Biochimie descriptiva / Biochimie si toxicologie - Curs 1

Introducere

Biochimia este literalmente o disciplină care studiază chimia vieții. Cu toate

că se suprapune cu alte discipline (Biologia celulară, Genetica, Imunologia,

Microbiologia, Farmacologia, Fiziologia), Biochimia are în vizor un număr limitat

de întrebări:

o Care sunt structurile chimice și tridimensionale ale moleculelor biologice?

o Cum interacționează moleculele biologice?

o Cum sunt sintetizate și degradate moleculele biologice?

o Cum este conservată energia și utilizată de celulă?

o Care sunt mecanismele de organizare a moleculelor biologice și de

coordonare a activității lor?

o Cum este informația genetică stocată, transmisă și folosită pentru a sintetiza

un produs funcţional (proteină sau ARN)?

Biochimia este importantă și în alte domenii științifice. Astfel, se poate

studia un aliment din punct de vedere al conținutului compușilor biochimici

(vitamine, aminoacizi, acizi grași) sau diverselor minerale, fiecare dintre aceștia

având un rol esențial pentru o nutriție adecvată. Biochimia explică cum acești

nutrienți sunt absorbiți de către organism și care este rolul acestora în celulă. De

exemplu, la întrebarea: cum preia organismul energia din grăsimile sau uleiurile

(din dietă)? procesul poate fi explicat printr-o serie de reacții biochimice care

intervin în căile metabolice (calea metabolică - succesiune de reacții biochimice).

În citozol (faza apoasă a celulei) există o colecție de 100-200 molecule

organice (cu mase moleculare de 100-500 de unități atomice de masă) numiți

metaboliți centrali în căile metabolice primare. Această colecție de molecule

include aminoacizii comuni, nucleotidele, zaharurile și derivații fosforilați ai

acestora și un număr de acizi mono-, di- sau tricarboxilici. Aceste molecule sunt

polare sau încărcate, solubile în apă și prezente în concentrații de ordinul µM sau

mM. Acești compuși sunt “prizonieri” celulari deoarece membrana plasmatică este

semipermeabilă. Există în schimb proteine specializate ce pot transporta acești

compuși în celulă sau înafara acesteia sau între două compartimente celulare

diferite. Mai mult, în interiorul celulei sunt prezente și alte molecule mici, specifice

pentru un anumit timp de celulă sau organism. De exemplu, plantele vasculare

conțin și metaboliți secundari, care joacă un rol important în dezvoltarea plantei.

Acești compuși se disting prin aromele caracteristice sau prin efectele fiziologice

pe care le manifestă asupra organismului uman (morfina, chinina, nicotina sau

cafeina). Toată colecția de molecule mici dintr-o celulă poartă numele de

metabolom.

Energia

Producerea, stocarea şi utilizarea energiei sunt aspect importante în econo-

mia celulei. Aceste procese sunt guvernate de tăria legăturilor chimice şi determină

atât direcţia cât şi viteza reacţiei chimice respective. Celulele necesită energie

pentru o multitudine de procese, incluzând sinteza glucozei din CO2 şi apă din

cadrul fotosintezei, contracţia musculară şi replicarea ADN-ului.

Energia de interes în studiul sistemelor biologice sau chimice este “energia

potenţială” sau energia stocată. Energia potenţială a atomilor sau moleculelor

conferă acestora abilitatea de a suferi reacţii chimice în care se eliberează energie.

De exemplu, molecula de glucoză are o energie potenţială ridicată. Energia

necesară pentru desfăşurarea unor procese celulare provine în principal din energia

eliberată la ruperea unor legături chimice.

Toate formele de energie sunt interconvertibile în conformitate cu principiul

I al termodinamicii care menţionează faptul că energia nu este creată şi nici

distrusă. De exemplu, în procesul de fotosinteză, energia radiaţiei luminoase este

transformată în energie chimică potenţială stocată în legăturile dintre atomii

moleculei de glucoză. În muşchi şi nervi, energia chimică potenţială este

transformată în energie mecanică şi cinetică.

Deoarece toate formele de energie sunt interconvertibile, acestea pot fi

exprimate folosind aceleaşi unităţi de măsură - caloria sau Kilocaloria.

Legăturile chimice

Există două tipuri de legături chimice: puternice (covalente) sau slabe

(necovalente). Legăturile covalente sunt predominante în compuşii organici şi au

loc între atomii individuali dintr-o moleculă. Legăturile necovalente dictează

arhitectura tridimensională a moleculelor biologice mai mari sau a unor complecşi

prin cooperativitate (deşi niciuna dintre legături nu este puternică, efectul mai

multor legături necovalente simultane poate fi considerabil). De asemenea,

legăturile necovalente pot fi desfăcute mult mai uşor fapt care le permite să stea la

baza unor procese dinamice guvernate de reacţii la echilibru.

Legăturile covalente sunt foarte stabile; energia necesară ruperii unei

legături covalente este mai mare decât energia termică disponibilă la temperatura

corpului (25/37 °C).

Modificările chimice au loc datorită faptului că energia necesară ruperii

legăturilor este furnizată prin formarea altor legături. De regulă, diferenţele de

energie dintre reactanţi şi produşi variază între 1 şi 20 Kcal/mol.

În decursul unei reacţii moleculele adoptă stări energetice temporare (care

posedă energie mult mai mare) iar energia necesară pentru a obţine aceste stări,

care poate atinge chiar şi valori de 100 Kcal/Mol, constituie un parametru al

stabilităţii chimice. Acest “imbold” energetic poartă numele de energie de activare.

Sistemele biochimice acţionează specific pentru a învinge energiile de activare,

direcţionând preferenţial reacţiile chimice.

În situaţia în care doi sau mai mulţi atomi formează legături covalente cu un

atom central, aceste legături formează unghiuri (dintre două legături) a căror

orientare (valoare) este bine definită. Mai mult, atomii implicaţi în formarea unei

legături duble nu se pot roti liber în jurul axei legăturii. Rigiditatea planarităţii

impusă de legăturile duble este un parametru esenţial care joacă un rol definitoriu

în stabilirea conformaţiei moleculelor biologice cu mase moleculare mari (proteine

şi acizi nucleici). În plus, energia the formare a legăturilor duble sau triple din

diverse molecule este mai ridicată comparativ cu energia de formare a unei legaturi

simple.

Legătura

covalentă

Energia

(Kcal/Mol)

Legătura

covalentă

Energia

(Kcal/Mol)

C≡C 213 C−O 86

C=O 174 C−C 83

C=C 146 C−Cl 81

C−F 103 S−H 81

O−H 111 C−N 73

C−H 99 C−S 62

N−H 93 O−O 35

Cele mai frecvent întâlnite legături duble care se regăsesc în moleculele

biologice sunt: C=C, C=N, C=O şi P=O.

O serie de grupări funcţionale sau conexiuni intramoleculare sunt frecvent

întâlnite în biomolecule:

Grupări care apar din biomolecule

Patru clase principale de biomolecule mici se regăsesc în celulă: aminoacizii,

carbohidraţii, nucleotidele şi lipidele. Aceste biomolecule pot forma lanţuri

macromoleculare mai mari (polimeri) sau pot interacţiona prin intermediul unor

forţe slabe situaţie în care pot rezulta suprastructuri moleculare cu importanţă

fiziologică.

Dipolii

În legăturile covalente una sau mai multe perechi de electroni sunt împărţite

de către doi atomi. În anumite situaţii, atomii parteneri exercită atracţii diferite

pentru electronii de legătură, rezultând astfel o distribuţie inegală a electronilor.

Capacitatea de atracţie a atomului pentru electroni poartă numele de

electronegativitate. Într-o legătură covalentă în care atomii sunt identici sau diferiţi

dar posedă aceeşi electronegativitate; electronii de legătură sunt distribuiţi în mod

egal. O asemenea legătură se numeşte nepolară. În situaţia în care electronegativi-

tatea atomilor implicaţi este diferită, unul dintre aceştia va exercita o forţă de

atracţie mai mare asupra electronilor de legătură. O legătură de acest tip se

numeşte dipolară; un capăt este parţial încărcat negativ (δ-) iar celălalt capăt este

parţial încărcat pozitiv (δ+). De exemplu, în molecula de apă atomul de oxigen, cu

electronegativitatea 3,5, atrage electronii de legătură mai mult decât atomii de

hidrogen (cu electronegativitatea 2,1); cu alte cuvinte, electronii de legătură petrec

mai mult timp pe orbita atomului de oxigen decât pe orbita atomilor de hidrogen.

Dat fiind faptul că ambii atomi de hidrogen sunt de aceeaşi parte a atomului de

oxigen, această parte a molecule are un caracter parţial pozitiv, pe când cealaltă

parte are o sarcină parţial negativă. O moleculă care încorporează separate sarcini

pozitive şi negative se numeşte dipolară.

Legăturile necovalente stabilizează structurile macromoleculelor

Multe legături care menţin structurile moleculelor mari, cum ar fi proteinele

şi acizii nucleici, nu sunt covalente. Forţele care stabilizează structura tridimen-

sională a moleculelor mari individuale şi care stau la baza interacţiilor dintre

molecule sunt adesea mai slabe. Energia eliberată la formarea acestor legături

necovalente este de numai 1-5 Kcal/Mol. Deoarece energia cinetică medie a

moleculelor la temperatura camerei este de aproximativ 0,6 Kcal/Mol, multe

molecule posedă suficientă energie pentru a desface aceste legături slabe. La

temperaturi fiziologice (25-37 °C). Legăturile slabe au o existenţă tranzitorie, dar

multe acţionează simultan cu scopul de a da naştere la structuri stabile.

Principalele tipuri de legături necovalente sunt: legăturile de hidrogen,

legăturile ionice, interacţiunile de tip van der Waals şi interacţiunile hidrofobe.

Legătura de hidrogen

În mod normal, un atom de hidrogen formează o legătură covalentă cu un alt

atom. Mai mult, un atom de hidrogen legat covalent poate forma o legătură

suplimentară, o legătură de hidrogen, care este o asociaţie slabă dintre un atom

electronegativ (acceptor) şi un atom de hidrogen legat covalent de un alt atom

(donor). Atomul de hidrogen este mai aproape de donor comparativ cu acceptorul.

Legătura covalentă dintre donor şi atomul de hidrogen trebuie să fie

dipolară, iar învelişul electronic al atomului acceptor trebuie să posede electroni de

nelegătură care atrag sarcina δ+ de pe atomii de hidrogen. Legăturile de hidrogen

din apă sunt un exemplu clasic: un atom de hidrogen dintr-o moleculă este atras de

o pereche de electroni din învelişul electronic extern al atomului de oxigen dintr-o

moleculă învecinată. Tăria legăturii de hidrogen din apă este de aproximativ

5 Kcal/Mol, fiind mult mai slabă decât a legăturii covalente H-O.

O caracteristică importantă a legăturii de hidrogen este orientarea spaţială. În

legăturile de hidrogen puternice donorul, atomul de hidrogen şi acceptorul sunt

situaţi pe aceeaşi linie.

Deoarece legăturile N-H sunt dipolare, atomii de azot pot fi donori într-o

legătură de hidrogen, la fel ca atomul de oxigen din legăturile O-H ale altor

molecule (incluzând apa). Azotul şi oxigenul pot fi acceptori în formarea

legăturilor de hidrogen din sistemele biochimice. De exemplu, legăturile de

hidrogen sunt importante în procesul de cataliză enzimatică, proces în care

enzimele (macromolecule speciale) interacţionează cu substratul (compuşi cu masă

moleculară redusă). Prezenţa diverselor grupări (hidroxil –OH, carbonil C=O,

carboxilat -COO- sau amoniu -NH3+, grupările peptidică şi esterică) conferă

moleculelor proprietatea de a fi solubile în apă (hidrofile). Aceste grupări conferă

solubilitate proteinelor, acizilor nucleici sau carbohidraţilor. În contrast, substan-

ţele nepolare, nu posedă grupări donoare sau acceptoare de hidrogen.

Legăturile ionice

În soluţii apoase, ionii simpli importanţi din punct de vedere biochimic (Na+,

K+, Ca2+, Mg2+ şi Cl-) nu sunt entităţi izolate. Fiecare dintre aceşti ioni este

înconjurat de un strat de molecule de apă, care alcătuiesc un înveliş pentru aceste

entităţi încărcate. Interacţiunile au loc preponderent între ioni şi partea dipolui apei

care este încărcată diferit.

O estimare a dimensiunii acestor ioni trebuie să includă şi moleculele de apă

care-i înconjoară. Ionii joacă un rol important atunci când sunt transportaţi prin

pori înguşti sau canalele din membranele celulare. Trecerea ionilor prin membrane

este esenţială atât pentru transmiterea impulsurilor nervoase cât şi pentru

stimularea contracţiei musculare.

Majoritatea compuşilor ionici sunt destul de solubili în apă deoarece o

cantitate apreciabilă de energie este eliberată prin legarea acestor ioni de

moleculele de apă. Ionii opuşi hidrataţi au o tendinţă redusă de recombinare.

Interacţiunile de tip van der Waals

Fluctuaţiile aleatorii din distribuţia electronilor unui atom pot conduce la

apariţia unor dipoli de tranziţie. Dacă doi atomi legaţi necovalent sunt unul în

proximitatea celuilalt, dipolul de tranziţie al unuia va perturba norul electronic al

celuilalt. Această fluctuaţie de sarcină generează un dipol de tranziţie şi în cel de-al

doilea atom, după care aceşti doi dipoli sunt uşor atraşi unul de celălalt. Toate

tipurile de molecule, atât polare cât şi nepolare, pot fi implicate în interacţii de tip

van der Waals. În particular, acest tip de legături este responsabil pentru coeziunea

dintre moleculele (lichide sau solide) nepolare care nu pot forma legături ionice

sau de hidrogen cu alte molecule.

În cazul în care atracţia de tip van der Waals dintre doi atomi este

contracarată de repulsia dintre norii electronici ai celor doi atomi se poate spune

faptul că cei doi atomi sunt în contact van der Waals. Fiecare tip de atom are o rază

de contact cu alţi atomi numită rază van der Waals. Energia unei interacţiuni de tip

van der Waals este de aproximativ 1 Kcal/Mol, cu foarte puţin peste energia

termică a moleculelor la 25 °C. Astfel, interacţiunile de tip van der Waals sunt

chiar mai slabe decât legăturile de hidrogen care în mod normal posedă o energie

mai ridicată în soluţii apoase (de circa 1-2 Kcal/Mol). Atracţia dintre două

biomolecule mari poate fi apreciabilă în situaţia în care aceste molecule au forme

complementare, astfel încât pot fi implicate în mai multe contacte van der Waals

atunci când sunt în proximitate. Contactele de tip van der Waals sunt interacţiuni

des întâlnite în biochimie: interacţiunea anticorp-antigen sau legarea substratului în

situsul catalitic (cavitatea) al unei enzime.

Interacţiuni hidrofobe

Moleculele nepolare nu conţin ioni sau legături dipolare şi din acest motiv

nu pot fi hidratate. Deoarece aceste molecule sunt insolubile sau foarte puţin

solubile în apă poartă numele de substanţe hidrofobe. Miezul sau partea centrală a

majorităţii membranelor biologice, incluzând suprafaţa membranei celulare, este

compus aproape exclusiv din părţile hidrocarbonate ale unor molecule (lipide) şi

conţin foarte rar molecule polare.

O moleculă nepolară nu poate forma legături de hidrogen cu moleculele de

apă, distorsionând aceste molecule şi forţându-le să formeze o cuşcă de legături în

jurul acesteia, dar nu cu aceasta. În schimb, moleculele nepolare pot fi implicate în

interacţiuni de tip van der Waals. Acest fapt conferă o tendinţă puternică a

moleculelor hidrofobe de a se asocia şi a nu se dizolva în apă.

Legarea unor părţi dintr-o proteină/proteine diferite

prin intermediul legăturilor slabe

Specificitatea de legare. Rolul interacţiunilor slabe

Este cunoscut faptul că existenţa mai multor legături necovalente conferă

stabilitatea moleculelor biologice mari. Aceste interacţiuni conferă specificitate

prin faptul că dictează împachetarea moleculelor mari sau modul de interacţiune

dintre molecule diferite. Toate legăturile slabe sunt efective numai pe distanţe

scurte, necesitând contactul eficient dintre grupările reactante. În cazul legăturilor

necovalente se impune existenţa unei complementarităţi între suprafeţele care

conţin grupările respective. Figura anterioară exemplifică o serie de legături slabe

care guvernează interacţiunea dintre două proteine (sau segmente din aceeaşi

proteină).

pH-ul sistemelor biochimice

Una dintre proprietăţile cele mai importante ale fluidelor biologice o

constituie pH-ul.

Sângele uman are un pH într-un domeniu îngust 7,35-7,45. În situația în care

pH-ul scade sau crește peste acest interval acesta este un indiciu asupra unor

simptome și boli. Dezechilibrele pH-ului pot indica: dereglări hormonale,

probleme cardiovasculare, modificări ale greutății corporale, funcționarea

inadecvată a bilei sau rinichiului, deficiențe ale sistemului imunitar, accelerarea

distrugerii radicalilor liberi, probleme structurale sistemice (oase fragile, fracturi de

șold, disconfort osos), probleme digestive, supraproducție de microorganisme

(drojdii, fungi etc) sau chiar apariția tumorilor.

Valoarea pH-ului citoplasmei celulei este de circa 7,2 în timp ce al

mitocondriei este 7,8-8,2. Unele organite celulare au valori mai scăzute ale pH-

ului. De exemplu, lizozomii au un pH de circa 5. Astfel, valoarea concentraţiei

protonilor este de circa 100 de ori mai ridicată decât cea din citoplasmă. O valoare

optimă a pH-ului este esenţială pentru menţinerea structurii unor molecule şi

determină funcţionarea optimă a acestora. Pe de altă parte, schimbarea dramatică a

pH-ului celular poate juca un rol important în controlarea activităţii celulare. De

exemplu, pH-ul citoplasmei unui ou nefertilizat de arici de mare este de 6,6. La un

minut după fertilizare pH-ul creşte la 7,2. Astfel schimbările de pH par să

declanşeze atât creşterea cât şi diviziunea celulară.

Valoarea pH-ului unui sistem biochimic este menținută cu ajutorul

sistemelor tampon. Principalul sistem tampon la nivel extracelular este sistemul

bicarbonat-acid carbonic (HCO3-/H2CO3). Există și alte sisteme tampon care

intervin pentru menținerea pH-ului: proteinele celulare (proteină acidă/proteinat),

albuminele, globulinele plasmatice (hemoglobina / hemoglobinat și oxihemo-

globina / oxihemoglobinat) și pompele protonice (proteine membranare care favo-

rizează traficul în “contracurent” a ionilor de H+ și K+ prin membrana celulară). De

asemenea din procesele metabolice rezultă acizi organici (piruvic, lactic sau

cetoacizi) sau anorganici respectiv baze sau anioni organici (citrat, lactat sau

acetat). Concentrația ionilor de H+ din plasmă este 35-45 mmol/L (pH= 7,35-7,45).

Menținerea pH-ului plasmei se realizează prin 3 mecanisme: de tamponare, de

compensare (respiratorie sau renală) sau de corectare.

Mulţi compuşi din celulă conţin numeroase grupări care pot fi disociate.

Valoarea pKa-ului unei grupări acide este egală cu pH-ul la care jumătate din

molecule sunt disociate, iar cealaltă jumătate sunt neutre.

Ionii fosfat sunt prezenţi în cantităţi

considerabile în celulă şi sunt factori

importanţi în menţinerea (tamponarea) pH-

ului citoplasmei. În acizii nucleici grupările

fosfat se regăsesc sub forma unui diester.

Valoarea pKa-ului corespunzător disocierii

protonului -OH este de aproximativ 3. Astfel,

la pH neutru (pH 7) fiecare grupare fosfat din

acizii deoxiribonucleic (ADN) sau ribonucleic

(ARN) este încărcată negativ.

Direcţia reacţiilor biochimice

Dat fiind faptul că moleculele biochimice sunt menţinute la temperatură şi

presiune constantă, direcţia unei reacţii chimice poate fi intuită pe baza energiei

potenţiale sau energiei libere. Modificările energiei libere caracteristice unei reacţii

sunt influenţate de temperatură, presiune, concentraţia iniţială a reactanţilor şi

produşilor sau pH. De asemenea, valoarea energiei libere standard indică sensul

(deplasarea echilibrului) unei reacţii biochimice.

Constantele de disociere. Afinitatea moleculelor partenere

Conceptul de echilibru chimic se aplică şi în cazul legării unei molecule la o

altă moleculă. De exemplu, legarea unui ligand (hormonul insulină sau adrenalină)

la receptorul său de pe suprafaţa unei celule poate activa o întreagă cale

metabolică. O altă situaţie este legarea specifică a unei proteine la o secvenţă de

nucleotide (perechi de baze) dintr-o moleculă de ADN care poate determina o

intensificare sau reducere a copierii informaţiei genetice din vecinătatea acelei

secvenţe. Cel mai frecvent reacţiile de legare sunt descrise de constantele de

disociere (Kd) ale complecşilor rezultaţi. Pentru perechile proteină-proteină sau

proteină-ADN constantele de disociere de sub 10-9 M reflectă o interacţiune

puternică, în timp ce valori mai mare de 10-6 M respectiv 10-3 M indică interacţiuni

medii respectiv modeste. Constantele de disociere 10-5-10-6 M au fost determinate

în cazul unor receptori (CD2 de pe suprafața limfocitelor T) care sunt implicați în

interacțiuni tranzitorii. Constanta de disociere a lizozimului de un anticorp (altă

proteină) este de 2,2 x 10-8 M. 16 aminoacizi ai lizozimului interacționează cu 17

resturi ale anticorpului (cu formarea a 12 legături de hidrogen între parteneri). În

schimb, sistemul cu afinitatea cea mai mare (constanta de disociere cea mai mică)

o constituie interacțiunea dintre avidină sau streptavidină (proteine cu mase

moleculare de peste 60.000) și o moleculă mai mică numită biotină (vitamina B7).

Constanta de disociere a sistemului este de ordinul 10-14-10-15 M.

Reacţii redox în procesele biochimice

Într-o reacţie redox schimbările potenţialului electric sunt datorate

schimbărilor cumulate a potenţialelor de reducere din etapele de oxidare sau

reducere. Deoarece toate formele de energie sunt interconvertibile schimbările

energiei libere pot fi corelate cu cele ale potenţialului:

G (Kcal/Mol) = - n F E (V)

ATP-ul este o sursă de energie pentru procesele celulare

Energia de hidroliză a ATP-ului (adenozin trifosfatului) la ADP (adenozin

difosfat) este folosită (prin intermediul unor sisteme enzimatice) la: sinteza

proteinelor sau oligozaharidelor, deplasarea celulelor, contracţia musculară,

transportul moleculelor prin membrane.

Energia de activare şi viteza de reacţie

Energia de activare este energia necesară pentru iniţierea unei reacţii.

Doi factori importanţi de care depinde viteza unei reacţii chimice sunt

concentraţia reactanţilor şi pH-ul soluţiei.

Teoria stării de tranziţie este utilizată pentru stabilirea unor corelaţii între

structură şi reactivitate. În starea fundamentală sunt consideraţi entităţi fizice

numai reactanţii pe când în starea de tranziţie sunt cosiderate numai speciile

instabile (energia liberă cea mai mare). Astfel, starea de tranziţie este caracterizată

printr-un maxim în diagrama de reacţie, în care se urmăreşte dependenţa energiei

speciilor în decursul reacţiei. Biocatalizatorii (enzimele) acţionează în aşa manieră

încât micşorează energia liberă a stării de tranziţie comparativ cu reacţia

necatalizată. Diferenţa dintre valorile G‡ pentru reacţiile catalizate Ea şi

necatalizate (Ea’) indică eficienţa catalizatorului.