i funcionale ale lipidelor.Structura i proprietile fizico-chimice a lipidelor. Acizii grai, gliceride, lipide complexe. Proprietile funcionale a lipidelor. Interaciuni hidrofobe. Modificarea lipidelor prin hidroliz, degradarea oxidativ i degradarea termic. 2EnzimeNatura i structura enzimelor. Proprietile fizico-chimice i catalitice. Clasificarea, nomenclatura i simbolistica. Specificitate. Cinetica reaciilor enzimatice. Coenzime. Nomenclatur i clasificare. Structur. Proprieti. 4Procese biochimice de transformare a polizaharidelorMetabolismul glucidelor. Procese anabolice. Chimiosinteza. Fotosinteza.Biosinteza oligoglucidelor i poliglucidelor. Catabolismul glucidelor. Degradarea oxidativ a glucidelor. Glicoliza. Ciclul lui Krebs. Calea pentozofosfailor. Aplicatii industriale6Procese biochimice de transformare a lipidelorMetabolismul lipidelor. Digestia i absorbia lipidelor. Biosinteza lipidelor.Biosinteza acizilor grai. Biosinteza trigliceridelor. Biosinteza fosfolipidelor.Catabolismul lipidelor. Catabolismul acizilor grai liberi. Aplicatii industriale4BIBLIOGRAFIE C. Tarabasanu, C. Boscornea, V. Gorduza, "Compusi naturali - alimente", Ed. SemnE, 2001 (http://www.upb-coloranti.yzi.me/carte-1.html)

2. A. Popescu, Biochimie general, Partea I, Ed. Printech, 2001.

3. A. Popescu, Biochimie general, Partea a II-a, Ed. Printech, 2002.

4. David L. Nelson, Michael J. Cox, Lehninger Principle of biochemistry, W. H. Freeman; Sixth Edition, (http://bcs.whfreeman.com/lehninger6e), 2013.

5. Pamela C Champe, Richard A Harvey Biochimie Ilustrat, Ed. Callisto, 2010.

6. Christopher K. Mathews, Kensal E. van Holde, Dean R. Appling, Spencer J. Anthony-Cahill, Biochemistry 4/E, Prentice Hall, 2012, http://www.learningace.com

7. Reginald H. Garrett, Charles M. Grisham, Biochemistry, ed. III, Cengage Learning, 2007 (http://dwb.unl.edu/)Activitate individual (teme de rezolvat)20% din nota finalActivitate de laborator30% din nota final-prezenta la toate laboratoarele

Examen final 50% din nota finalEvaluarePlatforma Moodle - http://cursuri.chim.upb.ro/

BIOCHIMIA descrie:structura i proprietile compuilor materiei vii;transformrile acestor compui n organism; relaiile ntre diferitele etape metabolice.

BIOCHIMIA = tiina care studiaz compoziia i procesele chimice ale materiei vii;

-este o tiin modern, cu caracter complex, care are drept material de studiu materia vie i fenomenele specifice acesteia, din punct de vedere al organizrii, compoziiei i structurii biomoleculelor componente, precum i al proceselor complexe de transformare a acestora, n corelaie cu efectele energetice asociate reaciilor metabolice. 5Istoria biochimiei-poate fi considerata ca incepand cu lucrarea Lifetime a lui Philippus Aureolus Paracelsus (14931541)-medic si alchimist suedez care proclama Procesele vitale sunt n esen de natur chimic i bolile pot fi vindecate prin medicamente.

-Karl Wilhelm Scheele (17421786)-un farmacist suedez,care descopera compozitia chimica a unor materiale de origine vegetala si animala. Izoleaza acidul citric din sucul de lamaie, acidul lactic din laptele acru, acidul malic din mere si acidul uric din urina.

-Antoine Lavoisier (17431794), chimist francez dezvolta conceptul de oxidare si clarifica natura respiratiei animale. El concluzioneaza ca respiratia este echivalenta combustiei si desi este mai lenta nu este esential diferita de aceasta. Este considerat parintele biochimiei moderne.

-in 1828, Friedrich Whler, chimist german, sintetizeaza ureea, substanta de natura biologica din cianat de amoniu (compus anorganic).

-Pierre Eugene Marcellin Berthellot (18271907) chimist francez a sintetizat o serie de compusi organici (alcool metilic, alcool etilic, metan, benzen, acetilena) din compusi anorganici.

-Hermann Emil Fischer (1852-1919)-biochimist german a studiat structurile carbohidratilor, aminoacizilor i grsimilor.

-Claude Bernard (18131878) descopera glicogenul din ficat si relatia glucidelor din sange cu starea de sanatate. -Louis Pasteur (18221895) microbiolog francez, studiaza procesele de fermentatie, izoleaza cateva organisme capabile de a produce fermentatia si introduce conceptele de organisme aerobe si anaerobe.

-Soren Srensen (18681939)-chimist danez dezvolta conceptul de pH;

-1918 - Gustav Embden si Otto Meyerhof explica din punct de vedere chimic mecanismul glicolizei si identifica toate reactiile care au loc.

-1926, James B. Sumner (18871955) cristalizeaza enzima ureaza din extract de fasole si demonstreaza natura ei proteinica.

-1930 - Leonor Michaelis si Maud Menten publica principiul de formare a compusului chimic ntre enzim i substrat sustinut pe baze experimentale. (cinetica Michaelis-Menten).

-1937 - Albert Szent-Gyrgyi si Hans Adolf Krebs clarifica ciclul Krebs-ciclul acidului citric.

-1941 - Fritz Albert Lipmann (18991986) si Kurt Henseleit fac observatii notabile privind utilizarea ATP ca rezervor de energie in organismele vii.

-1951 - Linus Carl Pauling (19011994) si Robert Corey (18971971) dezvolta conceptul de structura secundara a proteinelor in forma -helix.-1953- James Dewey Watson si Francis Harry Compton Crick propun structura de dubla elice pentru molecula de ADN.

1959 Max Perutz determina structura 3-D a hemoglobinei.

1966 incep studiile pentru descifrarea codului genetic.Biochimia este astazi o stiinta multidisciplinara - pentru a o intelege sunt necesare cunostinte de fizica, chimie, genetica, fiziologie, biologie celulara, microbiologie, evolutionism.

Moleculele chimice sunt entitati lipsite de viata. Dar in numar si complexitate corespunzatoare, ele compun lucrurile vii.

Aceste sisteme vii sunt distincte si diferite de lucrurile neinsufletite printr-o serie de proprietati extraordinare: se pot dezvolta, se pot misca, pot efectua incredibila chimie a metabolismului, pot raspunde la stimuli exteriori din mediul inconjurator si mai ales se pot reproduce cu fidelitate exceptionala.

Structura complexa si comportamentul organismelor vii pot fi intelese si descrise numai prin cunoasterea structurii lor moleculare. Chimia celulei vii seamana cu chimia reactiilor organice.

Chimistii organicieni sunt mai interesati de desfasurarea reactiilor in laborator in timp ce biochimistii incearca sa inteleaga cum au loc acestea in organismele vii.Albert Lester Lehninger (februarie 17, 1917 Martie 4, 1986)-biochimist american.A fost profesor la University of WisconsinMadison, University of Chicago si Johns Hopkins University din Baltimore.-este autorul celor mai importante tratate de biochimie adunate sub denumirea Principiile biochimiei - Principles of biochemistry.

Lehninger a enuntat o serie de axiome care stau la baza existentei si functionarii organismelor vii:Exist o simplitate de baz n structura moleculelor biologice.

Toate organismele vii folosesc aceleai tipuri de molecule pentru construirea biomoleculelor i, astfel, par s aib un strmo comun.

Identitatea fiecrei specii sau organism este conservata prin posesia de seturi distinctede acizi nucleici i proteine.

Toate biomoleculele au functii specifice in celule.

Organismele vii creaza i menin structuri complexe, ordonate, pe seama energiei libere din mediul lor, returnand catre acesta energie in forme mai putin utile.

Celulele vii sunt motoare chimice care funcioneaz la temperatur constant.

Necesitile de energie ale tuturor organismelor sunt asigurate, direct sau indirect, de ctre energia solar.

Organismele vegetale si animale sunt dependente unele de altele prin schimburi de energie i materie prin intermediul mediului.Celulele vii sunt motoare chimice autoreglate, care funcioneaza pe principiul deeconomie maxim.

Informaia genetic este codificat n uniti de dimensiuni submoleculare; aceste uniti sunt cele patru tipuri de nucleotide din care este compus ADN.

Celula vie este un sistem izoterm de molecule organice auto-asamblabil, auto-reglabil, auto-perpetuabil care extrage energia liber i materii prime din mediul su.

Celula vie efectueaz mai multe reacii consecutive organice promovate de catalizatori organici, pe care ea nsi ii produce.

Celula vie se menine ntr-o stare de echilibru dinamic propriu care funcioneaz pe principiul economiei maxime de parti i procese.

Sistemul foarte precis de auto-replicare de-a lungul multor generaii este asigurat de o auto-reparare a sistemului liniar de codificare.Materia vie este format din dou grupe principale de substane:substane anorganice reprezentate de apa si saruri minerale;

- substane organice reprezentate de: glucide, lipide, protide, acizi nucleici, vitamine, hormoni, pigmeni, enzime.Peste 99% din atomii prezenti in organismele vii sunt asigurati de numai 4 elemente: carbon, oxigen, hidrogen si azot.

Hidrogenul si oxigenul sunt constituenti ai apei ce formeaza circa 60-70% din masa celulelor.

Carbonul, hidrogenul, oxigenul si azotul sunt constituentii principali ai compusilor organici de care depind procesele fundamentale ale vietii;

Pe langa acestea compusii organici din organismele vii mai contin sulf si fosfor.

Cele sase elemente chimice sunt esentiale pentru toate organismele vii.Al doilea grup de elemente, care reprezinta circa 0.5% din masa celulelor sunt ionii anorganici constituiti din:metale alcaline (sodiu si potasiu), -metale alcalino-pamantoase (magneziu si calciu);clor. Clorul se gaseste intotdeauna in forma ionica in componenta celulelor.

Cele doua grupuri constituie grupul macroelementelor.Al treilea grup este constituit din elemente prezente in cantitati foarte mici dar care sunt esentiale in functionarea organismelor avand in special un rol biocatalitic in procesele metabolice din organisme: fier, zinc, cupru, mangan, cobalt, etc.

De asemeni iodul si seleniul intra in aceasta categorie.

Toti acesti compusi fac parte din grupul microelementelor (sau oligoelemente).14Cele mai abundente sase elemente sunt in rosu (CHNOPS)Cei cinci ioni esentiali in violet Microelementele in albastru inchis (cele mai comune) si albastru deschis (mai putin comune)

15Chimia vietii este chimia carbonului. De ce?

-Ce proprietate unete H, O, C, i N i face aceste atomi att de potriviti pentru chimia vietii?

Este capacitatea lor de a forma legturi covalente prin punerea in comun a electronilor.

n plus, H, C, N, O se numr printre cele mai usoare elemente din tabelul periodic capabile s formeze astfel de legaturi.

Deoarece taria legaturilor covalente este invers proporional cu masele atomice ale atomilor implicati, H, C, N, O vor forma i cele mai puternice legturi covalente.Doua proprietati ale legaturilor covalente ale carbonului merita o atentie speciala:-abilitatea carbonului de a forma legaturi cu el insusi;

-structura tetraedrica a carbonului atunci cand formeaza legaturi covalente simple care confera posibilitatea obtinerii unei mari varietati de compusi lineari, ramificati sau ciclici ai carbonului.

Diversitatea acestor compusi este multiplicata de posibilitatea includerii atomilor de H, O si N in structura compusilor formati.

Scoarta pamantuluiCorpul umanElement % (atom)Element % (atom)H 0.22 H 63 O 47 O 25.5 C 0.19 C 9.5 Ca 3.5 Ca 0.31 Na 2.5 Na 0.03 K 2.5 K 0.06 Mg 2.2 Mg 0.01 Ti 0.46 S 0.05 Si 28 Cl 0.08 Fe 4.5 P 0.22 Al 7.9 N 1.4 16

Structura liniara (acidul stearic)

Structura ciclica(colesterol)

Structura ramificata (-caroten)

Structura planara (-clorofila)17-compozitia corpului uman difera mult de cea a scoartei PamantuluiAr putea exista viata avand la baza alt element chimic?-un candidat ar putea fi siliciul?CarbonSiliciuObs.Structura 1s22s22p21s22s22p43s23d03p2-pentru a completa ultimul strat in cazul C avem nevoie de numai 4e ceea ce face ca legaturile covalente formate sa fie foarte puternice in timp ce pentru Si sunt necesari 14e.Formarea de legaturi cu el insusiFoarte bunaSe cunosc putini compusi in stare naturala cu mai mult de 3 atomi de Si uniti intre ei.Legaturile siliciu-siliciu sunt mai putin puternice, ele devenind instabile n prezenta a multor lichide, mai ales n prezenta apei. Si realizeaza greu legaturi duble si triple, ceea ce limiteaza gama de compusi chimici bazati pe siliciu.

Reactia cu O2-rezulta CO2, un gaz-rezulta SiO2, solidCO2 se combina usor, la rndul lui, cu alti compusi chimici, iar legatura dintre carbon si oxigen se poate rupe usor n cadrul unor procese biochimice, cum este cel de fotosinteza.

Cu siliciul lucrurile stau cu totul altfel. Si el se combina usor cu oxigenul, numai ca bioxidul de siliciu rezultat n urma reactiei este un solid, foarte stabil din punct de vedere chimic.

18Se pot pune in evidenta cateva dintre caracteristicile pe care ar trebui sa le ndeplineasca un anumit element chimic pentru a sta la baza materiei vii.

1.Elementul ce sta la baza vietii trebuie sa fie suficient de abundent pe planeta, pentru a favoriza reactiile chimice prebiotice.

2. Acesta trebuie sa poata participa la ciclurile bio-geo-chimice din ansamblul biosferei, atmosferei, oceanelor, pentru a favoriza dezvoltarea ecosistemelor.

3. Atomii de baza ai materiei vii trebuie sa formeze cel putin trei legaturi chimice, pentru a realiza un sistem de biopolimeri tridimensionali.

4. Legaturile chimice dintre atomii care alcatuiesc materia vie trebuie sa fie suficient de stabile, pentru a evita ca structura creata sa fie distrusa la variatii foarte mici ale conditiilor exterioare.19Avem nevoie de carbon si de ce altceva?

n cazul cunoscut de noi, avem nevoie de apa n stare lichida. Sa enumeram cteva dintre caracteristicile apei, care o fac de nenlocuit pentru desfasurarea proceselor biologice.

n stare lichida, apa prezinta avantajul ca poate ajuta formele vii, dizolvnd componentii, transportnd moleculele cheie si activnd reactiile chimice.

Apa este un solvent universal. Atomii de hidrogen din compozitia ei se pot lega usor cu alte molecule.

Datorita structurii sale, apa permite constructia enzimelor, macromolecule care catalizeaza reactiile chimice. n absenta apei si enzimelor, nu s-ar putea realiza reactiile metabolice din celule.

Apa are o proprietate extrem de importanta: cea mai ridicata caldura specifica dintre substantele cunoscute. Altfel spus, este nevoie de o cantitate mare de caldura pentru a ridica cu putin temperatura apei. Aceasta calitate a apei face ca ea sa poata juca rolul unui excelent regulator termic. Reactiile biochimice necesita legaturi chimice specifice sau anumite grupari functionale. Cele mai importante astfel de centre de reactie sunt prezentate in continuare:Compusi organici

Grupari functionale:Legaturi in compusi biochimici

21

MacromoleculeCele mai importante biomolecule sunt macromoleculele.

Macromoleculele biologice sunt forme polimere formate prin unirea mai multor molecule organice mici (monomeri) prin condensare cu eliminare de apa.

Fiecare monomer incorporat intr-un lant macromolecular poarta numele de rest.

In unele cazuri (de ex. carbohidratii) un singur rest este repetat de mai multe ori, in alte cazuri (proteine sau acizi nucleici) o varietate de resturi este legata intr-o anumita ordine. Fiecare rest dintr-un polimer este adaugat prin aceasi reactie catalizata de o enzima.

Toate resturile dintr-o macromolecula sunt aliniate in aceasi directie iar capetele macromoleculei sunt chimic distincte.Polipeptidele se formeaza prin legarea gruparii COO- din pozitia a unui aminoacid de gruparea aminica din pozitia a altui aminoacid.Polizaharidele se formeaza prin legarea atomului de C din pozitia 1 a unui rest de glucoza de hidroxilul din pozitia 4 al altui rest de glucoza.

23Macromoleculele biologice sunt structuri informationale

Intrucat macromoleculele biologice au un sens in structura lor, ordinea secventiala a componentelor din care sunt construite are capacitatea de a furniza informatii asemenea literelor alfabetului care pot forma cuvinte prin aranjare intr-o secventa liniara.

Nu toate macromoleculele biologice sunt bogate in informatii. Polizaharidele sunt compuse din aceleasi unitati structurale repetate atat in celuloza cat si in amidon, fiind homopolimeri ai glucozei.

24Pe de alta parte proteinele si nucleotidele sunt compuse din unitati aranjate intr-o structura putin repetitiva, unica, asemanatoare cu literele si semnele de punctuatie de formeaza o propozitie descriptiva. n aceste secvene unice se afl sensul. Pentru a discerne sensul, desigur este nevoie de un mecanism de recunoatere.

Un segment de polipeptidaUn fragment de ADNTipuri de macromoleculeA. Proteine

AminoacidDipeptidaProteinaB. Polizaharide rol de stocare a energiei sau elemente structurale;-functioneaza ca enzime sau ca elemente structurale ale celulelor si organismelor

GlucozaPolizaharid (Celuloza)26C. Acizi nucleici-formati din mai multe nucleotide. Nucleotidele contin un monozaharid cu 5 atomi de carbon, o baza azotata heterociclica si cel putin o grupa fosfat.

Adenozintrifosfat (ATP)- adenina +riboza +fosfat

timina

DinucleotidaFragment de ADNadeninaDezoxi riboza27Lipide si membrane-lipidele sunt molecule bogate in carbon si hidrogen, dar cu un continut mic de oxigen;-multe lipide nu sunt solubile in apa, dar solubile in solventi organici.-cele mai simple lipide sunt acizii grasi, ce intra in componenta glicerofosfolipidelor, care se gasesc in membranele biologice.-tot lipide sunt si steroizii (colesterolul , de ex.) si cerurile.-lipidele au un cap polar , hidrofil si o coada nepolara, hidrofoba. In mediu apos moleculele lipidice se asociaza formand un strat bilipidic, componentul de baza al tuturor membranelor biologice.

Cap polar(hidrofil)Coada nepolara(hidrofoba)

Strat bilipidicProteine28Schimburile de materie i de energie dintre organism i mediu, care definesc nsi viaa, implic desfurarea unui numr mare de reacii chimice, care alctuiesc metabolismul, cu dou laturi principale: catabolismul (degradarea constituenilor celulari la compui mai simpli) implic procese exergonice, n care se produce energie;

anabolismul (edificare i refacerea constituenilor celulari) decurge prin reacii endergonice, n care se consum energia mobilizat n procesele catabolice.

Organismele vii sunt deci sisteme deschise, aflate ntr-un permanent schimb de energie i materie cu mediul nconjurtor, constituind sediul unui triplu flux, de materie, de energie i de informaie.