RSD Biochimie Pt Studenti

O scurt introducere n biochimie

Cristina Bischin, Violeta-Florina Scurtu, Daniela Cioloboc, Radu Ghinga, Radu Silaghi-

Dumitrescu

Facultatea de Chimie i Inginerie Chimic

Universitatea Babe-Bolyai Cluj-Napoca, 2013


2

Volumul se adreseaz celor interesai de cteva detalii introductive despre biochimie i despre implicaiile ei in viaa de zi cu zi. Autorii presupun cteva cunotine de baz de chimie, fizic i biologie, astfel inct textul s fie utilizabil pentru publicul non-specilist n biochimie, inclusiv studeni ai unor specializri non-biochimice (de exemplu Sport, sau Fizic). Pe de alt parte, prin anexele de la final, textul ofer cu titlu opional i aspecte semnificativ mai detaliate din punct de vedere chimic, pentru cititorii pentru care acestea ar fi un punct de interes. n calitate

de foti studeni ai dnsului, autorii dedic volumul Prof. Dr. Ing. Florin-Dan Irimie, Director al Departamentului de Biochimie i Inginerie Biochimic i creator al unei coli de biochimie n cadrul Facultii de Chimie i Inginerie Chimic a Universitii Babe-Bolyai din Cluj-Napoca.


3

Cuprins

1. Introducere ............................................................................................................................... 5

2. Glucidele (zaharidele) .............................................................................................................. 7

2.1. Monozaharidele ..................................................................................................................... 7

2.2. Oligozaharidele ..................................................................................................................... 8

2.3. Polizaharidele ........................................................................................................................ 8

2.4. Glicoconjugaii: proteoglicani, glicoproteine i glicolipide ................................................ 10

3. Lipidele ................................................................................................................................... 11

3.1. Acizii grai .......................................................................................................................... 11

3.2. Acilglicerolii (gliceride, sau grsimi) .................................................................................. 12

3.3. Glicerofosfolipide i compui nrudii ................................................................................. 13

3.4. Ceridele ............................................................................................................................... 13

3.5. Terpenele ............................................................................................................................. 14

3.6. Steridele (Izoprenoidele) ..................................................................................................... 14

3.7. Eicosanoidele ...................................................................................................................... 15

3.8. Membranele ......................................................................................................................... 15

4. Proteinele i aminoacizii ........................................................................................................ 17

4.1. Aminoacizii ......................................................................................................................... 17

4.2. Structura proteinelor ............................................................................................................ 17

4.3. Enzime ................................................................................................................................. 18

5. Acizii nucleici ........................................................................................................................ 19

5.1. ADN .................................................................................................................................... 20

5.2. ARN .................................................................................................................................... 22

6. Metabolismul .......................................................................................................................... 23

6.1. Catabolismul ........................................................................................................................ 23

6.1.1. Glicoliza ................................................................................................................... 24

6.1.2. Ciclul Krebs (ciclul acizilor tricarboxilici, ciclul acidului citric) ............................ 24

6.1.3. Lanul transportor de electroni i fosforilarea oxidativ .......................................... 25

6.1.4. Calea pentozo-fosfailor i alte ci ale metabolizrii hexozelor .............................. 26

6.1.5. Catabolismul acizilor grai ....................................................................................... 26

6.1.6. Catabolismul proteinelor .......................................................................................... 27

6.1.7. Degradarea aminoacizilor ........................................................................................ 27

6.2. Anabolismul ........................................................................................................................ 27

6.2.1. Gluconeogeneza ....................................................................................................... 27


4

6.2.2. Biosinteza lipidelor .................................................................................................. 28

6.2.3. Sinteza aminoacizilor ............................................................................................... 28

6.2.4. Fotosinteza ............................................................................................................... 29

7. Aspecte de nutriie .................................................................................................................. 30

8. Sistemul imunitar ................................................................................................................... 35

8.1. Anticorpii (imunoglobulinele) ............................................................................................. 35

8.2. Celulele sistemului imunitar ................................................................................................ 36

8.3. Vaccinurile i imunitatea ..................................................................................................... 37

9. Enzimologie clinic ................................................................................................................ 38

9.1. Proteine serice ..................................................................................................................... 38

9.2. Enzime implicate n patologia cardiac .............................................................................. 38

9.3. Analize n explorarea ficatului ............................................................................................ 39

9.4. Enzime implicate n patologia pancreasului ........................................................................ 40

9.5. Analize exploratorii ale funciei renale ............................................................................... 40

9.6. Alte enzime cu relevan clinic ......................................................................................... 41

10. Dopajul i substanele interzise ........................................................................................... 42

10.1. Substane interzise att n timpul ct i n afara competiiilor .......................................... 42

10.1.1. Substane farmacologice care nu sunt aprobate pentru uz uman terapeutic ......... 42

10.1.2. Ageni anabolizani ............................................................................................... 42

10.1.3. Hormoni peptidici, factori de cretere, i substane nrudite cu acestea ............... 43

10.1.4. Agoniti beta ......................................................................................................... 43

10.1.5. Hormoni i modulatori metabolici (alii dect hormonii peptidici) ...................... 43

10.1.6. Ageni diuretici, i ali ageni de mascare ............................................................. 43

10.2. Proceduri interzise att n timpul ct i n afara competiiilor .......................................... 43

10.2.1. Mrirea artificial a capacitii de transport a oxigenului .................................... 43

10.2.2. Manipularea fizica sau chimic ............................................................................ 43

10.2.3. Dopajul genetic ..................................................................................................... 43

10.3. Substane interzise doar pe parcursul competiiilor .......................................................... 44

10.3.1. Ageni stimulani .................................................................................................. 44

10.3.2. Narcoticele ............................................................................................................ 44

10.3.3. Canabinoidele ....................................................................................................... 44

10.3.4. Glucocorticosteroizii ............................................................................................ 44

10.4. Substane interzise selectiv, doar n anumite sporturi ....................................................... 44

11. Anexe .................................................................................................................................. 45


5

1. Introducere

Biochimia se ocup cu structura moleculelor din sistemele vii i cu procesele n care aceste molecule sunt implicate. La intersecia dintre biologie, chimie i fizic, ea detaliaz modurile n care organismele vii obin energie pentru a se hrni, i transmit trsturile ctre urmai (ereditatea), sunt supuse bolilor, etc. n alimentaie, biochimia este folosit printre altele n scopul gsirii unor surse de nutrieni mai abundente i ieftine, n determinarea compoziiei chimice a alimentelor, n dezvoltarea unor procedee de reciclare a nutrienilor din unele deeuri sau inventarea unor ci de prelungire a timpului de via al produselor alimentare. n agricultur, biochimitii studiaz interaciunea ierbicidelor cu plantele, analiznd relaia dintre structura i activitatea compuilor, determinnd abilitatea lor de a inhiba creterea i evalund efectul toxic al mediului nconjurtor. De asemenea, biochimia i gsete o importan aplicativ n domenii ca farmacologia, fiziologia, microbiologia, chimia clinic. n aceste domenii, biochimitii pot investiga mecanismul de aciune al medicamentelor sau utilizeaz concepte, metode i tehnici chimice pentru studiul diagnozei i a terapiei bolilor, precum i al evalurii sntii. Cum pot compuii organici din organism s fie transformai de ctre enzime n produi toxici sau cum pot poluanii din mediul exterior s afecteze sntatea, este un alt domeniu de interes al biochimiei medicale, mai exact al toxicologiei. n tiina sportului, biochimia contribuie la nelegerea proceselor de alimentaie, al celor implicate n efortul fizic, dar i a dopajului. Caracteristicile organismelor vii, care le difereniaz fundamental de alte sisteme, sunt:

1. Capacitatea de reproducere i de autoasamblare. O singur celul bacterian plasat ntr-un mediu steril cu nutrieni este capabil s produc miliarde de celule identice, n 24 de ore. Fiecare celul conine mii de molecule, unele extrem de complexe; fiecare bacterie este o copie fidel a celulei din care provine, contrucia sa fiind dictat de informaii preluate de la celula original.

2. Sistemele pentru extragerea, transformarea i utilizarea energiei din mediul nconjurtor permit organismelor sa-i construiasc i s-i menin propria structura i s se angajeze n activiti mecanice, chimice, i electrice.

3. Mecanisme de adaptare la noi condiii din mediu. 4. Un grad ridicat de complexitate chimic i organizare microscopic. Celula este alctuit

din mii de molecule diferite. ntre ele, fiecare subsistem are o funcie, iar ntre acestea exist o strns conexiune.

Compoziia organismelor vii: circa 30 de elemente chimice sunt eseniale organismelor vii. Carbonul, hidrogenul, oxigenul i azotul constituie mpreun mai mult de 99% din masa celulei, i sunt numite de aceea elemente eseniale majore. Acestea elemente pot forma legturi chimice puternice. Restul de 1% din masa celulei este datorat unor elemente care din cauza

concentraiei mai mici sunt numite i eseniale n urme sau oligoelemente. De exemplu, hemoglobina, proteina transportatoare de oxigen din sngele multor organisme superioare, este

absolut dependent de fier. Cu, Zn, Co, Na, K, Mg, Ca, sunt alte cteva exemple de metale de o importan vital. Un rol important n alctuirea moleculelor biologice l are carbonul. El poate forma legturi simple cu atomi de hidrogen, legturi duble sau simple cu atomi de oxigen sau azot, etc. De o importan covritoare n biologie, este capacitatea unui atom de carbon de a se lega covalent de un alt atom de carbon prin legturi simple, duble sau triple, formnd structuri stabile.


6

n acest fel, se formeaz structurile chimice care constituie scheletul moleculelor importante din biologie, pe care sunt apoi grefate alte diferite grupri de atomi, numite grupri funcionale, care confer proprieti chimice specifice fiecrei molecule. Niciun alt element nu poate forma, asemenea carbonului, molecule att de variate ca dimensiune, form i diversitate de grupri funcionale. Din punct de vedere al compoziiei chimice, toate organismele conin 5 clase de substane: proteine, glucide, lipide, acizi nucleici, vitamine, i ioni metalici la care se adaug apa (vezi Anexa 1).

Interaciuni chimice n organismele vii: n afara legturilor covalente, ntre molecule apar i unele fore mai slabe, de atracie sau repulsie, cunoscute sub denumirea de legturi necovalente. Din categoria acestora fac parte legturile van der Waals, ionice i de hidrogen. Ele difer n geometrie, trie i specificitate. Fiecare dintre acestea are o contribuie semnificativ la structura, stabilitatea i funcionalitatea macromoleculelor. Un alt tip de interaciuni des ntlnite n biochimie sunt interaciunile hidrofobe. Acestea apar ca urmare a tendinei moleculelor hidrofobe de a se auto-asocia pentru a minimiza energia nefavorabil interaciunii cu apa. Astfel, unele proteine tind sa-i ascund ca ntr-un buzunar partea hidrofob, evitnt astfel contactul acesteia cu mediul apos nconjurtor. Fenomene ca replicarea ADN-ului, mpachetarea proteinelor n structuri tridimensionale,

recunoaterea enzim-substrat sau detectarea moleculelor semnal sunt dependente de aceste fore slabe, care sunt afectate ntr-o msur foarte mare i de prezena apei. Celula: toate organismele vii cunoscute de noi pn azi sunt formate din celule. O celul, n sensul biologic, are trei componente: o membran care ii delimiteaza marginile, coninutul apos (citoplasma) delimitat de aceast membran i nucleul aflat in mijlocul citosolului:

- Membrana celulei are rolul de a delimita spaiul celular i de a separa coninutul acestuia de exterior; datorit structurii sale impermeabile la ap (hidrofob), ea permite trecerea controlat a unor compui ncrcai electric. Unele componente inserate n membrane ndeplinesc apoi roluri diverse - transportor, receptor,

catalizator, semnalizator, micare, i altele. Datorit faptului c moleculele din constituia membranei nu sunt legate ntre ele prin legturi chimice puternice, ntreaga structur este flexibil, permind schimbri n form i mrime.

- Citoplasma, coninutul celulei, este compus dintr-o soluie apoas, citosolul, n care se gsesc alte multe particule cu funcii specifice. Citosolul este o soluie foarte concentrat n substane chimice - proteine, glucide, acizi nucleici, vitamine, dar i sute de molecule mici numite metabolii, rezultai n cile de sintez i degradative.

- Nucleul: toate celulele au un nucleu, care depoziteaz n molecula numit ADN (acid deoxiribonucleic) informaia esenial funcionrii celulei (informaia genetic).

pH-ul n organismele vii: pH-ul afecteaz structura i funcia biomoleculelor, activitatea catalitic a enzimelor, prin urmare, schimbrile de pH pot fi distructive metabolismului. Organismele posed o varietate de mecanisme prin care pH-ul intra i extracelular este pstrat constant (pentru detalii vezi Anexa 1).


7

2. Glucidele (zaharidele)

Cele mai abundente molecule de provenien biologic ntlnite n natur sunt glucidele, cunoscute i sub numele de zaharuri, carbohidrai, sau hidrai de carbon - datorit formulei moleculare de baz (CH2O)n, unde n3. n general, denumirile compuilor care fac parte din aceast clas poart terminaia -oz. n organismele vii, glucidele servesc drept surs de energie, rezerv de energie, material de rezisten mecanic (structural), componente ale unor sisteme mai complexe (ca acizii nucleici sau vitaminele), elemente de recunoatere (etichete pentru celule), elemente de adeziune ntre celule i intermediari metabolici. Glucidele/zaharidele se mpart n trei categorii: monozaharide, oligozaharide i polizaharide. A patra categorie sunt compuii n care glucidele particip alturi de alte substane.

2.1. Monozaharidele Monozaharidele sunt cele mai simple glucide; ele conin ntre 3 i 7 atomi de carbon, conectai ntre ei ntr-o structur liniar. Atomii de oxigen din compozitia monozaharidelor se regasesc sub form de grupri OH (hidroxil), cte unul per atom de carbon, cu excepia unui oxigen per glucid care apare sub form de grupare =O (carbonil). Gruparea carbonil se poate gsi fie la primul atom de carbon din structur (caz n care acea glucid este numit aldoz, din cauza similaritii cu compuii organici numii aldehide), fie la al doilea atom de carbon din structur (caz n care vorbim de cetoze datorit similaritii cu compuii organici numii cetone). Mai multe detalii sunt prezentate n Anexa 2.

Izomeria optic: Structurile care au aceeai formul molecular dar difer prin organizarea intern a atomilor sunt numite izomeri. Monozaharidele n general prezint unul sau mai muli atomi de carbon n jurul crora cele patru legturi sunt formate cu patru atomi sau grupuri de atomi diferii ntre ei. Acei atomi de carbon sunt asimetrici (se folosete i termenul de chirali). Pentru aldehida gliceric (Figura 1) se observ c, din cauza acestei asimetrii, atomii pot fi aranjai n dou feluri diferite, rezultnd dou structuri chimic diferite notate cu D i L (a se vedea Anexa 2 pentru regulile dup care se fac aceste notaii), care au proprietatea de a fi, una

fa de cealalt, imagini n oglind.

n structura glucozei din

Figura 2 se poate observa c 4 dintre atomii de carbon din

interiorul lanului au fiecare cte 4 vecini diferii. Moleculele cu patru sau mai muli atomi de carbon au aadar mai muli centri chirali. Ele primesc eticheta D sau

L n funcie de poziia gruprii OH de la atomul de carbon chiral aflat la cea mai mare distan de gruparea carbonil (pentru detalii vezi Anexa 2). Este de notat c aproape toate glucidele ntlnite n organismele vii sunt de tip D, dei, din punct de vedere al reactivitii chimice, izomerul L nu este mai puin stabil sau foarte diferit. Motivul pentru care, i mai ales modul n care dintre cei doi izomeri optici organismele primitive au reuit s selecteze unul singur, sunt nc o parte a incomplet elucidatului mecanism prin care a aprut viaa pe planeta noastr.

C

CH2OH

HHO

CHO

C

CH2OH

OHH

CHO

D-aldehida gliceric L-aldehida gliceric Figura 1. Ilustrare a asimetriei din cea mai simpl glucid.


8

Structuri ciclice: n soluii apoase, monozaharidele au tendina de a renuna la structura lor liniar i de a forma cicluri, aa cum se ilustreaz n cazul glucozei n Figura 2 (pentru detalii

vezi Anexa 2).

2.2. Oligozaharidele Oligozaharidele sunt compui formai din lanuri de 2-10 monozaharide unite ntre ele prin

legturi chimice. Cel mai cunoscut reprezentant al oligozaharidelor este

zaharoza (sau sucroza, sau zahrul de buctrie) care este o dizaharid format prin legarea unei molecule de glucoz de una de fructoz:

Dei n natur se gsesc o varietate de oligo- i polizaharide, la baza formrii acestora sunt n general doar cteva monozaharide: glucoza, fructoza,

manoza, galactoza, riboza i xiloza. Maltoza este o diglucid alctuit doar din glucoz (formele i ilustrate in Figura 2) i este rezultatul descompunerii amidonului (a se vedea mai jos) de ctre enzime numite amilaze (notm aici c enzimele sunt substane care catalizeaz reaciile chimice din organismele vii i c numele lor are de obicei terminaia specific -az). Lactoza este principala glucid din lapte; este o diglucid format din galactoz i glucoz. Stahioza este o oligoglucid din fasole, mazre, tre i gru. Ea nu este digerat de enzimele stomacale, ns poate fi degradat de bacteriile intestinale, provocnd flatulen prin gazele pe care le degaj. Oligozaharidele intr i n compoziia unor antibiotice, cum este streptomicina, sau cum este i bleomicina folosit la tratarea unor tipuri de tumori.

2.3. Polizaharidele Polizaharidele sunt compui obinui prin polimerizarea monozaharidelor, prin legturi similare celor din oligozaharide. Cea mai comun monozaharid util n acest sens este D-glucoza. Polizaharidele difer ntre ele prin tipul monozaharidei din alctuirea lor, dar i prin lungimea lanului polimeric, modul de ramificare al acestuia i rolul ndeplinit n organismele vii i anume rol energetic (poliglucide de rezerv) sau rol structural.

C

OHH

OH

H

OHH

OH

CH2OH

H

O

H

C

OH

OH

H

OHH

OH

CH2OH

H

OHH C

OH

OH

H

OHH

OH

CH2OH

OH

H

H

CHO

OHH

HHO

OHH

OHH

CH2OHD-glucoza

forma forma Figura 2. Dou forme diferite ale glucozei pot fi

obinute n mod reversibil una din cealalt: i . Pe primul rnd sunt date dou reprezentri ale

aceleiai structuri liniare structur care n mod reversibil se poate transforma in cele dou forme ciclice. Cnd este dizolvat n ap, D-glucoza se

prezint o treime sub forma , dou treimi i mai puin de 1% form aciclic.

glucoza

CH2OHH

CH2OH

OH H

H OHO

H

OH

H

H

OHH

OH

CH2OH

HO

O

fructoza

Figura 3. Zaharoza


9

Cele mai importante polizaharide cu rol energetic sunt amidonul (din plante) i glicogenul (din animale i ciuperci) iar principala polizaharid cu rol structural este celuloza. Amidonul este de fapt un amestec de doi polimeri diferii, ambii formai din glucoz: amiloza (un polimer liniar) i amilopectina (un polimer ramificat). n organismul nostru, atunci cnd consumm amidon, digestia sa ncepe n cavitatea bucal, sub aciunea enzimei numite amilaz; o amilaz se gsete apoi i la nivelul intestinului, adus de sucul pancreatic. Glicogenul, principala rezerv energetic de la animale, este, la fel ca amilopectina, un polimer ramificat pe baz de glucoz ns este mai compact dect aceasta. Este abundent n ficat i muchii scheletici, unde poate fi supus clivrii de ctre amilaze i glicogen fosforilaze, elibernd n cele din urm glucoz. Celuloza este o polizaharid cu rol structural, are o molecul liniar format din glucoz; moleculele sale formeaz fibre foarte lungi, aliniate n paralel una cu alta i conectate prin reele foarte extinse de interaciuni slabe implicnd cte un hidrogen plasat ntre doi atomi de oxigen (legturi de hidrogen, a se vedea Anexa 1 i Figurile 4 i 5).

Aceste reele dau rezistena mecanic a celulozei, mult mai bun dect cea a amidonului dei ele au la baz acelai component - glucoza, i asigur insolubilitatea n ap. Ea este ntlnit n peretele celular al plantelor, cruia i ofer caracteristici structurale i mecanice deosebite. Bumbacul este format numai din celuloz, iar acetaii de celuloz produi n industrie i gsesc o larg aplicabilitate n industria textil. Prin tratarea celulozei cu acid azotic se obine un material care st la baza celuloidului, dar are i proprieti explozive. Cele mai multe animale nu pot folosi celuloza ca surs energetic deoarece le lipsesc enzimele capabile s rup legturile dintre unitile de glucoz din acest polimer liniar. Termitele pot digera celuloza datorit existenei n tractul lor intestinal a unui microorganism simbiotic, care secret celulaz (ntmpltor, pentru om aceast bacterie este toxic). La fel, unele animale ierbivore contin n sistemul digestiv bacterii capabile s degradeze celuloza; aceste bacterii produc ns i efecte nedorite, i anume gaze nocive pentru atmosfer (metan n primul rnd), astfel nct unii cercetatori consider c zootehnia genereaz efect de ser (nclzirea ireversibil a atomsferei i distrugerea stratului de ozon) n msur cel puin egal cu arderea combustibililor n industrie i transporturi.

OH

O

H

HO

H

HOHH

O

OH

OH

H

HO

H

HOHH

O

OH

OH

H

HO

H

HOHH

O

OH

molecul de glucozpunte eteric

punte etericmolecul de glucoz

molecul de glucoz

OH

H

HO

H

HOHH

O

OH

OH

H

HO

H

HOHH

O

OH

molecul de glucozpunte eteric

molecul de glucozpunte eteric...

...

Figura 4. Alctuirea fibrei de celuloz

Figura 5. Alinierea fibrelor de celuloz


10

Chitina este al doilea polimer glucidic ca abunden n natur (dup celuloz). Structura ei se aseamn cu a celulozei, coninnd ns, suplimentar, o serie de atomi de azot i de carbon care o fac mai rezistent la ap (hidrofob), chitina se gsete n carapacea exterioar a unor insecte, n ciuperci, molute i altele, unde are rol protector. Celulele bacteriilor prezint, pe lng membrana care le delimiteaz, i un perete alctuit din polizaharide bogate n azot (a se vedea Anexe). Aceti polimeri confer rigiditate peretelui, protejnd celula de umflare excesiv care ar duce la distrugerea membranei. Enzimele, cum sunt cele din lacrimi, sau cele produse de viruii care au ca int bacteriile, distrug aceti polimeri. Penicilina i alte antibiotice omoar bacteriile prin faptul c mpiedic sinteza pereilor bacteriilor. Tot cu rol protector n jurul bacteriilor sunt i dextranii (dei uneori ei sunt folosii i ca form de depozitare a glucozei de ctre bacterii). Placa dentar, rezultat n urma activitii bacteriilor la suprafaa dinilor, este bogat n dextrani. Ei au ns aplicaii i ca materie prim pentru obinerea de materiale poroase utile n procese de separare i analiz de laborator. Din pereii celulelor algelor se extrag polizaharide capabile s formeze geluri, cu aplicaii n laboratorul de biochimie dar i ca alternativ vegetarian n industria alimentar la agenii de gelifiere pe baz de gelatin (aceasta din urm fiind o protein de provenien animal). Acidul hialuronic, alctuit din doi derivai de glucoz (a se vedea i Anexele), este un lichid vscos care servete ca lubrifiant coninut la nivelul articulaiilor, n ochi, cartilaje i tendoane. Polimeri cu roluri i structuri similare sunt discutai n Anexe. Heparina, produs de ctre celule din snge numite leucocite, este eliberat n circulaia sanguin, unde inhib coagularea sngelui. Aceast coagulare este esenial n oprirea sngerrii (formarea cheagului deasupra unei rni). Heparina este folosit adesea n laborator, atunci cnd se dorete colectarea de probe de snge astfel nct el s nu coaguleze imediat dup ce a fost recoltat, pentru a avea timp s efectum msurtorile dorite.

2.4. Glicoconjugaii: proteoglicani, glicoproteine i glicolipide n afara rolului structural i energetic, oligozaharidele i polizaharidele sunt i purttori de informaie. Ele servesc ca etichete cu rol n recunoaterea unor proteine, ca mediatori ai interaciunii celul-celul i celul-mediu extracelular, n aderena celular, migrarea celular, n sistemul imun, etc. n cele mai multe cazuri, rolurile descrise sunt ndeplinite de ctre glucide legate de proteine (a se vedea i capitolul 4). Proteoglicanii: sunt macromolecule de la suprafaa celulelor sau din matrixul extracelular, n care lanuri de glicozaminoglicani sunt legate de proteine secretoare sau membranare. Glicozaminoglicanii sunt heteropolimeri formai prin repetarea unor uniti dizaharidice, traversate de proteine fibrilare ca elastina, colagenul, fibronectina i lamina. Glicoproteinele conin una sau mai multe oligozaharide legate chimic de o protein. Anumite glucide ataate pe suprafeele unor proteine servesc drept indicatori ai vrstei acelor proteine: n timp, ei sunt pierdui de ctre protein, moment n care un receptor special de la nivelul ficatului sesizeaz acest lucru i le scoate din circulaie ca fiind expirate. Glicolipidele sunt lipide membranare la care de captul hidrofilic este legat un polizaharid, fiind astfel uor recunoscute de ctre glicoproteine.


11

3. Lipidele

Lipidele cuprind o clas variat de compui din organismele vii a cror trstur comun este reprezentat de solubilitatea redus n ap i solubilitatea mare n solveni organici. Principalele roluri pe care le au lipidele in organismele vii sunt: rezervoare de energie,

componente structurale principale ale membranei celulare, molecule de semnal (hormoni),

protecie (fa de frig, ap). Alte lipide, dei prezente ntr-o cantitate mai mic, pot ndeplini rolul de emulsificatori n tractul digestiv, componente auxiliare ale enzimelor, mesageri

intracelulari, pigmeni care absorb lumina, transportori de electroni, etc. Lipidele sunt molecule cu o mare diversitate structural; dintre acestea, cele mai notabile vor fi prezentate n continuare:

3.1. Acizii grai Acizii grai apar rar liberi n sistemele biologice, de cele mai multe ori apar legai prin legturi chimice la o structur cum ar fi, de exemplu, glicerolul. Derivaii acestora sunt principalele rezerve energetice din organismele vii, arderea lor fiind o reacie puternic exoterm care are loc ca produi CO2 i apa. Acizii grai conin n general un lan liniar de atomi de carbon bogat n hidrogen (grupri -CH2-), care poate fi privit ca un polimer al gazului metan. De aici i faptul c, asemeni metanului, arderea acizilor grai permite obinerea de cantiti mari de energie de cca dou ori mai mult dect din glucide. La unul dintre capete, acizii grai prezint ntotdeauna o grupare carboxil COOH. Unii acizi grai sunt nesaturai, adic au pierdut civa dintre atomii de hidrogen: ca efect, ntre atomii de carbon care au pierdut hidrogenul se stabilesc legturi duble, dup cum se vede n Figura 6. Tot Figura 6 arat c geometria legturii duble poate fi organizat n dou feluri, numite trans i cis. Acizii grai difer ntre ei prin numrul atomilor de carbon (de cele mai multe ori cuprins ntre 12 i 24) i al legturilor duble. Absena legturii duble ncadreaz acidul gras n categoria celor saturai. Acizii grai nesaturai se mpart n mono-nesaturai, atunci cnd n constituia lor apare doar o singur legtur dubl sau poli-nesaturai, atunci cnd n molecula lor apar mai multe legturi duble. n natur legtura dubl apare n configuraie cis dar, n anumite condiii (fermentaie, hidrogenare, unele boli), are loc

transformarea acesteia n trans.

O diet bogat n acizi grai trans duce la o cretere a nivelului de LDL din snge (o protein care transport lipide i este cunoscut i drept colesterolul ru) i o cretere a capacitii de oxidare a acestuia, avnd efecte negative n ceea ce

privete sntatea organismului, acest fapt jucnd un rol important n

apariia bolilor cardiovasculare. Cei mai ntlnii acizi grai din natur sunt cel stearic i cel palmitic - ambii saturai. Acizii grai

nesaturai sunt mai puin ntlnii i apar n special la plantele superioare. Dintre acetia, cel mai rspndit este acidul oleic.

HO

C

HO

C

O

O

HO

C

O

Figura 6. Exemple de acid gras saturat (primul rnd),

acid gras nesaturat cis (al doilea rnd), i acid gras nesaturat trans (al treilea rnd). Locaia legturii duble

este specificat uneori, n formula chimic, folosind particula urmat de un numr.


12

Acidul -linoleic, precursorul acidului arahidonic, necesar printre altele n sinteza prostagandinelor, cu rol de hormoni, este un acid esenial adic, el nu este sintetizat n organismul mamiferelor, dar este necesar pentru buna cretere i funcionare a acestuia i, de aceea, trebuie obinut de organism din surse vegetale. Cnd alimentele bogate n lipide sunt expuse prea mult timp unei atmosfere cu oxigen,

ele devin rncede, ca urmare a inserrii de atomi de oxigen n legturile duble din lipide, pn la punctul n care acidul gras este rupt n dou buci mai mici, cu formare de compui oxidai care prezint un numr mai mic de atomi de carbon.

3.2. Acilglicerolii (gliceride, sau grsimi) Acilglicerolii sunt alctuii prin ataarea de acizi grai pe glicerol (glicerin), cum se arat n Figura 7. Cnd toi cei trei atomi de oxigen ai glicerolului sunt esterificai cu cte un acid gras, se formeaz un triacilglicerol, principala rezerv energetic din esutul adipos al animalelor. Cei mai muli acilgliceroli sunt micti, cu mai multe tipuri de acizi grai n aceeai molecul. Proprietile fizice ale grsimilor sunt determinate de numrul atomilor de carbon i al legturilor duble din structura acizilor grai. Astfel, cei saturai au capacitatea de a-i alinia lanurile de atomi de carbon unul lng altul formnd interaciuni mai extinse ntre molecule dect acizii grai nesaturai (unde legtura dubl induce un element de neregularitate care limiteaz sau mpiedic alinierea eficient a catenelor de carbon). De aceea, grsimea animal, bogat n acizi saturai, are o consisten vscoas-solid, pe cnd uleiurile din plante, bogate n acizi nesaturai, sunt lichide. Un considerent pentru care triacilglicerolii sunt preferai de ctre organism ca rezerve energetice este faptul c ei sunt hidrofobi i nu necesit la locul de depozitare (esuturile adipoase) o cantitate suplimentar de ap pentru meninerea structurii spre deosebire de glucide, care din cauza gruprilor OH atrag, n general, mult ap n jurul lor. esutul adipos sevete nu numai ca rezerv energetic ci are un rol important, mai ales n cazul animalelor polare, pentru meninerea temperaturii corpului constant (protecie fa de frig) n condiii extreme. Uleiurile vegetale pot fi transformate industrial, prin ataare de molecule de hidrogen, n grsimi saturate deci solide, obinndu-se astfel margarina (reducerea unor duble legturi i transformarea n cis a altora) n grsimi solide. Margarina are avantajul de a fi mai srac n acizi

nesaturai (ceea ce e un element pozitiv pentru sistemul cardiovascular, aa cum s-a artat mai sus), dar fr a fi de origine animal i deci fr a avea colesterol (colesterolul n exces fiind de

asemenea o cauz a problemelor sistemului circulator). Pe de alt parte, n procesul de hidrogenare n care dispar

acizii trans, o parte din ei sunt

transformai accidental n acizi cis, care provoac ei nii probleme de sntate, posibil mai mari dect trans.

Acilglicerolii pot fi hidrolizai prin nclzire cu un acid sau o baz sau

H2C

CH

H2C

O

O

C

C

O C

O

O

O

H2C

HC

H2C

O

O

C

C

O C

O

O

O

Figura 7. Dou exemple de structuri de acilgliceroli


13

prin tratare cu lipaz, o enzim care catalizeaz hidroliza legturilor esterice. Hidroliza n mediu bazic poart numele de saponificare i are ca produi glicerolul i a sarea corespunztoare acidului gras. Tradiional, ea poate fi realizat prin nclzirea de grsime animal cu cenu (cenua fiind bogat n sodiu i potasiu surse de mediu bazic). Acizii grai rezultai din proces, cuplai cu sodiu sau potasiu, au caracter dual (amfipatic sau amfifil): la un capt prezint gruparea ncrcat negativ COO- care i face solubili n ap, iar n rest conin uniti -CH2- care i fac capabili s se ataeze de materiale hidrofobe. Aceast dualitate le permite s functioneze ca detergeni sau spunuri, care atrag n mediul apos depunerile insolubile (murdria) de pe materialele solide.

3.3. Glicerofosfolipide i compui nrudii n glicerofosfolipide, cunoscute i ca fosfogliceride, sunt ataai acizi grai la doi dintre cei trei atomi de carboni ai glicerolului, iar de cel de-al treilea atom de carbon este ataat o grupare fosfat, de care mai departe pot fi ataate i alte uniti hidrofile. Figura 8 ilustreaz astfel

de structuri.

Glicerofosfoli

pidele sunt

componente eseniale ale membranelor

celulelor, dup cum se va discuta mai jos.

Dintre ele, dei n Figura 8 am ilustrat un

compus numit

lecitin, este de subliniat c preparatele vndute

sub acest nume ca

suplimente nutritive sau componente ale spray-urilor de uz culinar non-stick (evit aderarea mncrii la tigi, de exemplu) conin de fapt amestecuri complexe din toate lipidele ilustrate n Figura 8, i nu doar un singur compus chimic. Lipidele aferente pot fi extrase din surse diverse (ou, plante, animale), i sunt folosite n numeroase preparate comerciale alimentare ca ageni de emulsificare (ajutnd la meninerea stabilitii mecanice a unor amestecuri de substante care altfel nu ar putea fi amestecate omogen). Lista lipidelor fosforice este ns mult mai lung. Ele includ printre altele sfingomielinele, importante n teaca de mielin a neuronilor, ceramidele sau gangliozidele, i au funcii diverse, care includ recunoaterea celular, transmiterea de semnale, sau roluri structurale.

Legturile ce implic gruparea fosforic din glicerofosfolipide sunt rupte cu ajutorul unor enzime numite fosfolipaze, care sunt de exemplu o component notabil n unele veninuri animale.

3.4. Ceridele Ceridele sunt compui formai prin legarea unui alcool cu un acid gras, de obicei saturat, ambii avnd un lan lung de atomi de carbon. Ele confer rezisten la ap pielii animalelor, frunzelor unor plante i aripilor psrilor. Suprafaa lucioas a unui mr este datorat acestor

CH2

CH

H2C

OC

OC

O

O

O P

O

O

O

O CH2CH2

+N(CH3)3

fosfatidilcolina ("lecitina")

O CH2O CH2 CH

COO

+NH3

fosfatidil serina

CH CH2

OH OH

fosfatidil glicerol

H

OH

H

OHOH

H

H

OHH

OH

O

fosfatidil inositol

X

X=?den

um

ire

lipid

a

Figura 8. Structura general a glicerofosfolipidelor i cteva exemple.


14

compui. Proprietile ceridelor le fac utile n activiti de lustruire a diferitelor obiecte sau ca produi cosmetici i farmacologici care se absorb foarte repede n piele.

3.5. Terpenele Terpenele sunt derivai ai izoprenului, un compus simplu format din hidrogen i 5 atomi de carbon (cf. Anexe). Cteva exemple de structuri din aceste clase sunt redate n Anexe. Ele au

roluri diverse i includ compui foarte volatili i cu miros puternic, precum mentolul sau limonenul, precursori ai colesterolului, pigmeni sensibili la lumin precum carotenoidele (-caroten, care este precursor al vitaminei A i al pigmenilor din ochi), sau vitamine (K, E, Q n care ns partea terpenic asigur doar hidrofobicitatea necesar pentru ataarea de membrane, nu i principiul activ).

3.6. Steridele (Izoprenoidele) Steridele prezint ca trstur comun prezena unui nucleu format din patru structuri ciclice, trei dintre ele avnd 6 atomi de carbon, iar una 5 dup cum se ilustreaz n Figura 9. Molecula de colesterol, sterolul majoritar din esuturile animalelor i precursorul hormonilor steroidici, este amfipatic: prezint un capt polar (gruparea hidroxil de la C-3) i unul nepolar

(un lan alchil la poziia 17).

Colesterolul

apare n membranele

celulare plasmatice (cele care delimiteaz celula) i ntr-o cantitate mai mic n membranele organitelor

intracelulare. Este o

component a lipoproteinelor din

snge i intr n constituia plcii aterosclerotice din

peretele vaselor

sanguine.

Steroidele

deriv din colesterol i cuprind cinci clase de

hormoni care regleaz citirea informaiei

genetice din nucleele celulelor: androgeni, estrogeni, progesteroni, hormonii glucocorticoizi i mineralocorticoizi. Ei controleaz dezvoltarea caracterelor i a funciilor sexuale la animale (testosteronul i estradiolul din clasa androgenilor, respectiv, estrogenilor), particip n controlul ciclului menstrual i al graviditii (progesteronul), n controlul metabolismului glucid, lipidic i proteic (cortizolul din clasa glucocorticoizilor) i n echilibrul unor ioni (Na+, K+, Cl-) la nivelul esuturilor (mineralocorticoizii).

HC

CH2

CH3

CH2

CH2

HC CH3

CH3

CH3

CH3

HOcolesterolul

OHC O

CH2OH

O

HO

cortizol

OHC O

CH2OH

progesteron

O

OH

HO

estradiol

OH

O

testosteron

Figura 9. Colesterolul, i civa compui derivai din acesta.


15

Acizii biliari sunt derivai polari ai colesterolului care, n intestine, se comport ca detergeni, cu rol n emulsionarea grsimilor; ei sunt produi eliberai n intestinul subire de la ficat, unde sunt depozitai n vezica biliar (de unde i numele lor); este de notat c la ceva vreme dup eliberare ei sunt parial resorbii i trimii napoi la bil, fiind astfel recirculai alturi de alte componente (dar nu toate) ale secreiei biliare. n general plantele, cu cteva excepii minore de compui, care nu i includ ns pe cei menionai mai sus, nu sintetizeaz i nu folosesc steroli; n cazul bacteriilor, absena este chiar total. Produsele animaliere sunt aadar singura surs posibil de colesterol n alimentaie.

3.7. Eicosanoidele Eicosanoidele sunt derivate din acidul arahidonic, un acid gras nesaturat cu 20 de atomi

de carbon. Anexa ilustreaz cteva exemple de astfel de structuri. Ele acioneaz ca molecule de semnalizare care transmit mesaje n imediata vecintate a celulelor care i-au generat, fiind implicai n funciile de reproducere, n procesele inflamatorii, febr, durere, reglarea presiunii sngelui, n secreia acidului gastric i altele. Printre eicosanoide se numr prostaglandinele, importante n contracia musculaturii netede, n procese ca respiraia (la nivelul bronhiilor), circulaia sngelui sau naterea (contracia uterului). Unele produc febr, inflamaii i durere. Alte eicosanoide, tromboxanii, sunt produi de celulele numite trombocite i au rol n coagularea sngelui. Medicamentele antiinflamatorii ca ibuprofenul sau aspirina inhib enzima care catalizeaz formarea prostagandinelor i a tromboxanilor, plecnd de la acidul arahidonic.

O a treia categorie de eicosanoide este reprezentat de leucotriene, molecule semnal foarte puternice care induc contracia musculaturii cilor aeriene; supraproducia acestora poate cauza ocul astmatic.

3.8. Membranele Celulele au numeroase tipuri de membrane, care ndeplinesc multiple funcii. Membrana plasmatic izoleaz citoplasma de mediul exterior, permind traficul bidirecionat i controlat al moleculelor i servind astfel la acumularea de nutrieni sau la detoxificarea celulei. Ea are de asemenea un rol important n locomoie, reproducere, semnalizare, interaciune cu alte molecule sau alte celule din vecintate. Aa cum se va vedea n capitolele urmtoare, multe procese celulare au loc chiar n membrane fie n cele care delimiteaz celula fie n cele care delimiteaz organitele celulare: fotosinteza, lanul transportor de electroni, fosforilarea oxidativ, contracia muscular, transmiterea impulsului nervos, etc.

Aa cum se ilustreaz n Figura 10, membranele biologice sunt alctuite din lipide i proteine (ambele categorii avnd i opiunea, uneori folosit, de a fi legate suplimentar i de uniti glucidice). Avnd i pri hidrofile i hidrofobe, lipidele membranare sunt molecule amfipatice, care pot stabili contacte cu mediul apos din exteriorul celulei, n acelai timp oferindu-i membranei proprieti hidrofobe, acionnd ca o barier efectiv mpotriva moleculelor polare sau ncrcate electric. Cele dou straturi lipidice din componena membranei sunt inute strns ntr-o structur unitar prin intermediul legturilor necovalente dintre unitile de acid gras (A se vedea i Anexele).


16

Proteinele pot

interaciona cu lipidele din membrane n diferite moduri.

Unele se asociaz membranei datorit interaciunilor electrostatice pe care le realizeaz cu suprafaa acesteia, altele sunt ncorporate n matricea hidrofob din miezul membranei, iar altele,

sunt legate prin legturi chimice de lipide membranare, fiind astfel

ancorate n straturile lipidice. Lipozomii, structuri lipidice care se aseamn cu membrana intact a unei celule (dar fr proteine), sunt structuri artificiale produse n laborator prin agitarea puternic a unei suspensii de fosfolipide. Ei sunt folosii n laborator pentru studiul proprietilor membranelor, dar i n produse farmaceutice i medicale unde ei faciliteaz transportul prin organism a componentei active i livrarea acesteia direct n celule prin contopirea membranei lipozomului cu membrana celulei.

Toate membranele biologice sunt asimetrice din punct de vedere structural i funcional. Suprafaa intern i cea extern a unei membrane difer att n compoziie ct i n activitate enzimatic, aceste diferene stnd la baza bunei funcionri a ntregii celule. Aceste diferene in att de lipidele ct i de proteinele membranare.

glicolipidaproteina periferica

proteine integral membranare

fosfolipidaproteina

periferica Figura 10. Reprezentare schemtic a membranei celulare.


17

4. Proteinele i aminoacizii

Proteinele sunt substane polimerice, formate prin legarea chimic a unui numr mai mare de aminoacizi. Ele acioneaz ca i catalizatori (numite atunci enzime), semnalizatori (hormoni de exemplu insulina, care controleaz procesarea glucozei), n aprare (anticorpi, toxine, antibiotice), n micare (fibre musculare), transport (hemoglobina din snge pentru oxigen, albumina din snge pentru lipide, vitamine i altele), depozitare (de exemplu feritina pentru fier, ori cazeina din lapte) structural (colagenul), i altele. Unele conin pe lng aminoacizi i o component de alt natur, numit grupare prostetic, ce le ajut s-i ndeplineasc funia - lipidele (lipoproteinele din snge, de tipul LDL sau HDL), glucide, metaloproteine (feritina cu Fe, alcool dehidrogenaza cu Zn, calmodulina cu Ca), i altele.

4.1. Aminoacizii 20 de aminoacizi sunt des ntlnii n proteine, fiecare avnd aceeai structur general: un

atom de carbon la care sunt legate patru uniti diferite - o grupare carboxilic COO-, o grupare amino NH3

+, un atom de hidrogen i o grupare simbolizat R, care este diferit la fiecare aminoacid. Acest R variaz n structur i mrime; structurile celor 20 de aminoacizi importani sunt ilustrate n Anexa 4. Pentru denumirea aminoacizilor se utilizeaz prescurtri din trei litere sau un simbol dintr-o liter (ex: histidina His sau H; triptofan Trp sau W). Ca i n cazul glucidelor, aminoacizii conin atomi de carbon chirali; spre deosebire de glucide, care erau preferate de organisme sub forma D, aminoacizii sunt folosii preferenial sub forma L.

Doi aminoacizi pot fi legai ntrei ei covalent printr-o legtur numit i legtur peptidic, se formeaz astfel o dipeptid. n mod similar se pot forma tripeptide, tetrapeptide, etc (sau n general, oligopeptide). Atunci cnd numrul de aminoacizi care se leag este mai mare (n general, peste 50) se obin proteinele (ele pot conine pn la cteva zeci de mii de aminoacizi, fiind numite i polipeptide); ele sunt ntotdeauna polimeri liniari i nu ramificai.

Pe lng rolul de uniti de baz n construcia proteinelor, i de cel de resurs de energie, aminoacizii sunt importani i n sinteza altor clase de compui. Astfel, fenilalanina reprezint substana de plecare n producerea hormonilor tiroidieni. Triptofanul are un rol important n metabolism, fiind strns legat de formarea vitaminei B3 dar i a serotononei din sistemul nervos. Tirozina are o nsemntate deosebit n organismele animale prin faptul c poate forma adrenalina (=epinefrina).

Pe lng cei 20 de aminoacizi comuni, exist i ali aminoacizi care intr n componena unor proteine, adesea obinui prin modificarea unora din cei 20. Spre exemplu, aminoacizi cu exces de oxigen se gsesc n esutul conjunctiv, iar aminoacizi cu exces de atomi de carbon se gsesc n muchi.

4.2. Structura proteinelor Compoziia aminoacizilor n structura proteinelor variaz n mare msur. n majoritatea

proteinelor se gsesc cei 20 de aminoacizi comuni, prezeni de obicei, n cantiti similare; excepii sunt His, Cys, Met, Tyr i Trp care se gsesc n cantiti mai mici. Unele proteine specializate au o compoziie neobinuit: spre exemplu mai mult de jumatate din protein numit colagen e constituit doar din doi aminoacizi - glicina i prolina. Structura primar (sau secvena) este definit ca ordinea n care sunt aezai aminoacizii ntr-o protein. Aceast structur, principial liniar, se mpacheteaz n spaiu n forme complexe, n care diversele pri ale polimerului se ntlnesc i interacioneaz ntre ele prin legturi de hidrogen, puni ionice, interaciuni hidrofobe (a se vedea Anexa 1), i, mai rar, legturi cu metale i legturi sulf-sulf.


18

Anumite poriuni din structura proteinelor adopt motive structurale comune n majoritatea proteinelor cele mai importante fiind poriunile de tip spiral numite helixuri i poriunile de lanuri aproximativ liniare i aliniate ntre ele, numite foi beta; generic, astfel de elemente locale de organizare se numesc structur secundar (prin contrast cu cea primar descris mai sus). Structura teriar se refer la aranjamentul de ansamblu al catenelor proteice n spaiul tridimensional. Structura cuaternar se refer la aranjamentul n spaiu al proteinelor care conin dou sau mai multe lanuri. Cel mai cunoscut exemplu de protein cu structur cuaternar este hemoglobina din snge

Proteinele se clasific n trei mari clase: fibrilare (insolubile n ap, organizate sub form de fibre, aa cum arat i numele), membranare (inserate n membranele celulelor, i de aceea insolubile n ap) i globulare (solubile n ap).

4.3. Enzime Enzimele sunt proteine specializate n a cataliza reacii (a le mri viteza) n organismele

vii. Substana asupra creia acioneaz o enzim este denumit n general substrat. Majoritatea enzimelor conin n denumirea lor numele substratului pe care l leag sau

cuvinte/fraze ce descriu activitatea lor, i sufixul aze. Spre exemplu lipaza acioneaz asupra lipidelor, proteaza acioneaz asupra proteinelor, etc. Alte enzime au fost ns denumite nainte de a se cunoate modalitatea prin care acioneaz i poart numele aciunii n care sunt implicate (pepsina, cu numele provenind din cuvntul grecesc nsemnnd digestie, este implicat n digestia alimentelor).

Partea din enzim care particip direct la procesul de cataliz se numete centru catalitic; se folosete i denumirea mai general de centru activ (aplicabil i poriunilor care execut alte operaiuni dect cataliza). Unele enzime folosesc la centrul activ componente chimice adiionale (deci, nu formate din aminoacizi ca restul proteinei), numii cofactori (n funcie de modul de legare, ei pot fi ntlnii i ca grupri prostetice sau coenzime) care pot fi molecule pe baz de carbon (inclusiv cunoscutele vitamine) sau chiar metale (Fe, Mg, Mn, Zn).

Multe substane pot afecta procesele metabolice prin faptul c influeneaz activitatea enzimelor, micornd activitatea lor (se comporta ca inhibitori). Inhibiia st la baza funcionrii multor produse farmaceutice.

Precum s-a menionat, reaciile enzimelor sunt asistate i de grupri non-proteice, numite cofactori. O parte mare din aceti cofactori sunt formai prin modificarea unor substane eseniale, numite vitamine (termenul provine de la faptul c vitamina B1, prima descoperit, coninea azot, fiind clasificat de aceea ca amin de la termenul de amin vital provenind apoi prin contracie cuvntul vitamin). Vitaminele sunt substane care nu pot fi sintetizate de ctre organism, ns prezena lor n corpul uman este esenial pentru funcionarea acestora. n funcie de solubilitatea lor n ap, vitaminele se clasific n dou categorii: hidrosolubile i liposolubile. Ele sunt discutate n mai mult detaliu n capitolul 7.


19

5. Acizii nucleici

Acizii nucleici au un rol important n depozitarea i transmiterea informaiei genetice. Ei se mpart n dou clase majore: ADN-ul, implicat n depozitarea informaiei genetice i ARN-ul, prezent n general n diferite etape ale citirii informaiei i n biosinteza proteinelor. Asemeni proteinelor, acizii nucleici sunt polimeri liniari. Ei sunt alctuii din uniti numite nucleotide; o nucleotid este la rndul ei alctuit din trei componente mai simple: un acid fosforic (de aici i numele de acizi nucleici cealalt parte a numelui derivnd din faptul c mare majoritate din funciile lor se desfoar n nucleul celulei), o glucid, (fie riboza, de la care deriv numele de acid ribonucleic, prescurtat ARN, fie deoxiriboza, de la care deriv numele acid deoxiribonucleic, ADN), i un compus coninnd azot care este numit generic baz azotat. Cinci astfel de baze azotate sunt ntlnite n acizii nucleici ai tuturor organismelor vii; adenina

(A), guanina (G), citozina (C) i timina (T) i uracilul (U). A, G, C, T sunt prezente n ADN, iar A, G, C, U sunt prezente n ARN. Structurile ADN i ARN sunt ilustrate n Figura 11.

Structura care se obine prin eliminarea acidului fosforic din nucleotid se numete nucleozid; astfel, generic, unei nucleotide i se poate spune i nucleozid monofosfat (de exemplu, adenozin monofosfat, prescurtat AMP); uneori pe nucleotidele libere se poate ataa la gruparea fosfat o a doua, obinndu-se nucleozid difosfai (ADP, GDP, etc); cu nc o grupare fosfat se obin nucleozid trifosfaii, dintre care ATP (adenozin trifosfat) are un rol remarcabil. Anume, din cauz c legtura chimic dintre ultimele dou grupri fosfat din ATP se produce cu aport energetic, i din cauz c la ruperea acelei legturi energia nmagazinat iniial poate fi eliberat, ATP funcioneaz ca depozitar universal de energie n toate organismele pe care le cunoatem; se mai folosete i expresia moneda universal de energie a celulelor vii. i alte nucleotide sau nucleozide libere au funcii n afara participrii la structura ADN sau ARN; spre exemplu,

N

NN

N

NH2

O

HO

HH

HH

PO

O-

O

NH

N

N

O

NH2N

O

H

HH

HHO

PO

O-

O-

N

NH2

ON

O

HO

HH

HH

PO

O-

O

NH

O

ON

O

HO

HH

HH

PO

O-

HO

ON

NN

N

NH2

O

OHO

HH

HH

PO

O-

O

NH

N

N

O

NH2N

O

OH

HH

HHO

PO

O-

O-

N

NH2

ON

O

OHO

HH

HH

PO

O-

O

NH

O

ON

O

OHO

HH

HH

PO

O-

HO

O

ADN ARN

H3Ctimina uracil

citozina citozina

adenina

guanina guanina

adenina

Figura 11. Un fragment de patru nucleotide din alctuirea unei catene de acid nucleic.


20

adenozina funcioneaz ca hormon care controleaz printre altele dilatarea vaselor de snge, contracia muscular, transmiterea impulusului nervos sau metabolismul grsimilor; cafeina i compusul nrudit teobromina, care dau efectele stimulative ale cafelei i ceaiului. i datoreaz activitatea faptului ca ntmpltor ao o structur similar cu a adenozinei).

5.1. ADN ADN se gsete n general n nucleul celulei, ntr-o form mpachetat alturi de proteine speciale, sub forma unor formaiuni numite cromozomi. Ordinea n care se aeaz nucleotidele n structura ADN

alctuiete un cod care arat compoziia fiecrei proteine din celula respectiv (din ce aminoacizi este ea format i n ce ordine sunt acetia aezai) toate nscrise, pe rnd, n aceeai molecul de ADN. Acesta este rolul ADN unul singur, spre deosebire de alte clase de

molecule (proteine, glucide, lipide) care au roluri mult mai diverse. Cum o celul tipic va conine mii de proteine, ADN poate deveni destul de lung: spre exemplu, cel uman are cca 2 metri i este nevoie de operaii extrem de complexe ca acesta s poat fi mpachetat ntr-un nucleu ce are un diamteru de cca un milion mai mic dect lungimea ADN. Este de menionat c, n special la organismele mai complexe, ADN conine nu doar lista compoziiei tuturor proteinelor pe care organismul respectiv le-ar putea sintetiza, ci, intercalate printre informaiile referitoare la proteine, el mai conine i poriuni care funcioneaz drept comutatoare: aici se pot lega molecule din exterior (de obicei tot proteine, produse de aceeai celul), care s controleze n ce msur informaia referitoare la o anume protein trebuie citit astfel nct, n condiii normale, fiecare protein este produs exact n cantitatea (diferit de la protein la protein) n care ea este necesar; exist inclusiv proteine care este posibil s nu fie produse deloc pe parcursul vieii unei anume celule, pentru ca nu s-au ndeplinit condiiile de mediu sau interne n care s fie nevoie de ea. Pentru informaia depozitat n ADN se folosete i termenul de informaie genetic. Modul (relativ simplu, dup cum se va vedea), prin care secvena de nucleotide din ADN (A, T, C, G) este tradus n secvene de aminoacizi din proteine poart numele de cod genetic. Remarcm faptul c aceast suma de informaii despre producerea proteinelor este toat informaia de care are nevoie celula pentru a supravieui i a se multiplica; nu gsim aici informaii directe despre alte molecule (glucide, lipide, vitamine): proteinele produse pe baza ADN-ului se vor ocupa de prelucrarea tuturor celorlalte substane. Dup cum s-a artat, ADN este esenial pentru funcionarea celulei. De aceea, nu surprinztor, n mod obinuit molecula de ADN este prezent n celula vie sub form de dou copii. Folosim ghilimelele pentru c cele dou lanuri de ADN nu sunt identice chimic unul cu cellalt, dar conin totui aceeai informaie. Anume, cele dou catene profit de o proprietate a bazelor azotate A, T, C i G de a se lega una de alta prin legturi de hidrogen (a se vedea i Anexa) dar foarte selective: anume, A se leag doar de T, iar G doar de C. Cele dou catene de ADN din nucleu se aliniaz una lng cealalt astfel nct ntotdeauna acolo unde o caten conine A, cea de alturi s conin T, iar n dreptul unui G cealalt caten s conin un C.

N

NN

N

NH2

O

OHOH

HH

HH

OPO

O-

O

P

O-

OP

O-

OO

-O

Figura 12. Structura ATP. Este subliniat n gri

legtura n care este depozitat energia n

funcionarea ATP ca moned universal de energie.


21

Prezena a dou catene de ADN coninnd aceeai informaie n nucleul celulei prezint dou avantaje. Dintr-un punct de vedere, exist n acest fel o copie de rezerv n cazul n care reacii chimice ar afecta accidental una dintre copii: e posibil astfel procesul de reparare, care are loc

continuu n celulele vii, a leziunilor

ADN; n fapt, pe parcursul unei zile

fiecare dintre celulele noastre sufer zeci de mii de astfel de accidente,

potenial letale, care sunt fiecare corectate fr ca noi s percepem acest lucru n vreun fel. Pe de alt parte, atunci cnd celula urmeaz s se divid n alte dou celule (forma de multimplicare/reproducere a celulelor),

fiecare dintre cele doua celule-fiic va primi cte o copie din ADN-ul celulei-

mam. Odat separate, fiecare caten de ADN va servi ca model pentru

producerea unei noi copii.

Se vede aici c meninerea integritii ADN este esenial pentru supravieuirea unui organism i implicit

a speciei din care face el parte. Ca orice alt proces n natur, operaiile de copiere a ADN nu se desfoar ntotdeauna fr greeli. Situaiile n care ADN-ul nou produs difer prin cel puin o nucleotid de cel original, sunt numite mutaii genetice, iar indivizii respectivi sunt numii mutani. Mutaiile genetice stau la baza evoluiei: acolo unde aceste accidente duc la indivizi mai de succes, ele sunt perpetuate n descendenii acelor indivizi; acolo unde ele duc la probleme de funcionare a organismului, ele tind s dipar treptat odat cu indivizii care le produc. Tot mutaiile sunt cele reponsabile de unele boli (cancerul fiind unul dintre cele mai cunoscute exemple), dar i, potrivit unor teorii, de procesul de mbtrnire. Multe dintre substanele produse n mod accidental sau nu de activitatea uman pot afecta ADN-ul (i sunt numite de aceea mutagene). O important surs a alterrii mutagenetice este stresul oxidativ generat de speciile reactive provenite din molecula de oxigen (apa oxigenat, superoxidul i altele) i de radicalii liberi (substane pe baz de carbon care, spre deosebire de cele obinuite, au n structura lor un numr impar de electroni, ceea ce face ca n timp ce majoritatea electronilor lor rmn cuplai n legturi chimice, unul singur dintre ei s rmn fr partener ceea ce l face s reacioneze extem de uor cu alte molecule, deci greu de controlat i periculoi). Astfel de specii reactive sunt prezente spre exemplu n fumul de igar. Un alt exemplu de ageni mutageni sunt radiaiile de energie mai mare dect cea vizibil: cele ultraviolete (UV mpotriva crora se folosesc spre exemplu pentru protecie cremele solare) dar i cele mult mai puternice (cum sunt cele de tip x, produse de reaciile rare n care sunt alterate nucleele atomilor cazul centralelor nucleare, bombelor atomice, dar i al aparatelor extrem de utile n medicin, de radiologie).

N

N

N

NNH2

HN

O

O

CH3

N

adenina timina

NH

N

N O

NH2

N

N

H2N

O

N

guanina citozina

A T

G C

C G

Figura 13. Organizarea dublu catenar a ADN-ului. Remarcm faptul c cele dou catene, legate ntre ele prin legturi de hidrogen A---T i G---C, se i

rsucesc una n jurul celeilalte, astfel nct rezult o structur spiralat (un dublu helix).


22

n prezent biochimitii au dobndit cunotinele necesare pentru a manipula ADN-ul n moduri multiple. El poate fi copiat n orice cantiti, fie n ntregime fie pe poriuni bine determinate. Se pot introduce modificri selective n ADN, mergnd pn la situaia n care poriuni de ADN dintr-un organism pot fi introduse n altul (care devine astfel modificat genetic). Utilitatea acestei proceduri este inestimabil spre exemplu n medicin: putem produce n cantiti nelimitate proteine umane necesare ca medicamente, cum este insulina, modificnd genetic microbi pentru a o sintetiza; putem de asemenea aduce ntr-un bolnav poriuni de acid nucleic ce nva celulele bolnave s lupte mpotriva bolii; nu n ultimul rnd, putem copia selectiv poriuni din ADN-ul unor organisme sau virui periculoi, pentru a nelege mai bine cum funcioneaz i a gsi astfel modaliti noi de a lupta mpotriva bolilor sau infeciilor.

5.2. ARN n contrast cu ADN-ul, ARN-ul nu poate forma structuri de dublu helix dect pe poriuni scurte (din cauza unui atom de oxigen pe care nucleotidele sale l au n plus fa de ADN). Probabil din aceast cauz, ARN poate adopta o variatate mult mai mare de structuri spaiale i de funcii. Se disting mai multe tipuri de ARN: ARNr (ribozomal, parte a componentelor celulare care produc proteine, numite ribozomi), ARNt (de transport, care transport aminoacizi ctre ribozomi), ARNm (mesager, care este o copie a unei poriuni de ADN, i care este folosit de ribozomi pentru a citi informaia provenit de la ADN i a produce astfel proteine), i altele mai puin cunoscute (unii chiar capabili s catalizeze reacii). Procesul prin care se sintetizeaz proteine de ctre ribozomi se numete n biochimie translaie (un sinonim pentru traducere, pentru c se traduce informaia scris sub form de nucleotide n ADN, n informaie sub form de aminoacizi n protein), iar sinteza ARNm se numete transcripie (un sinonim pentru transcriere, pentru c se transcrie o parte din informaia de pe ADN, de obicei, cea referitoare la una sau cteva proteine), pe catena de ARNm. Anexele detaliaz aceste procese. Din cauza versatilitii ARN comparativ cu ADN, unii cercettori presupun c organismele promordiale ar fi nvat s foloseasc prima dat ARN, ADN aprnd doar ceva mai trziu; n fapt, exist i azi virui, dar nu i organisme vii, care i stocheaz informaia genetic pe ARN n loc de ADN.

Datorit faptului c sinteza proteinelor este o funcie central n fiziologia celular, ea reprezint o int principal a multor antibiotice i toxine, care s blocheze funcionarea ribozomului. Exemple sunt tetraciclina, cloramfenicolul sau streptomicina.

Etapa ultim a sintezei proteice const n mpachetarea i procesarea lanului proteic n forma activ biologic. n timpul sintezei i dup, n mod progresiv ea i va dobndi forma util pentru organism (form determinat de fore i componente discutate n capitolul 4).


23

6. Metabolismul

Metabolismul servete dou scopuri principale: generarea energiei necesare tuturor proceselor vitale din organism, i sinteza de biomolecule. El const n sute de reacii realizate de enzime, organizate n diferite ci specifice. Cile metabolice se pot mpri n dou clase majore:

una catabolic, n care molecule mai complexe (carbohidraii, proteinele, grsimile) sunt transformate, prin oxidare n produi mult mai simpli i mici (acid lactic, CO2, NH3, etc). Din energia obinut, o parte este conservat de ctre ATP i de ctre molecule specializate n transport de electroni (NADH, NADPH, FAD a se vedea i capitolul 7); restul se transform n cldur;

una anabolic, sau biosintetic, n care precursori, sub forma moleculelor simple i mici, servesc la construirea moleculelor complexe (lipide, proteine, polizaharide i acizi nucleici). Aceste procese necesit energie, furnizat de ATP, NADH, NADPH i FADH2.

Dup cum s-a subliniat i n capitolele precedente, o parte din energia provenit de la alimente i energia luminoas este transformat de ctre celul ntr-o molecul uor accesibil, adenozin-trifosfat (ATP). Energia este apoi eliberat din ATP prin eliminarea unei legaturi fosfat-fosfat (cum s-a indicat n Figura 12). ATP-ul este un transportor bun al gruprii fosfat, servind ca principalul donor rapid de energie din sistemele biologice. Un organism uman aflat n repaus

consum aproximativ 40 de kg de ATP n 24 de ore. Pentru dou ore de alergare, sunt utilizate 60 kg ATP. A nu se nelege c organismul are un schimb cu mediul de 40 sau 60 de kg: ATP-ul se poate compara cu un acumulator ncrcat cu energie, care, prin consumarea energiei, se transform n ADP (adenozin difosfat - care este echivalentul unui acumulator descrcat); acumulatorul exist n continuare n organism doar c necesit rencrcat. Deci, este vital s existe mecanisme de regenerare a acestei molecule. Generarea ATP-ului este unul dintre rolurile

importante ale catabolismului. Carbonul din moleculele din alimentaie (glucide, lipide, proteine) este oxidat la CO2, iar energia eliberat este folosit pentru regenerarea ATP-ului din ADP. Unii compui ai sistemelor biologice au un potenial de transfer al gruprii fosfat mai mare dect al ATP-ului. Din categoria acestora face parte fosfoenolpiruvatul (PEP) sau i creatininfosfatul; aceste molecule pot ceda gruparea fosfat ctre ADP, cu formare de ATP. n muchi creatinina are un rol important tocmai de a servi ca rezervor de grupri fosfat pentru regenerarea rapid a ATP, atunci cnd el este consumat n ritm constant.

6.1. Catabolismul n generarea energiei provenite din surse alimentare, se descriu trei faze.

1) n prima faz, moleculele mari sunt transformate n uniti mici. Proteinele sunt hidrolizate la cei 20 de aminoacizi, polizaharidele la zaharuri simple i glucoz, iar grsimile, la glicerol i acizi grai.

2) n faza a doua, moleculele mici obinute n prima faz sunt degradate la uniti simple (de obicei coninnd cte doi atomi de carbon), care joac un rol important n metabolism. n aceast faz se produce o cantitate de energie mult mai mic dect cea obinut n cea de-a treia faz. Principalul lan de reacii din aceast etap este glicoliza.

3) n cea de-a treia faz, ATP-ul este produs ca urmare a unei oxidri complete a unitilor simple produse la punctul 2). Un element cheie aici este ciclul acizilor tricarboxilici (ciclul

Krebs sau ciclul acidului citric) Aici carbonul provenind din hran este finalmente transformat n CO2; deoarece aceast oxidare nseamn i c s-au extras 4 electroni per atom de carbon, acei electroni vor fi mai apoi utilizai pentru producerea ATP-ului.


24

6.1.1. Glicoliza Prin glicoliz, o molecul de glucoz cu ase atomi de carbon este scindat, n urma mai multor reacii, n dou molecule de acidul piruvic (a cte trei atomi de carbon fiecare). n primul pas, celula investete energie n glucoz, consumnd ATP pentru a plasa dou uniti de fosfat pe glucoz. Astfel activat, ea devine mult mai reactiv i poate fi desompus mai uor, n civa pai care duc la eliberarea unei cantiti mai mari de ATP dect cea investit, la eliberarea de NADH (deci, tot energie provenit din glucoz), i, n cele din urm, de acid piruvic (AP). n condiii normale, AP este apoi supus unei operaii intermediare prin care pierde un atom de carbon sub form de CO2, dup care este prelucrat n ciclul lui Krebs pn la CO2 i ap. Cele mai multe esuturi au nevoie de glucoz pentru a funciona. Pentru creier, aceast nevoie este esenial. Modalitatea major de a metaboliza glucoza este glicoliza, proces care se poate desfura n citosol, att n condiii aerobe, ct i anaerobe. Oxidarea glucozei dincolo de piruvat necesit n om att oxigen ct i mitocondrii (organite celulare n care se extrage majoritatea energiei din nutrieni, numite de aceea i uzinele energetice ale celulei). Aproape toate celulele noastre conin mitocondrii; o excepie sunt cele roii din snge (eritrocitele). Glicoliza este calea principal de a metaboliza att glucoza ct i fructoza, galactoza sau ali carbohidrai provenii din diet. Capacitatea glicolizei de a produce ATP chiar i n absena oxigenului are o importan deosebit, permind muchilor scheletici s funcioneze la un randament nalt chiar atunci cnd aportul de oxigen este insuficient, asigurnd astfel

supravieuirea esutului n perioadele anoxice. Pe de alt parte, muchiul cardiac, fiind adaptat pentru performane aerobice, are o activitate glicolitic i o capacitate de supravieuire relativ mic n condiii de privare de oxigen. esuturile implicate n activiti intense i rapide (muchiul pectoral la psri) sunt mai deschise la culoare, n timp ce esuturile implicate n activiti mai uoare, dar de durat (muchiul piciorului) sunt nchise la culoare (muchiul rou). Culoarea crnii nchise provine de la fierul prezent n proteine numite citocromi i implicate n faza final a catabolismului glucozei, dup ciclul Krebs. n aceste esuturi, metabolismul glucozei este predominant aerobic, ea fiind transformat complet n CO2 i ap. n contrast, muchiul deschis la culoare conine puine mitocondrii, glucoza fiind metabolizat doar prin glicoliz, deci incomplet, cu randament mai mic ns mai rapid. Compoziia muchilor atleilor reflect tipul de sport pe care acetia l practic. Muchii piciorului unui adult conin cam jumtate din fiecare tip descris mai sus. Un sprinter are o cantitate mai ridicat de muchi albi , n timp ce un maratonist are n jur de 90% muchi rou. Medical, deficienele n enzime implicate n glicoliz se reflect adesea n hemoliz (celulele roii se distrug prea uor) i oboseala muscular. Pe de alt parte viteza ridicat de funcionare a glicolizei n celule canceroase depeste mult capacitatea ciclului Krebs de a metaboliza produsul acesteia, acidul piruvic (AP). Ca urmare, pe baza energiei acumulate n

exces n celul AP este transformat n acid lactic i contribuie astfel la creterea aciditii mediului respectiv. Contracia muchilor n condiii anaerobe de asemenea produce acid lactic, a crui acumulare d senzaia de febr muscular. De asemenea, aceast reacie poate fi produs de unele bacterii, n procese ca fermentarea laptelui sau iaurtului. Nu n ultimul rnd, tot n condiii anaerobe AP este transformat de unele microorganisme n alcool etilic (fermentaia alcoolic).

6.1.2. Ciclul Krebs (ciclul acizilor tricarboxilici, ciclul acidului citric) Ciclul Krebs reprezint un punct central n metabolismul aerobic celular al oricrei molecule care poate fi transformat ntr-o grupare din doi atomi de carbon (acetil) fie ea


25

lipid, glucid, protein. El nu reprezint doar punctul final al oxidrii aerobice a carbohidrailor, lipidelor i proteinelor, ci este o surs important de precursori ai aminoacizilor, acizilor nucleici, colesterolului i altele, avnd un rol important n gluconeogenez (sinteza de glucoz) i lipogenez (sinteza de lipide). Dei aceste procese se desfoar n multe tipuri de esuturi, intensitatea maxim a acestora are loc la nivelul ficatului. Enzimele ciclului acidului citric sunt localizate n mitocondrii, fie libere fie ataate de membrana intern (mitocondria este delimitat de dou membrane proprii, una extern i una intern, aa cum se vede n Figura 14). Ciclul Krebs const ntr-o serie de reacii de oxidare, care rezult n transformarea celor doi atomi de carbon provenii din nutrieni n dou molecule de CO2. n acest proces se produce i o cantitate relativ mic de ATP; majoritatea energiei degajate prin oxidare n ciclul lui Krebs este stocat pe moleculele NAD i FAD. Aceti electroni sunt apoi transferai ctre pasul urmtor de prelucrare: lanul transportor de electroni.

6.1.3. Lanul transportor de electroni i fosforilarea oxidativ n urma glicolizei, a ciclului Krebs i a oxidrii acizilor grai, rezult electroni bogai n energie, stocai pe molecule de NAD i FAD. Aceti electroni sunt apoi cedai ctre o serie de proteine localizate n membrana intern mitocondrial i numit lanul transportor de electroni (vezi Figura 14), care pe msur ce i transport le extrag energia i o folosesc pentru pomparea protonilor afar din matrixul mitocondrial i ctre spaiul intermembranar. Distribuia inegal de protoni astfel generat este o form de energie, care este folosit pentru sinteza ATP. Mai exact, ATP-ul este sintetizat atunci cnd protonii ptrund din spaiul intermembranar napoi n matrix, printr-o enzim numit ATP-az; aceast form de sintez a ATP se numete i oxidativ, i ea este responsabil pentru peste 90% din ATP-ul sintetizat n organismele noastre. Electronii nii, odat ajuni la finalul traseului din lanul transportor de electroni, au deja o energie mult redus dup ce ea a fost cheltuit pentru acumularea de protoni n spaiul intermembranar. Se pune prin urmare problema eliminrii lor din sistem prin plasarea pe o molecul co de gunoi. Aceast molecul trebuie s ndeplineasc dou condiii: s poat accepta electroni fr a genera produi toxici, i s se gseasc n abunden. n cazul organismelor aerobe, inclusiv a oamenilor, aceast molecul este oxigenul molecular, O2: acceptnd electroni, el devine ap, H2O. Exist ns i organisme (n special bacterii) care folosesc alte molecule n locul oxigenului ca de exemplu azotat, sulfat, sau chiar sruri anorganice insolubile (piatr). Seria de procese descrise aici este denumit generic respiraie. Transformarea O2 n H2O la nivelul ultimei proteine din lanul transportor de electroni este un proces foarte sensibil; proteina respectiv, numit enzima citocrom oxidaza i coninnd fier, este blocat foarte eficient de otrvuri ca monoxidul de carbon sau cianura, care astfel blocheaz respiraia inhib citocrom oxidaza i, prin urmare, opresc total respiraia. n total, ciclul lui Krebs, lanul transportor de elctroni i ATPaza genereaz 38 ATP/glucoz consumat, spre deosebire de doar 2 ATP obinui n etapa anterioar, i anume glicoliza. Se pot astfel constata, cu uurin, avantajul enorm al metabolismului aerobic, desfurat n medii bine oxigenate.


26

6.1.4. Calea pentozo-fosfailor i alte ci ale metabolizrii hexozelor O cale alternativ de metabolizare a glucozei este calea pentozo-fosfailor. Ea nu genereaz ATP, dar prezint alte dou funcii majore: este unicul mod de generare al NADPH, necesar pentru sinteza acizilor grai i a sterolilor, i servete la sinteza acizilor nucleici. Calea pentozofosfailor este foarte activ n celulele roii ale mamiferelor. Aici, NADPH produs servete ca surs de electroni pentru o enzim care lupt mpotriva stresului oxidativ (definit n capitolele anterioare), ca i pentru pstrarea fierului din hemoglobin n forma Fe2+, singura capabil s transporte O2 (altfel fierul tinde s se oxideze, i devine incapabil s transporte oxigen).

Catabolismul altor carbohidrai implic transformarea lor n intermediari din glicoliz. Prin diet, organismul primete o cantitate mare de dizaharide ca lactoza, manoza i zaharoz. Primul pas n utilizarea acestora este reprezentat de conversia acestora n monozaharide;

deficiena n enzime necesare acestor ci poate cauza o varietate de probleme intestinale (ca de exemplu intolerana la lactoz datorit lipsei lactazei).

6.1.5. Catabolismul acizilor grai Principalele rezerve energetice ale organismelor animale sunt reprezentate de grsimile insolubile, depozitate n esuturile adipoase (triacilglicerolii). Degradarea i sinteza acizilor grai se desfoar la nivelul esuturilor adipoase n multe organe, dar intensitatea maxim este atins

Figura 14. Organizarea general a unei mitocondrii, i detalii despre lanul transportor de

electroni.


27

la nivelul ficatului. Separarea spaial a celor dou procese (biosinteza lipidelor n citosol, iar catabolismul n mitocondrie) permite un control individual, ca rspuns al necesitii esutului. Pentru obinerea energiei, lipidele trebuie s fie, mai nti, mobilizate din depozitele esuturilor adipoase. n acest proces, triacilglicerolii sunt degradai la acizi grai i glicerol, n procesul de lipoliz, catalizat enzimatic de ctre lipaze, enzime aflate sub control hormonal (adrenalina, glucagonul, insulina, etc). Mai apoi, acizii grai sunt tiai n buci de cte doi atomi de carbon, care sunt apoi supuse ciclului lui Krebs sau pot s fie transformate, la nivelul ficatului, n corpi cetonici (aceton, acetoacetat, 3-hidroxibutirat) care servesc ca surse de energie majoritar pentru unele esuturi, n special n condiii de deficit de glucoz.

6.1.6. Catabolismul proteinelor n fiecare zi, 1-2% din totalul proteinelor corpului se renoiesc, n special cele din

esuturile musculare. Degradarea proteinelor are loc cu o frecven mult mai mare n esuturile n care se produc rearanjri structurale permanente (ou, esutul uterin n timpul graviditii, musculatura scheletului n timpul nfometrii, etc). Dintre aminoacizii eliberai n astfel de degradri, aproximativ 75% sunt reutilizai. Excesul de aminoacizi, provenit fie din degradarea proteinelor, fie dintr-o diet bogat n proteine, dac nu este utilizat n biosinteza unor noi proteine, este degradat rapid. Azotul provenit din acest exces este transformat n uree, iar

scheletul carbonic este utilizat pentru sinteza carbohidrailor i a lipidelor sau pentru producerea ATP-ului. De asemenea, n timpul nfometrii sau n cazul diabetului zaharat, cnd carbohidraii nu sunt disponibili sau sunt utilizai ntr-un mod necorespunztor, ca surse energetice sunt folosite proteinele celulare.

Degradarea proteinelor la aminoacizi este realizat cu ajutorul unor enzime specifice, de tipul proteazelor i peptidazelor. Acestea nu se gsesc numai n tractul digestiv (pepsina, tripsina, chimiotripsina), ci sunt prezente i n interiorul celulei.

6.1.7. Degradarea aminoacizilor Degradarea aminoacizilor are loc, cu precdere, n ficat. Primul pas n catabolismul celor mai muli aminoacizi const n ndeprtarea atomilor de azot. Un rol important n acest proces l are glutamatul, molecula care preia azotul de pe un aminoacid. Scheletul carbonic astfel rezultat

va suferi modificri ulterioare care vor duce la obinerea unor precursori ai glucozei i intermediari ai acidului citric.

NH3 (amoniacul), forma sub care este eliminat azotul din aminoacizi, este relativ toxic,

provocnd la concentraii ridicate afeciuni, n special, ale creierului. Din acest motiv, organismul prezint mecanisme prin care amoniacul este inactivat i excretat. Astfel, amoniacul este transformat n uree, n ciclul uric, care se desfoar numai la nivelul ficatului, cu debut n mitocondrie i finalizare n citosol.

6.2. Anabolismul 6.2.1. Gluconeogeneza

Unele esuturi ale mamiferelor (esutul nervos, esutul embrionar, eritrocitele, medulara renal, etc) depind n ntregime de glucoza din snge pentru metabolismul energetic. Numai creierul are nevoie, ntr-o zi, de mai mult de jumtate din glucoza depozitat sub forma glicogenului, n muchi i ficat. Mobilizarea glucozei din aceste rezerve nu este ntotdeauna suficient; n perioada dintre mese, dup un post mai lung sau un efort intens, rezerva de glicogen se epuizeaz i este activat o alt cale de generare a glucozei, din precursori nonzaharici. Ficatul


28

este organul principal responsabil pentru gluconeogenez, dar aceasta se poate produce i la nivelul rinichilor. Principalii precursori ai glucozei sunt aminoacizii, provenii din proteinele musculare, lactatul, care se formeaz n eritrocite i n muchi din piruvat n absena oxigenului, iar un al treilea precursor important este glicerolul, produs ca urmare a degradrii grsimilor. Multe din reaciile catalizate n gluconeogenez sunt catalizate de aceleai enzime care sunt prezente n glicoliz. Altele sunt specifice gluconeogenezei i sunt sintetizate sub aciunea unor hormoni (cortizol i glucagon), atunci cnd este nevoie. Spre deosebire de glicoliz, care se produce numai n citosol, gluconeogeneza poate avea loc i n mitocondrie i n reticulul endoplasmatic. Pentru realizarea acestui proces este nevoie de consum de ATP.

Intensitatea glicolizei este determinat de concentraia glucozei, iar intensitatea gluconeogenezei este determinat de concentraia lactatului i a altor prescursori ai glucozei. De asemenea, o cantitate ridicat de AMP (adenozin monofosfat) indic o ncrctur energetic mic n celul i declaneaz semnalul pentru generarea ATP (adenozin trifosfat); n schimb, o concentraie mare de ATP indic o ncrctur energetic ridicat i o abunden de intermediari biosintetici condiii n care glicoliza este oprit iar gluconeogeneza este stimulat. Aminoacidul alanin, la fel ca lactatul, este precursorul majoritar al glucozei i se formeaz din acid piruvic, la nivelul muchilor. Dup un efort fizic intens, n musculatura scheletic se acumuleaz o cantitate mare de acid piruvic, astfel nct ciclul Krebs nu face fa oxidrii ntregii cantiti. n aceste condiii, celula reduce piruvatul la lactat. Acesta este transportat prin intermediul sngelui la ficat, unde va fi transformat ulterior n piruvat, acesta din

urm fiind convertit n glucoz, pe calea gluconeogenetic. Acest parcurs al acidului lactic-acid piruvic-glucoz-acid piruvic-acid lactic poart denumirea de ciclu Cori. Activitatea acestor sisteme de reacii este supus i controlului hormonal. Spre exemplu, nivelul insulinei crete imediat dup mncare i stimuleaz glicoliza, n timp ce glucagonul crete n timpul nfometrii i controleaz producerea enzimelor gluconeogenezei.

6.2.2. Biosinteza lipidelor Biosinteza acizilor grai are loc n citoplasm n special la nivelul ficatului i necesit aport de electroni adui de transportorul NADPH (generai n calea pentozofosfailor). Acizii grai sunt apoi ataai de glicerol pentru a forma acilgliceroli. Pentru a ajunge la esuturile periferice, grsimile sunt mpachetate de ctre ficat n complexe alturi de proteine (lipoproteice, ca de exemplu VLDL very low density lipoprotein, LDL low-density lipoprotein), care sunt eliberate n snge.

Lipogeneza este reglat de o gam larg de metabolii i hormoni, care includ insulina, glucagonul i adrenalina. Colesterolul este un component important al membranei celulare i, totodat, prescursorul hormonilor steroizi (glucocorticoizi, mineralocorticoizi i hormoni sexuali) i ai acizilor biliari. Organismul animal obine colesterol din diet dar n acelai timp i-l sintetizeaz i singur, pornind de la aceleai uniti simple de doi atomi de carbon (acetil) ca i n sinteza glucozei, acizilor grai, etc.

6.2.3. Sinteza aminoacizilor Aminoacizii sunt crmizile din care sunt alctuie proteinele, fiind, totodat, surse importante de azot pentru multe alte molecule, incluznd nucleotide, neurotransmitori sau grupri prostetice, ca porfirinele. Scheletul carbonic al aminoacizilor provine din glicoliz, calea pentozofosfailor sau ciclul acizilor carboxilici, iar azotul, sub forma amoniacului, provine dintr-


29

una din cele mai remarcabile reacii din biochimie: fixarea azotului din atmosfer de ctre microorganisme. nainte de a intra n circuitul natural al azotului, N2 atmosferic trebuie s fie transformat ntr-o form mai reactiv, NH3. Problema aceasta este rezolvat de ctre nitrogenaze, enzime prezente ntr-o gam foarte redus de bacterii i alge verzi, simbiotice cu unele plante (leguminoase). Urmtorul pas al asimilrii azotului n biomolecule este reprezentat de intrarea azotului n structura aminoacizilor prin intermediul a dou molecule cu rol cheie: gluatamatul i glutamina. Gruprile amino ale tuturor aminoacizilor provin din gruparea amino a glutamatului, prin transferul acesteia dup caz. n funcie de calea biosintetic, aminoacizii se mpart n cinci familii, membrii fiecrei familii provenind de la un precursor comun. Spre deosebire de plante i microorganisme, mamiferele i pot sintetiza doar jumtate din cei 20 de aminoacizi. Restul, numii aminoacizi eseniali (aminoacizii aromatici cu excepia tirozinei, leucina, valina, izoleucina, treonina, lizina i metionina) trebuie s provin din diet. Valoarea nutritiv a proteinelor depinde mult de coninutul n aminoacizi eseniali. De exemplu, proteinele vegetale provenite din cereale conin cantiti reduse de lizin i metionin, spre deosebire de proteinele animaliere care conin o cantitate echilibrat din fiecare aminoacid. Totui, sunt unele plante (leguminoasele) care pot produce valori ridicate de proteine (soia).

6.2.4. Fotosinteza Marea majoritate a energiei consumat de organismele vii provine de la soare i este captat prin procesul fotosintezei. n acest mod, energia luminoas este folosit pentru a produce substane organice din CO2 i ap, conform ecuaiei de mai jos:

CO2 + H2O (CH2O) + O2 Acest proprietate a organismelor autotrofe (plante, alge, unele bacterii) este exploatat de ctre organismele heterotofe (animalele), care sunt dependente de substanele organice nutritive furnizate prin diet. De asemenea, oxigenul atmosferic, care este vital pentru supravieuirea organismelor superioare, deriv din fotosintez. Mecanismul fotosintezei este complex i presupune interaciunea a numeroase proteine i a unor molecule mai mici. La plantele verzi, fotosinteza se desfoar n membranele cloroplastelor, organite celulare extrem de similare mitocondriilor. Energia luminoas captat de molecule pigment (clorofile, carotenoide) este folosit iniial pentru a mbogi n energie electronii acestor pigmeni; acei electroni vor fi folosii apoi pentru a produce NADPH i ATP, dup mecanisme extrem de similare celor discutate anterior n mitocondrie pentru lanul transportor de electroni (deplasare de ioni H

+, ATPaz). Aceste molecule sunt apoi folosite pentru a activa dioxidul de carbon din aer i a-l ncorpora ntr-o gluc

Date post:	08-Nov-2015
Category:	Documents
Upload:	cosmin-cozo
View:	34 times
Download:	1 times

RSD Biochimie Pt Studenti

Documents