BIOLOGIE GENERALĂ. - moleculară şi celulară CURS II. Bazele chimice ale organizării materiei vii

Transcript

1 BILGIE GENERALĂ - moleculară şi celulară CURS II Bazele chimice ale organizării materiei vii

2 Bazele chimice ale organizării lumii vii rice substanţă din natură care are masă se defineşte ca fiind materie. Materia este alcătuite din particule de dimensiuni mici numiţi atomi. Atomii identici (cu acelaşi număr de protoni) au proprietăţi chimice identice şi aparţin aceluiaşi element. În prezent, au fost descrise 92 de elemente naturale şi 26 elemente chimice de sinteză. Elementele au fost aranjate conform proprietăților lor în Tabelul Periodic al elementelor de către Dmitri Mendeleev. Distribuţia elementelor în lumea vie: 1. Macroelemente elemente se găsesc în organismele vii în cantităţi mai mari de 0.01% C principalul element organogen, 18,5 % din greutatea corpului uman (GCU) H transportor de e-, în alcatuirea apei şi a majorităţii compuşilor organici, 9.5 % GCU important în respiraţia celulară, 65 % GCU N structura proteinelor şi acizilor nucleici, 3,3 % GCU P structura acizilor nucleici şi a moleculelor energetice, 1.0 % GCU Na important în transmiterea impulsului nervos, 0.2 % GCU K - important în transmiterea impulsului nervos, 0.4 % GCU S în alcătuirea majorităţii proteinelor, 0,3 % GCU Mg element esenţial în majoritatea reacţiilor energetice, 0.1 % GCU Cl principalul ion negativ, 0.1 % Ca constituent al scheletului, implicat în contracţia musculară, 1.5 % GCU 2. Microelemente Fe, Zn, Mn, B, Cu, Mo, Ni Tabelul periodic ale elementelor. Abundenţa elementelor în scoarţa terestră este indicată prin înălţimea coloanei. Elementele întâlnite în cantităţi semnificative în organismele vii sunt marcate cu albastru. Abundenţa în scoarţă vs în lumea vie?

3 Legături chimice şi molecule Atomii se unesc prin legături chimice şi formează molecule. Tipuri de legături chimice - legătura covalentă - legătura ionică - legătura metalică - legătura de H - legătura van der Waals - interacţii hidrofobe Exemplu de moleculă: H 2 - legături puternice, intramoleculare - legături slabe, intermoleculare Importanţă Viaţa a apărut şi evoluat în apă. 2/3 dintr-un organism e alcătuit din apă 75% din suprafaţa Pământului e acoperită de apă Proprietăţi ale apei importante d.p.v. biologic: este un dipol electric, realizând numeroase legături de hidrogen; - absorbtia apei în rădăcini prin capilaritate are o constantă dielectrică mare, proprietate care favorizează disocierea ionilor şi solubilizarea moleculelor; H2 funcţionează ca un excelent solvent (solvent universal) atât faţă de compuşii ionici, cât şi faţă de compuşii covalenţi cu masă moleculară mică; - solubilizarea moleculelor neionizabile are căldura specifică şi căldura de vaporizare mare ceea ce permite termoreglarea densitatea gheţii este mai mică decât a apei lichide; - lacurile nu îngheaţă complet ionizeză uşor şi are caracter amfoter scala de ph interacţionează cu moleculele nepolare hidrofob vs hidrofil

4 Molecule organice şi macromolecule Molecule organice molecule ce conţin în structura lor C Toate moleculele ce conţin C sunt organice? Exemple Numărul mare şi variat de compuşi organici este legat de: proprietăţile atomilor C şi H de a forma legături covalente stabile; proprietatea unică a atomilor de C de a se uni în număr nelimitat pentru a forma catene (lanțuri) stabile. proprietatea atomilor de C de interactiona cu alţi atomi pentru a forma grupe funcţionale; Molecule organice se pot uni prin legături covalente şi formează macromolecule. Energie Celulele vii conţin macromolecule: glucide carbonil glucide carboxil Aminoacizi, lipide amino aminoazi sulfhidril aminoacizi Energie 4 tipuri fundamentale Carbohidraţii CH amidon, glicogen, celuloză Lipide CH(P) - grăsimi, fosfolipide, steroide Proteine CHNS rol funcţional şi structural Acizi nucleici CHNP codifică şi decodifică genetică hidroxil de fosfat metil informaţia Fosfolipide Acizi nucleici

5 Proteine - generalităţi Principalele roluri : 1) cataliza biologică enzimele proteine globulare ce catalizează în mod specific anumite reacţii Ex: alcooldehidrogenaza dehidrogenarea alcoolului etilic în aldehidă acetică 2) apărare anticorpii (imunoglobulinele) proteine globulare ce recunosc potenţialii agenţi patogeni 3) transport proteine globulare ce vehiculează molecule sau ioni în organism sau în celule hemoglobina 4) structural proteine fibrilare cheratina din păr, colagenul din piele, ligamente 5) mişcare proteinele fibrilare actina şi miozina ce transformă energia chimică în mişcare 6) reglare proteine de dimensiuni mici ce funcţionează ca mesageri intercelulari Proteinele sunt polimeri rezultaţi în urma condensării unui număr mare de L-aminoacizi uniţi prin legături peptidice. Toate proteinele conţin aminoacizi naturali ce fac parte din seria L. H 2N C H H 2N CH C H H 2N CH3 CH C H H 2N CH C H H 2N CH H SH C H S CH3 Glicocol, glicina (Gly, G) α-alanina (Ala, A) Serina (Ser, S) Cisteina (Cys, C) Metionina (Met, M) Tipuri, clasificarea şi notara aminacizilor!!!!!

6 Proteine - structură Structura proteinelor: 1. proteină poate conţine una sau mai multe catene de aminoacizi catenă polipetidică (polipeptidă). Fiecare polipeptidă are un capăt C-terminal şi unul N-terminal. CH NH 2 CH + NH 2 CH CH + NH 2 Legătura peptidică CH3 NH 2 C Aminoacid N-terminal NH CH C CH3 NH CH 2 CH Aminoacid C-terminal 2. catenele polipetidice sunt împachetate în forme tridimensionale specifice. Forma tridimensională a unei proteine dictează funcţia acesteia. În general, plierea unei proteine în forma tridimensională specifică se realizează spontan, pe baza principiilor de minimizare a energiei aminoacizii nepolari hidrofobi în interior, iar cei polari la exterior. Plierea corectă a proteinelor este însă controlată enzimatic şi corectată atunci când este cazul de către proteinele chaperone. 3. există 3 nivele de organizare a structurii proteinelor: A. Structura primară - este dată de numărul, natura şi succesiunea resturilor de aminoacizi. 1 vlspadktnv kaawgkvgah ageygaeale rmflsfpttk tyfphfdlsh gsaqvkghgk 61 kvadaltnav ahvddmpnal salsdlhahk lrvdpvnfkl lshcllvtla ahlpaeftpa 121 vhasldkfla svstvltsky r

7 Proteine - structură B. Structura secundară - este dată de orientarea spaţială a catenei polipeptidice. Caracterul parţial de dublă legătură al legăturii peptidice şi legăturile de H dintre -CH şi -NH 2 favorizează apariţia unor structuri spaţiale specifice: -helix şi pliate Linus Pauling, Robert Corey si Herman Branson in 1951 α-helixul (structura α-helicoidală). structura β-pliată Motive (structuri supersecundare) elementele structurii secundare se pot combina în mod specific, rezultând motive proteice. Ex: motivul ce creează aşa numitul Rosman-fold ce leagă nucleotide

8 Proteine - structură D. Structura terţiară aranjarea, replierea şi înfăşurarea segmentelor α-helicoidale şi β-pliate într-o organizare spaţială complexă sub formă de ghem sau globulă. Domenii unităţi structurale independente din cadrul aceleiași catene polipetidice cu formă şi funcţie specifică. catenă polipetidică poate conţine mai multe domenii. F. Structura cuaternară este specifică numai anumitor proteine şi reprezintă nivelul de organizare structurală cel mai înalt. Este rezultatul asocierii a două sau mai multe catene polipeptidice numite protomeri, fiecare cu structura sa primară, secundară şi terţiară într-un conglomerat spaţial complex. Hemoglobina ATP-sintaza

9 Acizi nucleici - generalităţi Principalele roluri : 1) stocarea informaţiei genetice codifică ordinea şi tipul aminoacizilor ce intră în structura proteinelor 2) utilizarea informaţiei genetice - pentru sinteza proteinelor 3) transmiterea informaţiei genetice abilitatea de a produce proteine este transmisă de la generaţie la generaţie, deşi proteinele propriu-zise nu sunt. 4) Roluri structurale și cataliză ADN-ul este HDD-ul organismului viu pe care sunt păstrate programele necesare funcţionării. Acizii nucleici sunt polimeri rezultați în urma legării prin legături fosfodiesterice unui număr mare de nucleotide. Funcţie de tipul de nucleotide, acizii nucleici se clasifică în: acid ribonucleic (ARN) conține în structura sa riboză acid dezoxiribonucleic (ADN) - conține în structura sa dezoxiriboză Bază azotată Grupă fosfat nucleotidă este alcătuită dintr-un glucid cu 5 atomi de C (riboza sau dezoxiriboza), o grupare fosfat (P4) şi o bază azotată. În acizii nucleici se întâlnesc două tipuri de baze azotate: purinice - două heterocicluri cu N: Adenina (A) şi Guanina (G) în ADN şi ARN pirimidinice un heterociclu cu N: Citozină (C) şi Timină (T) în ADN şi C şi Uracil (U) în ARN -H în ARN Pentoză -H în ADN

10 Acizi nucleici - structură Structura acizilor nucleici: 1. gruparea fosfat a unei nucleotide se leagă de gruparea hidroxil cu formarea unei legături fosfodiesterice. Rezultă un şir lung asemănător unui lanţ (catenă) alcătuit din alternativ din pentoze şi grupe fosfat. La un capăt gruparea P4 este liberă capăt 5, iar la celălalt grupa H este liberă capăt 3`. 2. ADN- ul conţine 2 catene ce se înfăşoară una în jurul celeilalte asemănător unei scări în spirală. Această formă specifică a fost numită helix dublu. Fiecare treaptă a scării este o pereche de baze azotate legate prin legături de H pe bază de complementaritate (A se leagă de T şi G de C). ADN-ul stochează informația genetică în dublu exemplar, sub forma unei înşiruiri de baze azotate - GCTCTCAATC. Vocabularul ADN-ului conţine 4 litere codul binar 2 litere - limba Română 31 litere 3. ARN- ul asemănător cu ADN-ul, dar cu două diferenţe majore Care? ADN-ul este întotdeauna dublu catenar iar ARN-ul este monocatenar. Complementaritatea în molecula de ARN este A se leagă de U şi G de C. ARN-ul copie informaţia (înşiruirea de nucleotide) de pe ADN - CGAGAGUUAG. Catene pentozo-fosfat Legături de H între baze DGMA CENTRALĂ A BILGIEI MLECULARE Secvenţă de nucleotide Secvenţă de nucleotide ADN Informaţie Stocare HDD ARN Secvenţă de aminoacizi Informaţie Produs Copie Program RAM Proteine Program Rezultat Legături fosfodiesterice Dublul helix din ADN

11 Lipide - generalităţi - un grup heterogen de substanţe ce au o proprietate în comun nu sunt solubile în apă. Principalele tipuri de lipide şi rolurile lor : A). Fosfolipide contin în moleculă un rest de glicerol, 2 resturi de acizi graşi (catene lungi de C-C şi C-H ce se termină cu o grupă CH) şi un rest fosfat. De gruparea fosfat se pot lega aminoacizi, colină sau etanol-amină. Molecula este astfel alcătuită dintr-un cap polar, hidrofil (restul fosfat, sarcină negativă) şi o coadă nepolară, hidrofobă (resturile de acizi graşi). Fosfolipidele conţin un număr mare de legături ne-polare C-H iar catene C-C nu se poate plia asemănător proteinelor pentru a ''ascunde'' grupele nepolare. În schimb, moleculele de fosfolipide se grupează şi expun capetele polare, hidrofile spre exterior şi ascund capetele nepolare, hidrofobe spre interior. Formează astfel un bi-strat fosfolipidic în care capetele polare formează 2 straturi la exterior iar cozile nepolare un strat unic, la interior. Bi-straturile lipidice stau la baza funcţionării membranelor celulare. H2 P4 - rest fosfat cap hidrofil Mediu nepolar -C-()n-CH3 acid gras -C-()n-CH3 acid gras H2 cozi hidrofobe

12 Lipide - generalităţi B). Triacilgliceroli (grăsimi) contin în moleculă un rest de glicerol şi 3 resturi de acizi graşi cu atomi de C, saturaţi sau nesaturaţi. Le lipseşte capătul polar, de aceea nu sunt solubile în apă. În mediu apos se grupează sub forma unor globule şi de aceea sunt depozitate în locaţii specifice în organism. Rol în depozitarea energiei. Triacilglicerolii contin mai multă energie decăt glucidele datorită numărului mare de leg C-H. Animalele depozitează triacilgliceroli ce conţin acizi graşi saturaţi solizi, iar plantele triacilgliceroli nesaturaţi lichizi. C). Steroizi compuşi cu 4 cicluri de atomi de C. Intră în alcătuirea membranelor celulare (colesterol) sau au rol de hormoni (testosteronul şi estrogenul) D). Prostaglandinele 2 resturi de acizi graşi grefaţi pe ciclu de 5 atomi de C. Au rol de mesageri chimici.

13 Carbohidraţi - generalităţi - molecule ce conţin C, H şi în raporturile 1:2:1 formula lor este ()n - Principalele roluri : 1) depozitarea şi transportul energiei glucoza, amidon, glicogen 2) rol structural celuloza, chitina - se clasifică în: 1. Monoglucide 2. Diglucide 3. Poliglucide 1). Monoglucide combinaţii naturale polihidroxicarbonilice (polihidroxialdehide sau polixidroxicetone) cu lanţ C-C neîntrerupt. Cel mai frecvent au 5 (pentoze) sau 6 (hexoze) atomi de C. Ex: pentoză riboza, dezoxiriboza structura ARN şi ADN-ului hexoză glucoza depozitarea energiei în cele 6 legături C-H Monoglucidele prezintă izomerie optică şi de poziţie. Toate glucidele naturale aparţin seriei D. Gruparea H din poziţia 1 se numeşte H glicozidic și are o reactivitate crescută, formând frecvent legături glicozidice (C--C) riboza deoxiriboza glucoza 2). Diglucide două molecule de monoglucide unite printr-o legătură glicozidică. Rol în transportul glucidelor. Ex: lactoza (glucoza + galactoza), sucroză (glucoză + fructoză)

14 Poliglucide 3). Poliglucide macromolecule alcătuite din numeroase monoglucide unite prin legături glicozidice. Pot fi liniare sau ramificate Ex: A. Amidon principalul glucid de rezervă la plante, depozitat în cloroplaste. Este alcătuit din amiloză (un lanţ liniar de molecule de glucoză legate între ele prin legături glicozidice C1--C4) şi amilopectină (un lanţ ramificat de molecule de glucoză) B. Glicogenul principalul glucid de rezervă la animale, depozitat în ficat şi muschi. Structura sa este similară cu a amilopectinei, ramificaţiile fiind mai lungi. glucoză amiloza C. Celuloza principalul polizaharid structural din pereţii plantelor. D. Chitina o formă modificată a celulozei în care o grupa H din glucoză este înlocuită de NH 2. Prezentă în peretele celular al fungilor, exoscheletul insectelor și crustaceelor. glicogen amilopectina