Elemente caracteristice compusilor biologiciReactiile 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

R OH R C

O

H R1 C

O

R2 R C

O

OH

Alcooli Aldehide Cetone Acizi carboxilici

R SH R NH2 R1 NH

Tioli

R2

R1 N

R2

R3

Amine

OH C

O

R C

O

C

O

O

Hidroxi Acil Carbonil Carboxil

SH NH2 NH3

Tiol Amino

O P

O

O

O

P

O

O

O

Fosfat Fosforil

C O C

O

C O C N C

O

Esterica Eterica Amidica

C O P

O

O

O

O P

O

O

O P

O

O

O

Fosfoester Fosfoanhidrida

Biomolecule-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 aceeasi 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 α a unui aminoacid de gruparea aminica din pozitia α 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.

Macromoleculele 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.

IF

R

M

AT

I

I

INFORMATII

Pe de alta parte proteinele si acizii nucleici sunt compusi din unitati aranjate intr-o structura putin repetitiva, unica, asemanatoare cu literele si semnele de punctuatie de formeaza o propozitie descriptiva. În aceste secvenţe unice se află sensul. Pentru a discerne sensul, desigur este nevoie de un mecanism de recunoaştere.

Un segment de polipeptida

Un fragment de ADN

Tipuri de macromoleculeA. Proteine

Aminoacid Dipeptida

Proteina

B. Polizaharide –rol de stocare a energiei sau elemente structurale;

-functioneaza ca enzime sau ca elemente structurale ale celulelor si organismelor

Glucoza Polizaharid (Celuloza)

C. 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

Dinucleotida Fragment de ADN

adeninaDezoxi riboza

Lipide 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 bilipidic

Proteine

Macromoleculele au proprietati care sunt foarte diferite de monomerii constituenti. De exemplu, amidonul nu este solubil in apa si nu are gust dulce, desi este un polimer al glucozei.

Aceste observatii conduc la principiul general al organizarii ierarhice a vietii. Fiecare nou nivel de organizare are ca rezultat proprietati care nu pot fi prezise numai de cele de la nivelul anterior. Nivelele de complexitate sunt in ordine crescatoare atomii, moleculele, macromoleculele, organitele, celulele, tesuturile, organele si apoi organismul.

OBS. In discutiile referitoare la molecule si macromolecule ne referim adesea la greutatea moleculara a unui compus. Un termen mai precis pentru greutatea moleculara este masa moleculara relativa Mr –masa unei molecule in raport cu 1/12 din masa unui atom al izotopului de carbon 12C. Din cauza ca Mr este o cantitate relativa, nu are unitati de masura.

Ex. Masa moleculara relativa a unei proteine tipice este 38000. Masa moleculara absoluta are aceiasi valoare ca si masa moleculara relativa cu exceptia faptului ca este exprimata in unitati numite daltoni (unitati de masa u - 1 dalton (Da)).

1Da=1,660538921(73)×10−27 kg

Tot masa moleculara este numita foarte des si masa molara care reprezinta masa (masurata in grame) a unui mol (Molul este cantitatea de substanta din sistem ce contine atâtea entitati elementare cati atomi sunt in 0.012kg de 12C respectiv 6.02214179(30)×1023 ).

De ex. Masa moleculara a unei proteine tipice este de 38000 daltoni ceea ce inseamna ca 1 mol de proteina cantareste 38kg.

Angström (Å) (1Å = 10−10 metri = 10−8 centimetri = 0.1 nanometri)

Comparatia biomoleculelor din punct de vedere al lungimii

Precursorii de baza pentru formarea biomoleculelor sunt apa, dioxidul de carbon, si trei derivati anorganici ai azotului (ionul amoniu, ionul azotat si azotul molecular). Procesele metabolice asimileaza si transforma acesti precursori anorganici pe nivelele tot mai complexe ale ordinii biomoleculare.

In prima etapa precursorii sunt convertiti in metaboliti, compusi organici simpli cu rol de intermediari in transformarea energiei celulare si in biosinteza unui set variat de unitati constituente: amino acizi, zaharuri, nucleotide, acizi grasi si glicerina.

Prin legarea covalenta a acestor unitati se construiesc macromoleculele: proteine, polizaharide, polinucleotide (ADN si ARN), lipide. Lipidele contin relativ putine unitati constituente si nu au un caracter polimer ca alte macromolecule, dar participa cu un rol important la nivelul urmator de complexitate structurala.

Interactiunile intre macromolecule conduc la urmator nivel de organizare structurala: complecsii supramoleculari. In acest caz diferiti membri ai uneia sau mai multor clase de macromolecule formeaza impreuna ansambluri specifice care servesc importante functiuni la nivel subcelular. Exemple de astfel de ansambluri sunt complecsi enzimatici multifunctionali, ribozomii, cromozomii, elemente ale citoscheletului.

Urmatorul nivel il reprezinta organitele, entitati de dimensiuni considerabile comparabile cu celula insasi. Organitele se gasesc numai in celulele eucariote, specifice organismelor evoluate. Organitele includ nucleul, mitocondriile, cloroplastele, reticulul endoplasmatic, aparatul Golgi şi vacuole precum şi alte relativ mici incluziuni celulare, cum ar fi peroxizomi, lizozomi, şi cromoplaste.

Ultimul nivel de organizare, celula este caracterizata ca fiind unitatea esentiala a vietii, cea mai mica entitate capabila sa prezinte toate atributele unic asociate starii vii: dezvoltare, metabolism, raspuns la stimuli, si multiplicare.

Ansamblurile supramoleculare-sunt contrastante fata de componentele lor prin faptul ca integritatea lor structurala este mentinuta prin legaturi necovalente de tipul legaturilor de hidrogen, atractii ionice, forte van der Waals sau interactii hidrofobe intre molecule. Aceste forte mentin ansamblurile supramoleculare intr-o stare functionala inalt organizata.

Deşi forţele necovalente sunt slabe (mai puţin de 40 kJ / mol), acestea sunt numeroase în aceste ansambluri şi, astfel, pot menţine arhitectura esenţială a complexului supramolecular în condiţii de temperatură, pH, si tarie ionică care sunt vitale pentru viaţa celulelor.

Biomoleculele au o arhitectura tridimensionala caracteristica. Structura moleculara atinge apogeul sau in complexitatea intrinseca a macromoleculelor biologice, in special in cazul proteinelor. Daca proteinele sunt secvente liniare de aminoacizi legati covalent, lantul proteinic se poate rasuci, indoi sau infasura in spatiul tridimensional pentru a realiza o arhitectura specifica, inalt organizata caracteristica pentru identificarea unei molecule de proteine date.

Fortele slabe de interactie mentin structura biologica si determina interactiunile biomoleculare.

Tarie Distanta

Forta (kJ/mol) (nm) Descriere

Interactii Van der Waals 0.4–4.0 0.2

Sunt rezultatul interactiunilor electrice induse intre molecule sau atomi apropiati datorita fluctuanţei in timp a norului de electroni incarcat negativ.Aceste fluctuatii permit atractii intre nucleele incarcate pozitiv si norul de electroni al unui atom din apropiere.Taria depinde de marimea relativa a atomilor sau moleculelor. Marimea determina suprafata de contact. Cu cat este mai mare aria de contact cu atat este mai puternica legatura.

Tarie Distanta

Forta (kJ/mol) (nm) Descriere

Legaturi de hidrogen 12–30 0.3

Se formeaza intre atomi de hidrogen legati covalent de un element eleectronegativ (azot sau oxigen, de obicei) si un alt atom electronegativ aflat in apropiere ce functioneaza ca acceptor.Taria este proportionala cu polaritatea accceptorului si donorului. Atomii mai polari formeaza legaturi de hidrogen mai puternice. Sunt forte directionale formand legaturi drepte. De asemenea au o specificitate ridicata.

Legaturi de hidrogen in celuloza

Legaturi de hidrogen in Kevlar (para-aramida)

Jun Zhang, Pengcheng Chen, Bingkai Yuan, Wei Ji, Zhihai Cheng, Xiaohui Qiu ”Real-Space Identification of Intermolecular Bonding with Atomic Force Microscopy “, Science Express, September 26, 2013

N

OH

Interactii ionice 20 0.25

Sunt rezultatul interactiei intre functiuni cu incarcare electrica diferita. Interactiile pot avea loc intre ioni sau dipoli. Taria depinde de polaritatea speciilor care interactioneaza. Unele interactiuni ionice sunt si legaturi de hidrogen. -NH3

- ... –OOC-. Desi nu au directionalitatea legaturilor de hidrogen si precizia fortelor van der Waals, datorita rigiditatii sterice a gruparilor implicate pot avea un grad inalt de specificitate structurala.

Interactii ionice in proteine

Interactii hidrofobe <40 —

Reprezinta un fenomen complex determinat de gradul in care moleculele hidrofobe dezorganizeaza structura organizata a apei. Apar datorita tendintei puternice a apei de a exclude moleculele nepolare, preferând formarea de legaturi de hidrogen intre propriile molecule. Legaturile de hidrogen pot fi mai numeroase si mai variate in cazul in care moleculele nepolare fuzioneaza formand o faza organica distincta. Aceasta separare de faze conduce la cresterea entropiei apei, intrucat sunt mai putine molecule de apa aranjate intr-o matrice organizata in jurul moleculelor nepolare. Ca urmare regiunile nepolare sunt adesea „ingropate” in interiorul moleculei pentru a le exclude de la interactia cu mediul apos.Formarea de picături de ulei la fuziunea moleculelor lipidice nepolare hidrofobe în prezenţa apei este o aproximare a acestui fenomen. Aceste tendinţe au consecinţe importante în crearea şi întreţinerea de structuri macromoleculare şi ansambluri supramoleculare ale celulelor vii.

Interactii hidrofobe

Complementaritatea structurala determina interactiunile biomoleculare. Interactiunea unei molecule cu alta va fi mult mai precisa dacă cele două au structuri complementare, precum piesele unui puzzle sau cheia cu lacatul.

Toate sistemele biologice de la nivel macromolecular la nivel celular opereaza printr-un mecanism specific de recunoastere bazat pe complementaritate: proteinele recunosc metabolitul specific, elicea ADN recunoaste elicea complementara, etc.

Recunoasterea biomoleculara este mediata de forte slabe de interactie.

Rolul central al forţelor slabe în interacţiunile biomoleculare restrânge sistemele vii la o gamă îngustă de condiţii fizice.

Macromoleculele biologice sunt funcţional active doar într-un interval îngust de condiţii de mediu, cum ar fi temperatura, taria ionica şi aciditatea relativă. Extremele acestor condiţii perturba forţele slabe esenţiale pentru menţinerea structurii complexe de macromolecule. Pierderea de ordine structurală în aceste macromolecule complexe, aşa-numita denaturare, este însoţită de pierderea funcţiei.

Ca urmare, celulele nu pot tolera reacţiile în care cantităţi mari de energie sunt eliberate. Nici nu pot genera o explozie de energie pentru a conduce procese care necesită multa energie. În schimb, astfel de transformari au loc prin intermediul unei serii secventiale de reacţii chimice a căror efect global atinge schimbari dramatice de energie, chiar dacă orice reacţie dintr-o serie implica cantitati de energie modeste consumate sau eliberate. Aceste secvenţe de reacţii sunt organizate pentru a asigura eliberarea de energie utilă in celula din metabolizarea alimentelor sau de a lua astfel de energie şi a o utiliza pentru sinteza de biomolecule esenţiale. Împreună, aceste secvenţe de reacţie constituie metabolismul celular-căi de reacţie ordonate prin care procesele chimice celulare şi transformările biologice de energie sunt realizate.

Denaturarea proteinelor

Schimburile de materie şi de energie dintre organism şi mediu, care definesc însăşi viaţa, implică desfăşurarea unui număr mare de reacţii chimice, care alcătuiesc metabolismul, cu două laturi principale:

• catabolismul (degradarea constituenţilor celulari la compuşi mai simpli) implică procese exergonice, în care se produce energie;

• anabolismul (edificare şi refacerea constituenţilor celulari) decurge prin reacţii endergonice, în care se consumă energia mobilizată în procesele catabolice.

Organismele vii sunt deci sisteme deschise, aflate într-un permanent schimb de energie şi materie cu mediul înconjurător, constituind sediul unui triplu flux, de materie, de energie şi de informaţie.

Apa-unul din factorii importanti in existenta vietii pe Terra;-reprezinta intre 70 si 90% din compozitia organismelor vii;-procesele metabolice pot avea loc numai cand in celule exista cel putin 65% apa.-apa si produsele sale de ionizare reprezinta factori determinanti pentru structura proteinelor, acizilor nucleici si membranelor.-apa este un participant indirect –diferenta concentratiei de ioni de hidrogen de o parte si de alta a membranei reprezinta conditia energetica esentiala in mecanismele biologice de transformare si transmitere a energiei.

Structura moleculara-este formata din 1 atom de O si 2 atomi de H legati covalent, intr-o structura de tip tetraedric, avand doua perechi de electroni liberi.

-unghiul dintre legaturi este de 104.50.

Proprietatile fizice ale apei

Punct de fierbere: 100 °C.Punct de topire: 0 °C.

Masa molara: 18 g / mol.Densitate: 1 g / mL.

Caldura specifica: 4.18J/ggrdCaldura de vaporizare: 536 cal/g

Sunt neobisnuite!

Molecula Punct de fierbere

Punct de topire Stare fizica la 25 °C

H2O 100 °C 0 °C Lichid

H2S -60 °C -82 °C Gaz

H2Se -41 °C -65 °C Gaz

H2Te -4 °C -51 °C Se descompune

Ce face apa unica?

Oxigen: hibridizare sp3

2 perechi de electroni neparticipanti

Hidrogen:orbital s

Molecula apei formeaza un dipol permanent cu densitate de electroni concentrata la atomul de oxigen.

Moleculele de apa sunt capabile sa formeze legaturi de hidrogen puternice intre ele.

Energia unei legaturi de H –: ~ 20 kJ / mol.

Orientarea joaca un rol important in formarea legaturilor de hidrogen. O legatura de hidrogen este mai stabila cand cei doi atomi electronegativi asociati sunt aliniati sau aproape in linie dreapta. O molecula de apa poate forma legaturi de hidrogen cu alte 4 molecule.

Gheata contine retele de molecule de apa legate prin legaturi de hidrogen.

Structura ghetii este deschisa si in consecinta mai putin densa decat apa.

Gheata pluteste pe apa –o proprietate importanta pentru organismele acvatice ce traiesc in conditii de clima rece.

Retele de legaturi de hidrogen exista si in apa lichida, dar spre deosebire de gheata exista mai multe posibilitati de legare, ceea ce face ca apa sa fie mai densa decat gheata. In apa o molecula de apa poate avea in medie 4.4 molecule vecine in retea cu care poate forma legaturi de hidrogen. Timpul de viata al unei legaturi de hidrogen este de circa 9.6ps. O consecinta a acestui fapt este fluiditatea apei.

Alte proprietati ce tin de legaturile de hidrogen formate sunt punctul de topire si de fierbere ridicate si de asemenea caldura specifica si de vaporizare.

Caldura specifica –cantitatea de caldura necesara de a creste temperatura unui gram de substanta cu 1°C. Avand o caldura specifica mare si gasindu-se in cantitate importanta in organism permite asigurarea unei temperaturi constante necesare reactiilor biochimice.

Caldura de vaporizare mare permite evacuarea unei mari cantitati de energie din organism (transpiratia pentru racirea corpului uman).

Apa este un excelent solvent.-moleculele de apa sunt polare;-are o viscozitate scazuta ce nu impiedica deplasarea moleculelor dizolvate;-are o molecula mica , comparativ cu alti solventi (etanol, benzen) ceea ce permite asocierea cu particulele de solut pentru a le face mai solubile.

Apa dizolva substante polare sau substante care pot ioniza (electroliti).Acest lucru se datoreaza constantei dielectrice mari si tendintei de a forma legaturi de hidrogen.

Substantele nepolare sunt insolubile in apa. Apa are tendinta de a forma structuri organizate in jurul acestor centre hidrofobe pentru a le separa.

Solut nepolar

Apa prezinta o tensiune superficiala mare, ceea ce face ca substratul hidrofob sa formeze prin agregare cea mai mare sfera posibila. (sfera –cel mai mic raport arie/volum).

Efecte: un numar mic de molecule de apa necesare pentru solvatare;-o crestere mica de energie datorate tensiunii superficiale.

Efectul hidrofob minimizeaza energia consumata in formarea suprafetei si creste entropia apei. Este forta motrice ce asigura formarea structurilor in macromoleculele biologice.

Apa este un reactant nucleofil-datorita perechilor de electroni neparticipanti apa este un reactant nucleofil.Desi este un reactant nucleofil slab, datorita concentratiei ridicate, ar fi de asteptat sa reactioneze cu centrele electrofile din moleculele biologice.

Hidroliza peptidelor- in prezenta apei hidroliza este favorizata termodinamic.Deci proteinele ar putea fi degradate de prezenta apei!

Insa la pH-ul si temperatura din celule macromoleculele sunt stabile si nu se degradeaza (desi termodinamic reactia de hidroliza este favorizata, viteza de reactie este foarte mica!).

-formarea macromoleculelor este favorizata de prezenta enzimelor care asigura centrul de reactie si nu permite prezenta apei in acea zona. Totodata reactia biochimica de formare a proteinelor spre exemplu, implica mai intai reactia electrofilului cu ATP cu formarea unui intermediar reactiv care reactioneaza apoi cu nucleofilul si eliminarea ATP.

Ionizarea apei-moleculele de apa pot interactiona intre ele, procesul purtand denumirea de ionizarea apei.

H2O H+ + -OH

In teoria Bronsted donorii de protoni sunt asociati cu termenul de acid iar acceptorii de protoni cu termenul de baza.

][]][[

2OHOHHK A

Ionul hidroniu format este capabil de a dona un proton altui ion. De aceea reactia poate fi aproximata cu cea de mai jos, desi aici nu se pune in evidenta ca la ionizarea apei participa 2 molecule:

Se poate defini o constanta de disociere KA reprezentand constanta de echilibru a procesului de ionizare:

KA = 1.8x10-16 mol/l

Concentratia molara [A] reprezinta numarul de moli ai speciei n, raportata la V,volumul in care se afla.

Densitatea apei la 250C si presiune atmosferica este is 1 g/mL.

Deci 1 L de apa are masa de 1000 g.

Masa moleculara a apei este de 18 g/mol.

VnM

MML

molgg

M

VnM

56.551

/181000

14

2

10]][[

]][[)56.55(56.55

]][[

][]][[

OHHK

OHHK

OHHK

OHOHHK

W

A

A

A

H2O H+ + -OH

Datorita stoichiometriei reactiei de disociere,[H+]=[-OH]

de unde rezulta:

pH, pKA, si ecuatia Henderson-Hasselbalch

7

14

142

14

10][

10][

10][

10]][[

H

H

H

OHH

Logaritmul negativ(p) al concentratiei de ioni de hidrogen (protoni) se numeste pH (utilizat pentru prima data de Soren P. Sorensen, director la Institutul Carlsberg din Danemarca, in 1909).

7

)10log( 7

apa

apa

pH

pHAnalog se poate defini si pOHpOHapa = 7

Fluid pHLesie de uz casnic 13.6Inalbitor 12.6Solutie amoniacala 11.4Solutie de hidroxid de magneziu 10.3Soda de rufe 8.4Apa marii 8.0Fluid pancreatic 7.8–8.0Sange 7.4Fluide intracelulare in ficat 6.9Fluide intracelulare in muschi 6.1Saliva 6.6Urina 5–8Bere 4.5Suc de portocale 4.3Suc de grapefruit 3.2Otet alimentar 2.9Bauturi racoritoare 2.8Suc de lamaie 2.3Suc gastric 1.2–3.0Solutia din acumulatori acizi 0.35

Tema de casa1. Calculati concentratia ionilor de H3O+ si de OH- in solutiile avand pH:a. 2.73, b. 5.29,c. 8.65, d. 11.41, e. 0.f. 14

2. Calculati, la 250C:a.Concentratia [H+] si pH pentru o proba de apa potabila care contine [OH-] = 2.0X10-7Mb. Concentratia [H+] si [OH-] sangelui uman la pH=7.40.c. pOH pentru o solutie in care [H+] = 5x[OH-].

3. Produsul ionic al apei Kw = [H+]◦[HO-] are valoarea de 10-14 pe care o utilizam in mod curent la temperatura camerei (25°C) insa este dependent de temperatura. Calculati concentratia [H+] si pH-ul pentru apa pura, neutra la 0.0ºC (Kw = 1.14 x 10−15 la 0.0ºC)