Obiectul si

importanta

biochimiei.

Materia vie.

S.L. Dr. Ioana Lacatusu

Curs 1

Cuprins

1. Obiectul si importanta biochimiei

2. Materia vie

2.1. Caracteristici generale

2.2. Compozitia chimica

Bioelemente

Biomolecule

2.3. Logica moleculara a starii vii (Optional)

Obiectiv Curs 1

Intelegeraea notiunilor

legate de MATERIA VIE si

principalele sale

caracteristici biochimice.

1. Obiectul si

importanta

biochimiei

BIOCHIMIA

Studiaz materia vie din punct de vedere al organizrii moleculare.

Pune n eviden transformarile biochimice

care se desfoar ntr-o celula vie.

CHIMIA VIEII

Scopul principal al BIOCHIMIEI

este sa determine cum

interactioneaza grupele de

molecule nevii din materia vie

(organsimele vii) pentru a

constitui, mentine si perpetua

starea vie.

1. Obiectul si

importanta

biochimiei Intrebari la care BIOCHIMIA

poate raspunde:

1.

Care este compozitia organismelor vii (ex: structura chimica a principalelor componente din materia vie)?

2.

Cum se asambleaza componentele simple pentru a forma structuri supramoleculare organizate (ex: celule, esuturi, organisme)?

3. Cum sunt controlate i reglate reaciile chimice din

celulele vii?

4.

Cum poate extrage materia vie energie din mediul nconjurator?

5.

Care sunt corelatiile dintre structura chimica a organismelor si functia biologica?

Etc.

2. Materia vie.

Materia vie:

Format din molecule nevii.

Moleculele nevii izolate si examinate individual se supun

legilor fizice si chimice care

guverneaza intreaga materie.

Are proprietai deosebite care NU caracterizeaza materia nevie.

2.1. Caracteristici generale

BIOCHIMIA studiaz materia vie din 2 perspective:

2. Materia vie

2.1. Caracteristici generale

Organizare moleculara

Compoziia chimic a biomoleculelor

Constituia biomoleculelor

Asamblarea biomoleculelor

Corelaiile dintre biomolecule

Transformari biochimice

Procese de degradare cu generare de energie

(CATABOLISM)

Procese de biosinteza cu consum de energie

(ANABOLISM)

Materia vie

Grad inalt de complexitate si

organizare a diferitelor tipuri de

molecule componente.

Fiecare parte componenta a unui

organism viu are o functie specifica (valabila atat la nivel macroscopic, cat si

microscopic).

Organismele vii capteaz i utilizeaz energia din mediul nconjurtor pentru:

sinteza de molecule simple pe care le asambleaz n biomolecule proprii cu structur complex;

locomoie i transport intercelular.

Materia nevie

Este format din amestecuri de compui simplii, cu organizare

structural redus.

NU poate utiliza energia

din mediul nconjurtor pentru meninerea organizrii sale structurale. Prin absorbie de energie extern (cldur sau lumin), materia nevie se descompune.

2. Materia vie

2.1. Caracteristici generale

Materia vie

Organismele vii sunt sisteme deschise,

care se afl n schimb permanent de materie, energie i informaie cu mediul exterior.

Capacitatea de reproducere (de

autoreplicare) n forme identice (masa, forma, structura interna) de la

o generaie la alta.

Aceasta caracteristica este

chintesena starii vii.

Unitatea de baz a MATERIEI VII este CELULA.

Materia nevie

NU se poate

reproduce in forme

identice de la o

generatie la alta.

2. Materia vie

2.1. Caracteristici generale

2. Materia vie

Componenta CELULEI:

1. Citoplasma 2. Nucleu 3. Membrana celulara

Celule eucariote: A. Celula animala. B. Celula vegetala

Functiile CELULEI:

de miscare, de transport, metabolice, de inmultire a celulelor (diviziune celulara).

CELULA

1. Citoplasma

Lichid (de consistenta gelatinoasa) situat in interiorul celulei.

Format din organite celulare si diferite incluziuni.

Contine 90% apa si 10% substante organice si anorganice (Ex: ionii, saruri, glucide, acizi grasi, aminoacizi, nucleotide, vitamine).

Macromoleculele formeaza solutii coloidale*.

Este format dintr-o retea complexa de macromolecule proteice care alcatuiesc Citoscheletul.

*Coloid = particule fine dispersate in mediu omogen

2. Materia vie

1.1. Citosolul

Se gaseste intre membrana celulara si nucleu.

Alcatuita din:

Citosol (citoplasma fundamentala) Organite celulare (citoplasma

structurala)

Functiile biologice si biochimice ale CITOSOLULUI: Este sediul unor procese metabolice.

Proteinele din citosol:

joac un rol important in procesul de glicoliza*. acioneaz ca receptori intracelulari i

formeaza ribozomii (Ribozomii = organite celulare care realizeaza sinteza proteinelor.

Enzimele din citosol:

transporta si desfac biomoleculele, astfel nct organitele individuale sa le poata folosi la nevoie.

Citoscheletul: menine forma celulei; particip la realizarea micrilor celulei.

Au structuri specifice si functioneaza ca organe de dimensiuni reduse.

Raspund de indeplinirea unor functii specifice.

Exemple: Reticul endoplasmatic, Ribozomii, Mitocondrii,

Aparatul Golgi, Lizozomi, Vacuole, Centrozom, Plastide,

Neurofibre, Corpusculii Nissl, Cilii i flagelii etc.

1.1. Citosolul

1.2. Organitele celulare

2. Materia vie

Citoplasma

Nucleu

Membrana

plasmatica

Organite

*Glicoliza = proces metabolic de oxidare a monozaharidelor (Ex: descompunerea Glucozei in ficat si muschi) cu eliberare treptat de energie.

2. Materia vie.

Componenta celulei specializata in coordonarea si reglarea activitatii celulare.

Are forma sferica sau ovala (diametru ~ 10 mm)

In NUCLEU:

au loc reactiile chimice ce stau la baza proceselor vitale (prin complecsi de tip protein-enzime).

2. Nucleul

Functiile nucleului:

Contine ,,informatia genetic datorata prezentei macromoleculei de ADN* din compozitia sa.

Prin ,,informatia genetic se transmit caracterele ereditare de la o generatie la alta.

Nucleul controleaza metabolismul celulei si este in stransa corelatie cu citoplasma.

*ADN-ul deine informaia genetic sub form codificat i se replic nainte de diviziunea celulei.

Constituie invelisul extern al celulei.

Are rolul de a separa celula de mediu si de a permite schimbul de substante.

3. Membrane plasmatica

Materia vie

Este caracterizat printr-un flux triplu: de materie, de energie, de informaie.

Este UNITARA din punct de vedere material (dei exist ntr-o mare varietate de forme) la toate formele

de viaa.

Compoziie chimica i organizare biochimic similara pentru toate formele de viata.

2.1. Caracteristici generale

2. Materia vie

In CONCLUZIE

2. Materia vie. Organismele vii sunt formate din:

Bioelemente

Biomolecule

2.2. Compozitia chimica

Compozitia chimica a

organismelor vii este diferita

de cea a mediului in care

traiesc.

Ex: Siliciu - element cu

abunden terestra mare (28%), NU este prezent n organismele vii.

2. Materia vie.

2.2. Compozitia chimica

Elemente chimice:

O 63% Ca 2%

C 19,3% P 1,16%

H 9,3% K, S, Cl 0,2%

N 9,1% Na 0,11%

Ca, Mg, Fe, Zn, Co etc. < 0.1%

2.2.1. Bioelemente

Abundenta O si H n organismele vii poate fi

corelata cu rolul major al

apei pentru organism (Ex:

corpul uman este format din

~ 70% H2O).

Doua categorii de Bioelemente comune oricarei forme de viata:

1. sextetul de metaloizi (~ 97%

din totalul bioelementelor):

O, C, H, N, P, S

2. heptetul de metale:

Na, K, Ca, Mg, Fe, Co, Mn

Elemente importante ce se regasesc in celulele vii: Casute rosii: cele mai abundente elemente (sextetul de metaloizi); Casute mov: ionii esentiali din organism; Casute albatru inchis: elemente ce se regasesc in cantitati foarte mici (urme); Casute albatru deschis: elemente mai putin intalnite.

2. Materia vie. 2.2.1. Bioelemente

2. Materia vie.

2.2. Compozitia chimica

S element important n compoziia proteinelor.

P rol esenial n structura acizilor nucleici, a fosfolipidelor i n metabolism. Ca, Fe, Zn, Co etc. rol esenial n structura unor vitamine si enzime.

Elementele C, H, O, N sunt foarte importante pentru materia vie datorit capacitii lor de a forma:

LEG. COVALENTE si LEG. DE HIDROGEN.

Capacitatea atomilor de O i H de a forma legaturi de hidrogen

permite crearea unor structuri

moleculare tridimensionale, cu

funcii biologice importante (Ex: Proteine, Acizi nucleici etc.).

Stabilitatea leg. C-C si posibilitatea atomilor

de C de a forma legaturi covalente simple,

duble si triple (cu atomii de O si N) explica

varietatea de compui chimici ntlnii n materia vie (Tabel).

2.2.1. Bioelemente

2.2. Compozitia chimica 2. Materia vie.

Structuri generale ale unor compusi prezenti n materia vie:

a. Compusi organici, b. Grupari functionale, c. Legaturi uzuale in biochimie.

R = grupare alchil, CH3 (CH2)n

*In majoritatea mediilor biologice:

Acizii carboxilici exista sub forma

de anioni carboxilat:

Aminele exista sub forma de ioni de amoniu:

Macrobioelemente

(plastice):

O, C, H, N, P, S (sextet de metaloizi)

Na+, K+, Ca2+,

Mg2+, Fe2+, Cl-

BIOELEMENTE

Microbioelemente

/Oligobioelemente:

Zn2+, Mn2+, Cu2+, I-, Co2+

(functie de

abundenta lor

naturala)

Ultramicrobio-

elemente:

(cantit. f. mici)

Sr2+, Ag+, Ba2+

COMPOZIIA CHIMIC

Apa

Anorganice:

Saruri minerale:

fosfai, bicarbonai, sulfai, cloruri

BIOMOLECULE

Organice: - cu rol plastic i energetic: Glucide, Proteine, Lipide

- cu rol catalitic:

Enzime

- cu rol informaional: Acizi nucleici

- cu rol de reglare:

Vitamine, Hormoni

2. Materia vie. 2.2. Compozitia chimica

2. Materia vie. 2.2. Compozitia chimica

Observatie: Intr-o CELULA din

organismele vii se gasesc simultan

foarte multe tipuri de BIOMOLECULE.

2.2.2. BIOMOLECULE

COMPUII ORGANICI existeni n materia vie sunt foarte variai i de o complexitate deosebit de mare.

Ansambluri de molecule organice care

asigura organizarea biochimica

structurala i funcionala specifica organismelor vii.

In organismul uman se gasesc ~10 000 de

tipuri diferite de proteine si >100 000 de

molecule.

Exemplu: Bacteria Escherichia coli contine

~3 000 de tipuri diferite de proteine si 1000

de tipuri de acizi nucleici.

2. Materia vie.

2.2.2. BIOMOLECULE

2.2. Compozitia chimica

In organismele vii, se cunoate existenta a ~1012 tipuri de proteine i ~1010 tipuri de acizi nucleici, dar sunt cunoscute structurile pentru

numai ~106 tipuri.

Se cunoaste structura exacta a unei proportii neansemnate din totalul

moleculelor organice existente in materia vie.

Escherichia coli

Imensa diversitate de MOLECULE ORGANICE

din organsimele vii se reduce in cele din

urma la o simplitate surprinzatoare:

In PROTEINE se gasesc numai 20 de tipuri

de Aminoacizi diferiti, dar ei sunt aranjati

in secvente variate, formand astfel o

gama foarte larga de tipuri de proteine;

In ACIZII NUCLEICI se gsesc numai 8 Mononucleotide (componente ale acizilor

nucleici ADN si ARN), identice pentru toate speciile;

In POLIZAHARIDE sunt ~ 8 Monozaharide.

2.2.2. BIOMOLECULE

2.2. Compozitia chimica

2. Materia vie.

2. Materia vie. 2.2. Compozitia chimica

2.2.2. BIOMOLECULE

MOLECULE SIMPLE dintr-un organism viu

prezinta cateva trasaturi caracteristice:

- fiecare indeplineste mai multe functii

biologice in celula,

- sunt extrem de adaptabile,

- joaca mai multe roluri:

Exemple:

Aminoacizii pot fi: unitati constituente ale proteinelor, precursori ai hormonilor, alcaloizilor, porfirinelor, pigmentilor etc.;

Nucleotidele sunt: componente ale acizilor nucleici, dar si molecule ce pot stoca energie chimica.

BIOMOLECULELE organismelor vii sunt organizate

intr-o ierarhie de o complexitate moleculara progresiva (Figura).

Toate biomoleculele deriva din precursori foarte simpli, cu masa moleculara mica, obtinuti din mediu (ex: CO2, H2O, NH3).

Precursorii simpli sunt transformati de catre materia vie in compusi organici cu masa moleculara mai mare (Biomolecule de baza sau Unitati constituente),

Biomolecule de baza se asambleaza formand MACROMOLECULE cu funcii specifice.

Macromoleculele diferitelor clase se asociaza intre ele formand sisteme supramoleculare: Lipoproteine (complecsi ai lipidelor cu

proteine); Ribozomi (complecsi ai acizilor nucleici cu

proteine).

2.2.2. BIOMOLECULE

2.2. Compozitia chimica

2. Materia vie.

Organite

Complecsi supramoleculari

(M = 106 109)

MACROMOLECULE

(M = 103 109)

BIOMOLECULE de baza

(M = 100 350)

Intermediari metabolici

(M = 50 250)

Precursori din mediu

(M = 18 44)

Celula Nucleu Mitocondrie Cloroplaste

Corpusculi Golgi Ribozomi Complexe enzimatice Sisteme contractile Microtubuli

Acizi nucleici Proteine Polizaharide Lipide (Obs. considerate arbitrar drept macromolecule) Nucleotide

Aminoacizi Mono- si oligozaharide Acizi grasi Gliceroli

Piruvat Citrat Maleat 3 fosfatul gliceraldehidei

Dioxid de carbon Apa Amoniac Azot

Ierarhia organizarii moleculare a biomoleculelor

2. Materia vie.

In complecsii supramoleculari, macromoleculele componente NU sunt legate

covalent intre ele.

Exemplu: Acizii nucleici si proteinele din Ribozomi sunt unite prin:

forte slabe noncovalente, interactii hidrofobe, forte van der Waals.

Biomoleculele de baza se leaga intre ele prin legaturi covalente formand macromoleculele proprii celulei, cu mase moleculare relativ mari (Figura).

Tipuri de legaturi in biomolecule

2. Materia vie.

Nivel 2 (Macro-

molecule)

Perete celular

Celuloza

Nivel 4 (Celula si

organitele celulare)

Nivel 3 (Complecsi

supramoleculari)

Nivel 1 (Unitati

monomere)

Glucide

Prote

ina

Membrana plasmatica

Cromozomi

Aminoacizi

-

Nucleodide

-

ADN

-

PROTEINELE (Cursuri 2-5) sunt in toate celulele produsii si efectorii directi ai actiunii genelor.

Au un rol structural major, fiind componentele de baza din care sunt construite toate structurile celulare;

Indeplinesc functii de transport, de depozitare, de aparare a organismului impotriva unor corpi straini etc;

ENZIME (Cursuri 6-9):

au activitate catalitica specifica (biocatalizatori); permit desfasurarea reactiilor chimice necesare multiplicarii celulare.

LIPIDELE (Cursuri 10, 11) au acelasi rol in toate celulele: sunt componentii structurali principali ai membranelor celulare; servesc ca forma de depozitare a materialului bogat energetic.

CARBOHIDRATII (Cursuri 12, 13) au doua functii importante in toate celulele: servesc ca forme de depozitare a materialului care furnizeaza energia

necesara activitatii celulei (Ex: Amidonul);

elemente structurale extracelulare (Ex: Celuloza).

ACIZII NUCLEICI (Curs 14) servesc pretutindeni la depozitarea si transmiterea informatiei genetice.

2. Materia vie.

Functii biologice ale BIOMOLECULELOR

Exista o diferenta fundamentala intre Acizii nucleici si Proteine pe de o

parte si intre Carbohidrati si Lipide pe de alta:

Acizii nucleici si Proteinele sunt macromolecule informationale. Fiecare molecula de Acid nucleic contine 4 sau > tipuri de

Nucleotide aranjate intr-o secventa specifica, continand informatia.

In mod asemanator, fiecare molecula de Proteina contine o secventa specifica bogata in informatie, de ~ 20 AA diferiti;

Carbohidratii si Lipidele NU au o functie purtatoare de informatie.

Carbohidratii sunt formate fie din unitati constituente identice (ex: amidonul, un polimer al glucozei), fie din unitati constituiente care

alterneaza in mod regulat.

2. Materia vie.

Functiile biologice ale BIOMOLECULELOR