CURS 1 INTRODUCERE Biochimia este o ştiinţă modernă, cu caracter complex, care are drept material de studiu materia vie şi fenomenele specifice acesteia, din punct de vedere al organizării, compoziţiei şi structurii biomoleculelor componente, precum şi al proceselor complexe de transformare a acestora, în corelaţie cu efectele energetice asociate reacţiilor metabolice. Cunoaşterea substratului biochimic al materiei vii, şi a mecanismelor reacţiilor biochimice oferă cheia înţelegerii ştiinţifice a fenomenelor particulare lumii vii cum ar fi: procesele fiziologice normale sau patologice, formarea speciilor, variabilitatea, ereditatea, reproductibilitatea, adaptabilitatea etc., şi proiectarea posibilităţilor de intervenţie şi de aplicare a unor alternative optime. Datorită interesului suscitat, dar mai ales a posibilităţilor fizico-chimice moderne de investigare, biochimia s-a dezvoltat în ultimii ani foarte mult, făcând posibilă evaluarea structurii moleculare a vieţii, deschizând porţi spre domenii noi de cercetare, cum ar fi: secvenţionarea ADN, obţinerea unor noi combinaţii genetice, elucidarea mecanismului de control al metabolismului şi al proceselor de transport prin membranele celulare etc.
Caracteristici biochimice ale materiei vii Materia vie este constituită din aceleaşi elemente chimice care alcătuiesc materia lumii minerale, organizate în structuri care se supun aceloraşi legi, fizice şi chimice, care guvernează lumea nevie. În constituţia organismele vii, vegetale şi animale, sunt reprezentate un număr de aproximativ 60 din cele peste o sută de elemente chimice cunoscute. Dintre acestea 12 elemente chimice (99,9%) se regăsesc în structura tuturor celulelor vii şi sunt denumite macrobioelemente: C, H, O, N, P, S, Cl, Si, Mg, K, Na, Ca. Un număr de patru elemente chimice: C, O, H, N, reprezentând peste 99% din masa totală a organismelor vii se găsesc în proporţii diferite în plante, în animale şi în organismul uman. În proporţii mai reduse, (aproximativ 1%), dar manifestând un important rol biocatalitic în procesele metabolice, se găsesc o serie de microbioelementele (oligobioelemente): B, V, Mn, Co, Ni, Mo, Cu, Zn etc. De ordinul milionimilor de procente au fost identificate în cenuşa plantelor şi ultrabiomicroelemente: Au, Ag, Hg, Pb, Ge etc. Deşi este constituită pornind de la molecule mici, cu compoziţie elementală simplă, (H2O, CO2, NH3, aminoacizi, monoglucide, lipide simple etc.), materia vie este total diferită prin proprietăţi de cea minerală, caracterizându-se printr-un înalt grad de complexitate şi organizare, într-o mare varietate de forme, rezultat al procesului de evoluţie îndelungat. Cu toată varietatea şi complexitatea chimică a organismelor, materia vie este organizată după un principiu unitar. Componenţii celulari nu alcătuiesc o serie continuă, mărimea şi complexitatea biomoleculelor nu variază treptat. Majoritatea constituenţilor celulari sunt compuşi macromoleculari şi doar un număr relativ redus de biomolecule au dimensiuni mici, în timp ce speciile moleculare cu dimensiuni intermediare sunt practic absente. Această discontinuitate între mărimea şi gradul de complexitate a celor două tipuri de biomolecule este rezultatul mijloacelor pe care celulele le utilizează pentru edificarea lor. Într-o primă
etapă, printr-o mare diversitate de reacţii biochimice, organismele vii sintetizează biomolecule primordiale: câteva tipuri de monozaharide, 20 de aminoacizi, opt nucleotide, câţiva acizi graşi şi alcooli. A doua etapă a chimiei celulare constă în policondensarea moleculelor primordiale sub formă de macromolecule: proteine, acizi nucleici, polizaharide, lipide complexe. Prin repetarea aceluiaşi gen de biosinteză, cu maximum de economie de materiale şi energie, din molecule mici se formează treptat macromolecule, proces care decurge cu randament maxim şi fără formare de compuşi intermediari. Componenţii celulari, în afară de dimensiuni, se deosebesc şi prin caracterul lor specific sau nespecific. Unii dintre ei, cum ar fi moleculele mici, biomoleculele promordiale: monozaharidele, aminoacizii, nucleotidele, acizii graşi sunt identici în toate organismele vii, vegetale şi animale, alţii prezintă specificitate de specie, de organ şi mai ales de individ. Constituenţii celulari specifici sunt macromoleculele proteice şi acizii nucleici, care pot exista într-o varietate practic infinită, dar fiecare celulă, fiecare organism cuprinde un set distinct de proteine şi de acizi nucleici. Diversitatea structurală a celor 5 milioane de specii de proteine şi un număr corespunzător de specii acizi nucleici, se realizează prin mijloace simple, de combinarea a unui număr redus de specii moleculare, respectiv, 20 de aminoacizi pentru proteine şi câte patru tipuri de nucleotide pentru acizii nucleici. Prin legarea unui număr mare al acestor unităţi în succesiuni variate se poate obţine un număr infinit de combinaţii. O anumită secvenţă de aminoacizi sau de nucleotide conţine o cantitate de informaţie care conferă proteinelor şi acizilor nucleici caracterul de molecule informaţionale. În contrast cu multitudinea posibilităţilor de legare a aminoacizilor în proteine sau a nucleotidelor în acizi nucleici, într-un organism dat nu se realizează decât succesiuni care îi sunt proprii, pentru care primeşte informaţie de la predecesori, prin intermediul acizilor dezoxiribonucleici ADN. Chintesenţa materiei vii o reprezintă capacitatea de autoreplicare de la o generaţie la alta. Structurile celulare sunt edificii complexe, cu entropii reduse, care se dezagregă şi se refac continuu; în organismele vegetale şi animale adulte cele două procese sunt echilibrate, astfel încât masa lor rămâne constantă. Refacerea structurilor celulare decurge, parţial, pe seama produşilor de degradare a componenţilor proprii, iar ceea ce se pierde este completat prin elementele preluate din mediul înconjurător, ca substanţe nutritive. Întreţinerea morfologiei proprii, creşterea şi dezvoltarea organismului implică şi un consum permanent de energie. Plantele şi câteva specii de microorganisme înmagazinează prin fotosinteză energia solară în glucide, lipide, proteine, care alcătuiesc hrana oamenilor sau a animalelor, consumate la rândul lor de către om. De fapt, organismele animale iau din mediul înconjurător o formă de energie de calitate superioară pe care o utilizează pentru îndeplinirea tuturor funcţiilor vitale şi eliberează în mediu o cantitate de energie de calitate inferioară (căldură). Schimburile de materie şi de energie dintre organism şi mediu, care definesc însăşi viaţa, implică desfăşurarea unui număr mare de reacţii chimice, care alcătuiesc metabolismul, cu două laturi principale: • catabolismul (degradarea constituenţilor celulari la compuşi mai simpli) implică procese exergonice, în care se produce energie; • anabolismul (edificare şi refacerea constituenţilor celulari) decurge prin reacţii endergonice, în care se consumă energia mobilizată în procesele catabolice. Organismele vii sunt deci sisteme deschise, aflate într-un permanent schimb de energie şi materie cu mediul înconjurător, constituind sediul unui triplu flux, de materie, de energie şi de informaţie. La baza activităţii chimice celulare stau biocatalizatorii enzime, care catalizează multitudinea de reacţii care alcătuiesc metabolismul. Enzimele sunt proteine care se
caracterizează printr-o activitate catalitică mult superioară catalizatorilor chimici şi o înaltă specificitate. Reacţiile catalitice care alcătuiesc metabolismul intermediar nu sunt independente, ele alcătuiesc secvenţe liniare sau secvenţe ramificate sau cicluri, atât anabolice cât şi catabolice. Deşi termenii extremi ai acestor secvenţe sunt identici, procesele de biosinteză nu au loc prin inversarea reacţiilor de degradare, secvenţa anabolică nu este o simplă parcurgere în sens invers a celei catabolice, cele două procese se diferenţiază prin una sau mai multe etape. Reacţiile distincte ale celor două secvenţe opuse sunt adesea acele reacţii care au efectele energetice cele mai pronunţate, respectiv sunt puternic endergonice sau exergonice. Un alt aspect important al metabolismului este coerenţa funcţională a diverselor reacţii biochimice. Metabolismul nu este o sumă de reacţii, ci este alcătuit din sisteme de reacţii intercorelate care asigură funcţionarea optimă a organismului. Cu toate că organismul este sediul unei activităţi biochimice intense şi variate, compoziţia sa chimică calitativă şi cantitativă este relativ constantă. Homeostazia biologică (menţinerea între anumite limite a parametrilor biochimici şi fiziologici ai organismului) este rezultatul funcţionării unor mecanisme de autoreglare. La nivel celular se exercită un control primitiv metabolic prin accelerarea şi încetinirea reacţiilor metabolice ca rezultat al modificării activităţii enzimelor existente în celule sau prin inducţia şi represia sintezei proteinelor cu rol biocatalitic. La nivelul organismului se adaugă sistemul de control neuro-umoral, cu rol de coordonare a activităţilor metabolice celulare.
Curs 2 2. GLUCIDE Glucidele (glycos = dulce), cunoscute şi sub numele de hidraţi de carbon (formula generală = Cn(H2O)m) sau zaharuri (sakkharom = substanţă dulce) sunt substanţe de origine predominant vegetală, şi se formează în procesul de fotosinteză care decurge în plantele verzi. Glucidele, componente principale ale hranei omului şi animalelor, sunt compuşi foarte răspândiţi în natură, atât sub formă liberă (pentoze, hexoze), cât şi sub formă de combinaţii (glicozide, glicoproteide, glicolipide etc.). Proporţia lor în regnul vegetal reprezintă peste 50% din substanţa uscată a organismelor vegetale superioare. În organismele animale există un număr mai mic de reprezentanţi ai glucidelor, aflate întro proporţie mai mică, comparativ cu protidele şi lipidele. Pe lângă importanţa lor ca substanţe de constituţie şi rezervă ale organismelor vii, ele îndeplinesc şi funcţii specifice, cum ar fi: sunt componente ale acizilor nucleici, componente ale unor enzime, glicoproteide şi glicolipide din membranele celulare.
2.1. STRUCTURĂ CHIMICĂ. CLASIFICARE Glucidele sunt substanţe ternare, constituite din atomi de: C, H, O (foarte rar N şi S) cu funcţiuni chimice mixte: polihidroxialdehide (aldoze) şi polihidroxicetone (cetoze). Glucidele se clasifică în două grupe mari: glucide simple, numite oze (monoglucidele sau monozaharide) şi glucide compuse numite ozide. Clasificarea glucidelor poate fi redată astfel:
OZE
trioze tetroze pentoze hexoze
aldoze cetoze oligozide (oligoglucide)
GLUCIDE holozide OZIDE
poliozide (poligoglucide)
heterozide Ozele (glucide nehidrolizabile), se clasifică în funcţie de natura grupei carbonil în aldoze şi cetoze, iar în funcţie de numărul atomilor de carbon din moleculă în: trioze, tetroze, pentoze, hexoze etc. Ozidele sunt clasa de glucide formate din mai multe resturi de molecule de monoglucide unite între ele prin legături de tip glicozidic. În funcţie de numărul resturilor de oze componente se clasifică în oligoglucide (cu număr de până la şase resturi de molecule de monoglucide) şi poliglucide (număr mai mare de şase resturi de molecule de monoglucide). Ozidele se clasifică la rândul lor în holozide (se transformă prin hidroliză acidă sau enzimatică în monoglucide) şi heterozide (combinate cu alte substanţe de natură neglucidică, din care se pot pune în libertate prin hidroliză).
2.2. MONOGLUCIDE (OZE) Monoglucidele sunt compuşi polihidroximonocarbonilici (polihidroxialdehide şi polihidroxicetone) nescindabili în alte glucide prin hidroliză. Deoarece raportul dintre atomii de hidrogen şi atomii de oxigen în glucide este de doi la unu (ca şi în formula apei), s-a conferit glucidelor şi denumirea de hidraţi de carbon. Formula moleculară este Cn(H2O)n, unde n ≥ 3.
2.2.1. Formule de reprezentare a structurii monoglucidelor Pentru a stabili structura ozelor, s-au efectuat reacţii chimice asupra glucozei, care au condus la concluzia că ozele au în general o catenă neramificată, pe care sunt grefate grupe funcţionale hidroxil şi o grupă funcţională carbonil. Monoglucidele pot fi reprezentate prin mai multe formule de structură. Atomii de carbon se numerotează începând cu cel purtator al grupei funcţionale carbonil (sau cel vecin ei în cazul cetozelor). a) Formula aciclică (liniară sau carbonilică) este corespunzătoare stării solide a glucidelor; ea pune în evidenţă natura grupelor funcţionale conţinute: hidroxil alcoolic, carbonil aldehidic sau cetonic: H H HO H H
1
C
2 3
C
OH
C
H
4
C
1 H2C
O
2
HO
OH
H
C
OH
H
6 H2C
OH
5
3
OH
C
O
C
H
4
C
5
OH
C
OH
6 H2C
OH
D-glucoză (aldohexoză) D-fructoză (cetohexoză) (formule aciclice liniare sau carbonilice)
Această formulă s-a constatat a nu fi întotdeauna în concordanţă cu proprietăţile fizicochimice ale unor glucide. Astfel, glucoza nu prezintă una dintre reacţiile specifice grupei carbonil (recolorarea fuxinei decolorate cu dioxid de sulf). S-a constatat că una dintre grupele hidroxil (hidroxilul glicozidic) este mai reactivă şi prezintă proprietăţi deosebite. O altă abatere de la comportarea normală este variaţia în timp a rotaţiei specifice. Astfel, soluţia proaspăt preparată de α-glucoză are rotaţia specifică 1120, după un timp aceasta scăzând la 52,50 (deoarece în soluţie există ambii monomeri α şi β). Aceste comportări specifice ale unor glucide au putut fi explicate după ce s-a stabilit că moleculele pentozelor şi hexozelor se prezintă sub formă ciclică, formând semiacetali intramoleculari (reacţie de adiţie de ROH, specifică compuşilor carbonilici): R CH O + HO R'
R CH O R' OH
b) Formulele ciclice semiacetalice rezultă în urma reacţiei de semiacetalizare dintre grupa carbonil şi grupa hidroxil de la C4 sau C5 de pe catena aldozei, respectiv C5 sau C6 de pe
catena cetozei. Prin analogie cu denumirile heterociclilor formaţi din patru atomi de carbon şi un atom de oxigen (furan), respectiv cel format din cinci atomi de carbon şi un atom de oxigen (piran), semiacetalii ciclici obţinuţi sunt denumiţi: forma furanozică, respectiv forma piranozică.
O
O
furan 1
1
H
C
O OH
C
3
HO
C
H
HO
C
H HO
OH
H
OH
C
OH
H
HO H
C
H2C
H2C
OH
H
C H2C
C
H
H
HO
C
H
H
4 OH
H
C
OH
5 H
C
C
6
6
OH
OH O
C
5
OH
H
3
4
6
OH
OH O
C
H
C
H
C
2 C
HO
5
OH
HO
OH
3
O C
C
H
OH
4
C
H
H 2
3
6
6
C
H
5
5
H
2
O C
C
1
1
1
OH
4
C
H
C
3
4
H
H
2
2
H
piran
H2C
OH
H2C
OH
α-D-glucofuranoza β-D-glucofuranoza α-D-glucopiranoza β-D-glucopiranoza
D-glucoza
În acelaşi fel pot fi reprezentate şi formulele ciclice semiacetalice ale cetohexozelor, de exemplu ale fructozei: 1 H2C 2
HO H H
3
C
O
C
H
4
C
5
C
6
H2C
D-fructoză
1 H2C 2 C
OH
HO
OH
H
OH
H
OH
3
C
4
C
H OH O
C
H2C
H2C HO
5
6
1
OH OH
HO H H
OH
1 H2C
OH
2 C
2
C
3
C
4
C
H OH O
5
C
6
H2C
OH
α-D-fructofuranoză β-D-fructofuranoză
HO
HO
3 C
H
H
4 C
H
5 C 6 H2C
1 H2C
OH OH
OH
2 C
HO
3 C
H
OH O
H
4 C
OH O
OH
H
5 C
OH
6 H2C
α-D-fructopiranoză β-D-fructopiranoză
În aceste structuri grupa funcţională carbonil este mascată, noua grupă hidroxil apărută, denumită grupă OH semiacetalic sau glicozidic este mai reactivă şi are proprietăţi diferite faţă de ale celorlalte grupe hidroxil alcoolice din moleculă. Ozele la care hidroxilul glicozodic este situat la dreapta în formula ciclică semiacetalică se notează cu α, iar cele la care acesta se află la stânga, se notează cu β. Izomerii care se deosebesc între ei prin poziţia hidroxilului glicozidic se numesc anomeri, iar fenomenul poartă numele de anomerie sau izomerie α, β. Anomeria a fost confirmată prin existenţa a două tipuri de glicozide α şi β. c) Formulele ciclice perspectivice (Haworth) oferă o mai bună reprezentare a lungimii legăturii C-O semiacetalice, comparativ cu legătura de C-O dintre atomii de carbon din catenă şi grupele hidroxil, sau legătura C-C din catenă. Se consideră că atomii ciclului fac parte dintrun plan perpendicular pe planul hârtiei, faţă de care grupele hidroxil (cu excepţia celor de la
carbonul cinci din forma furanozică şi carbonul şase din forma piranozică) aşezate în dreapta catenei aciclice se vor lega la covalenţele de sub planul ciclului, iar cele dispuse în stânga catenei se vor lega la covalenţele plasate deasupra planului ciclului. Ambele forme se află în soluţie în echilibru. În produsele naturale, pentru aldohexoze predomină forma piranozică, iar pentru aldopentoze forma furanozică. 6
6
CH2OH
CH2OH
5
H
O H OH
4
H 1
H
3
H OH
4
OH
OH
5
H
OH
H
1
H
OH
3
2
H
O
OH
2
H
OH
α-D-glucopiranoză β-D-glucopiranoză (formule perspectivice) 6 H2C
OH
5
1 CH2OH
O
H
OH
OH
3 H
H 4
6 H2C
OH H
OH
OH
3 H
5
2
OH O
H 4
OH
2
CH2OH 1
α-D-fructofuranoză β-D-fructofuranoză (formule perspectivice)
În schemele 2.1 şi 2.2 sunt redate formulele de reprezentare pentru glucoză şi fructoză. d) Formulele conformaţionale reprezintă şi mai riguros structura monoglucidelor (hexozelor), ţinând cont de faptul că ciclurile de şase atomi (piranozice) au o configuraţie spaţială, (asemănătoare ciclohexanului) astfel încât să se evite deformarea unghiurilor de valenţă şi deci apariţia tensiunii de ciclu. Ciclurile piranozice care stau la baza structurii monoglucidelor hexoze se prezintă în două forme de izomeri de conformaţie, unul de tip “scaun” (cel mai stabil) şi unul de tip “baie”. Astfel, α-glucoza şi β-glucoza pot exista sub forma a doi izomeri conformaţionali tip scaun, conformaţia stabilă fiind aceea în care grupele hidroxil de la atomii de carbon 2, 3, 4, 6 au orientare ecuatorială. H
H HO
H
HO
O
H
O
HO
HO H
HO H H
OH
HO H
OH OH
H
α-glucoză
OH H
β-glucoză (formule conformaţionale tip scaun)
1
1
H C OH
H C OH
H C OH
H C OH
2
6
H2C OH
3
5
HC OH 4
H
HO C H
H
O
OH
H
3
2
O
3
HO C H
4 1
OH OH
H
2
6
H
4
H C 5
6
O
4
OH
H
H C
OH
3
2
H
OH
6
H2C OH
5
H C OH 5
H C OH
CH2OH
O
H2C OH
α-D-glucofuranoză (C1-C4)
H 1
OH
α-D-glucopiranoză (C1-C5)
H
H
1
C O
2
C OH
3
HO C
H
H
H
4
C OH
5
C OH
6 H2C
OH
D(+)-glucoză
1
1
HO C H
HO C H 2
2
H2C OH 5
HC OH 4
H
OH 3
H
OH
O H
1
H OH
2
HO
3 C 4
H
O
HO
3 C 4
H
H C
H C OH
H C OH
H C
5
6
H2C OH
β-D-glucofuranoză (C1-C4)
6
CH2OH
H C OH
H C OH
6
O
5
H 4
OH
6
H2C OH
5
O
2
H
β-D-glucopiranoză (C1-C5)
Schema 2.1. Formule de reprezentare a glucozei
1
H
OH 3
OH
OH
H
1
H2C OH OH 2 C
H2C OH 5
H
3
1
6
CH2OH
O
H
OH
4
3
OH
H
1
H2C OH OH 2 C
2
OH
HO C H 4
H C OH
H
3
O
H
HO C H 4
H C OH
5
H C
5
H
OH
OH
4
3
OH
H
6 H2 C
α-D-fructofuranoză (C2-C5)
O
5
O
H C OH
6
H2C OH
6
1
CH2OH 2
OH
α-D-fructopiranoză (C2-C6) 1
H2C OH 2
C O
3
HO C H H H
4
C OH
5
C OH
6 H2C
OH
D(-)-fructoză
1
1
H2C OH
H2C OH
2
2
HO C
HO C
H2C OH 5
H
H
OH
O
OH
4
3
OH
H
2
CH OH 1 2
HO C H 4
H C OH
β-D-fructofuranoză (C2-C5)
HO C H
H
4
H C OH
O
H C OH
H C 6 H2 C
O
5
5
H
3
3
6
OH
6 H2C
5
OH
6
H 4
OH
O
OH 2
OH 3
CH2OH 1
H
β-D-fructopiranoză (C2-C6)
Schema 2.2. Formule de reprezentare a fructozei
2.2.2. Proprietăţile fizice ale monoglucidelor Monoglucidele sunt substanţe solide, cristalizate, incolore, uşor solubile în apă (datorită prezenţei grupelor hidroxil), greu solubile în solvenţi organici (alcool etilic, eter etc.). Au în general gust dulce (fructoza este cea mai dulce dintre ele). În prezenţa H2SO4 concentrat, ozele se deshidratează, înnegrindu-se, iar la temperatură ridicată se caramelizează. 2.2.2.1. Izomerie a) Izomerie structurală (de funcţiune, de compensaţie) - se referă la cele două tipuri de oze, aldoze şi cetoze, pe care le pot forma monoglucidele cu aceeaşi formulă moleculară (vezi exemplele de formule structurale din Schemele 2.1 şi 2.2). b) Stereoizomerie (izomerie spaţială) • Izomeria geometrică stabileşte apartenenţa monoglucidelor la una dintre seriile sterice D sau L, luând drept criteriu structura aldehidei glicerice, care având un atom de carbon asimetric, prezintă două configuraţii: D (+) aldehida glicerică (cu grupa OH în dreapta atomului de carbon asimetric), respectiv L (-) aldehida glicerică (cu grupa OH în stânga atomului de carbon asimetric): H C O H C* OH H2C OH D-aldehida glicerică
H C O HO C* H H2C OH L- aldehida glicerică
Prin analogie, toate monoglucidele care au configuraţia atomului de carbon asimetric cel mai depărtat de gruparea carbonil identică cu cea a atomului de carbon asimetric al D (+) aldehidei glicerice aparţin seriei sterice D, respectiv monoglucidele cu configuraţia L (-) aldehidei glicerice, fac parte din seria sterica L: H C* HO H2C OH seria D
HO C* H H2C OH seria L
• Izomeria optică (enantiomeria). Datorită asimetriei moleculare (chiralitatea moleculei) şi prezenţei atomilor de carbon asimetrici în moleculele monozaharidelor (cu exceptia dihidroxiacetonei), acestea prezintă fenomenul de izomerie optică, caracterizat prin rotirea planului luminii polarizate spre dreapta (izomerul dextrogir), sau spre stânga (izomerul levogir). Numărul izomerilor optici (stabilit de van’t Hoff) este de 2n, unde n este numărul atomilor de carbon asimetrici. De exemplu, aldozele cu patru atomi de carbon asimetrici (hexoze, forma liniară aciclică) vor avea 24 = 16 stereoizomeri optici. Glucoza (dextrogiră) roteşte planul luminii polarizate spre dreapta (+), iar fructoza (levogiră) roteşte planul luminii polarizate spre stânga (), amândouă aparţinând însă seriei sterice D. În realitate, numărul izomerilor optici este mai mare, determinat la ciclizare de poziţia diferită a grupei hidroxil glicozidic faţă de atomul de carbon C4: izomerul (anomerul α) corespunde poziţiei grupei -OH glicozidice de aceeaşi parte cu a grupei -OH de la C4, iar
izomerul (anomerul β) corespunde poziţiei grupei -OH glicozidice de parte opusă grupei -OH de la C4. Această formă de izomerie (anomerie) a fost pusă în evidenţă prin fenomenul de mutarotaţie, care scoate în evidenţă existenţa unui nou centru de asimetrie a moleculei în soluţie apoasă. Mutarotaţia constă în modificarea unghiului de rotaţie a soluţiei unei substanţe optic active în urma dizolvării ei în apă. Astfel, α-glucoza are unghiul de rotaţie specifică [α] = 112,50, în timp ce β-glucoza are [α] = 18,70. La dizolvarea celor doi izomeri α- şi β-glucoza, separat în apă, după acelaşi număr de ore, unghiul de rotaţie specifică are aceeaşi valoare [α] = 52,70 pentru amândoi anomerii. Soluţia conţine deci ambele forme α şi β-furanozice şi piranozice cât şi o mică cantitate de formă aldehidică, între toate aceste forme existând un echilibru dinamic. Trecerea reversibilă a anomerilor α şi β în soluţie unul în celălalt, decurge prin deschiderea ciclului şi formarea intermediară a formei aldehidice. 1
H
C C
O C C C
6
H2C
3
O OH H
H
5 C
OH
6 H2C
OH
H
C
OH
C
H
3
HO
4 C
C 2
H C
OH
O
4
H
C C 6
H2C
D-glucoză (formulă aciclică)
OH
5
H
OH
α-D-glucopiranoză
1
HO
H
OH
5
H
HO
H
4
H
H
2 C
OH
3
HO
1 C
OH
2
H
H
OH
β-D-glucopiranoză
La stabilirea denumirii monoglucidelor trebuie precizate toate particularităţile structurale (vezi Schemele 2.1 şi 2.2): tipul izomerului (anomerul α sau β); seria sterică (D sau L); izomerul optic (enantiomerul dextrogir (+) sau levogir (-); numele glucidei; tipul formulei perspectivice (piranozică sau furanozică).
CURS 3 2.2.3. Proprietăţile chimice ale ozelor (monoglucidelor) Proprietăţile chimice ale monoglucidelor sunt corelate cu structura lor chimică, respectiv, prezenţa în moleculă a grupelor funcţionale specifice: R H C O
R C O
R
R
carbonil aldehidic
HC OH
H2C OH
R
R
carbonil cetonic
alcool primar
alcool secundar
2.2.3.1. Proprietăţi chimice datorate grupei carbonil a) Reacţii de oxidare blândă Dintre toate grupele funcţionale prezente în monoglucide, cea mai vulnerabilă la oxidare este grupa carbonil aldehidică liberă. Aceasta se oxidează în condiţii blânde (apă de clor, hipocloriţi, Ag2O, reactiv Tollens, reactiv Fehling), aldozele transformându-se în acizi aldonici, care prin deshidratare formează lactonele acizilor gluconici: H
CH2OH O H H OH
H
O
OH
OH H
H OH
OH
CH2OH OH H H COOH - H O OH 2 H
glucoza
H
CH2OH O H H OH
C O
OH H
OH
OH
lactona acidului gluconic
acid gluconic
Oxidarea blândă care decurge în prezenţa agenţilor oxidanţi cum ar fi: reactivul Tollens, (AgNO3 în soluţie amoniacală), respectiv reactivul Fehling, evidenţiază cel mai bine proprietăţile reducătoare ale aldozelor, care reduc Ag+ (din AgNO3) la Ag0 metalic (oglinda de argint), iar Cu2+ (din reactivul Fehling, de culoare albastră) la Cu+ de culoare roşie-cărămizie. b) Reacţii de oxidare energică Oxidarea energică (în prezenţă de HNO3) transformă aldozele în acizi zaharici (acizi dicarboxilici), în care grupele carboxil (-COOH) se găsesc la extremităţile catenei de atomi de carbon: CH2OH O H H OH
H
COOH H OH
OH H
α-glucoză
OH
H
OH H OH
H
H
OH
COOH
OH
acid glucozaharic
Acizii zaharici sunt importanţi la identificarea glucidelor, fără a avea un rol biologic deosebit. Cetozele se oxidează numai cu oxidaţi energici, când are loc ruperea catenei de atomi de carbon şi formarea unui acid aldonic cu un atom de carbon mai puţin decât oza iniţială şi o moleculă de acid formic. c) Reacţii de oxidare protejată Acest tip de oxidare a aldozelor decurge prin protejarea prealabilă a grupei carbonil, respectiv hidroxilul glicozidic, prin eterificare, şi conduce la acizi uronici:
H
CH2OH O H H OH
H
RX
OH
OH H
H
- HX
CH2OH O H H OH
H
[O]
OR
OH
OH
H
COOH
COOH H
O H OH
H
H OR
OH
OH
H
H
H 2O
- ROH
O H OH
OH H
glucoză
H
OH
OH
H
OH
acid glucuronic
Acizii uronici sunt componente importante ale multor polizaharide (pectine, gume, mucilagii vegetale). Ei prezintă proprietăţi reducătoare datorită grupei carbonil libere. Îndeplinesc în organism rol detoxifiant, datorită posibilităţii de legare a unor toxine, medicamente etc. d) Reacţii de reducere Aldozele şi cetozele se transformă prin reducerea grupei carbonil (hidrogenare în prezenţă de catalizatori metalici sau amalgam de natriu în apă) în polialcooli (polioli) cu acelaşi număr de atomi de carbon (pentitoli din pentoze, hexitoli din hexoze). De exemplu, prin reducerea glucozei şi a fructozei se obţine acelaşi hexitol, sorbitolul: H
C
O
H
C
OH
H [H]
HO
C
H
H2C
OH
C
OH
H2C
OH
C
O
C
H
[H] HO
C
H
HO
(HCOH)2
(H COH)2
(HCOH)2
H2C
H2C
H2C
OH
D-glucoză
D-sorbitol
OH
OH
D-fructoză
În acelaşi timp, din fructoză poate rezulta şi D-manitol (hexoze epimere care se deosebesc doar prin configuraţia unui atom de carbon asimetric). Alături de pentitoli şi hexitoli aciclici, în organismele vegetale şi animale pot rezulta, prin aldolizare intramoleculară, hexitoli ciclici, denumiţi ciclitoli sau ciclite. Un astfel de ciclitol este inozitolul (hexahidroxiciclohexan), dintre ai cărui numeroşi stereoizomeri, mezoinozitolul, este factor de creştere în organism şi component al lipidelor fosfatidice (inozitol-fosfolipide):
O
H
H
OH
C HO
CH
HO
CH
C CH3 CH
OH
HO
CH
HO
CH
CH
CH2 CH
OH
OH
metilpentoza
quercitol
O
H
H
C HO
CH
HO
CH
OH C
H2C CH
OH
CH
OH
HO
CH
OH
HO
CH
CH
CH
OH
CH
OH
OH
OH
H OH
H H
OH
H
;
H
OH
CH
H OH
OH
OH
aldohexoză
inozitol
mezoinozitol
e) Reacţii de condensare Asemănător aldehidelor şi cetonelor, glucidele (aldoze şi pentoze) formează în urma unor reacţii de condensare cu hidrazina (H2N–NH2) sau fenilhidrazina (H2N–NH–C6H5), diferiţi compuşi: hidrazone, fenilhidrazone, osazone, osone. Aceste reacţii reprezintă o cale de conversie a aldozelor în cetoze: H
C
H
O
C
N
HN
C6H5
H2N-NH-C6H5 H
C
H
OH
C
H2N-NH-C6H5
OH
- NH3 - H2N-C6H5
H2O
aldoză (aldohexoză)
C
N
H
C
O
H
C
N
HN
C
N
HN
C6H5
fenilosazonă
C6H5
C6H5 H2N-NH-C6H5
cetofenilhidrazonă
H
C
-2H2N-NH-C6H5
H2C
O
2HOH H
HN
H2O
fenilhidrazonă
H2N-NH-C6H5 H2O
H
OH
[H] H
C
O
osonă
H
C
O
cetoză (cetohexoză)
Glucoza, fructoza si manoza formează aceeaşi fenilosazonă (nu se poate diferenţia configurţia atomilor de carbon 1 şi 2).
2.2.3.2. Proprietăţi chimice datorate grupelor funcţionale hidroxil În formula ciclică semiacetalică a monoglucidelor există două feluri de grupe hidroxil:
una de natură semiacetalică (glicozidică), care este cea mai reactivă, restul de natură alcoolică (primară şi secundară) mai puţin reactive:
H
C
OH
H
C
OH
H2C
OH
hidroxil semiacetalic (glicozidic) hidroxil alcoolic secundar
O
hidroxil alcoolic primar
a) Reacţii de eterificare Monoglucidele (ozele) participă la reacţii de eterificare (condensare) cu alcooli, fenoli, steroli, în primul rând prin grupa hidroxil semiacetalică, mai reactivă decât restul grupelor alcoolice. Se formează compuşi de tip eter (R-O-R) denumiţi ozide (glicozide de la glucoză, galactozide de la galactoză etc.). În funcţie de forma anomerică (α sau β) a ozei, se pot forma α-glicozide sau β-glicozide: CH2OH
CH2OH
O
O
CH2OH
CH2OH O
O
OH
OR
OH
OR
α-glicozidă
α-glucoză
β-glucoză
β-glicozidă
Grupa hidroxil glicozidică se poate eterifica (condensa) cu grupe -OH alcoolice ale altei monoglucide cu formare de diglucide şi poliglucide, reducătoare sau nereducătoare. b) Reacţii de esterificare Aceste reacţii pot avea loc între grupele hidroxil ale monoglucidei şi un acid anorganic sau organic cu formare de esteri. Esterii ozelor cu acizii organici pot fi obţinuţi prin sinteză (esteri cu acidul acetic şi benzoic), sau se întâlnesc în natură sub formă de galo-taninuri (esterii cu acidul galic şi galoilgalic): R CH2 OH + HO C R O
- H2O
OH R CH2 OH + HO P OH O
R CH2 O C R O
OH - H2O
R CH2 O P OH
ester al unui acid carboxilic ester al acidului fosforic
O
Esterii ozelor cu acizii anorganici. Dintre punct de vedere biologic, un interes deosebit
prezintă esterii fosforici ai monoglucidelor, care sunt implicaţi în metabolismul glucidic. Conţinutul de fosfaţi ai ozelor variază în funcţie de organele plantelor (0,31% în făina de mazăre şi între 0,0034-0,046% în frunze). Un interes deosebit în metabolismul glucidic îl prezintă esterii fosforici (fosfaţii) ai triozelor, pentozelor şi hezozelor. Triozofosfaţi
Tetrozofosfaţi H C O
H2C
H
C
O
H
C
OH
H2C
O
OH
H C OH
C
O
H C OH
H2C
O
H P
aldehidă 3-fosfoglicerică
P
H2C O P
hidroxiacetonfosfat
eritrozofosfat
Pentozofosfaţi
H C OH
H C O
H C O
H C OH
H C OH
H C OH
H C OH
H C OH
H C OH
H C O HO C H H C OH H2C O P
H2C O P
H2C O P
H2C O P
H2C OH
H2C O P
H2C OH
H C O
ester-ribozo-5-fosfat ester-ribulozo-5-fosfat ester-ribulozo-1,5-difosfat
ester-xilulozo-5-fosfat
Hexozofosfaţi CH2OH
CH2O P
O
O
CH2O P
OP
OH
O
OH
Glucozo 1- P ester CORI
CH2O P
O
CH2OH
Glucozo 6- P ester ROBINSON
OH
CH2O P
Fructozo 6- P ester NEUBERG
Fructozo 1,6-di P ester HARDEN-YOUNG
2.2.3.3. Reacţii la care participă ambele grupe funcţionale ale ozelor (carbonil şi hidroxil) a) Reacţii în mediul acid Monozaharidele sunt stabile la acţiunea acizilor minerali diluaţi. Acizii tari produc totuşi deshidratarea şi ciclizarea pentozelor (la furfurol) şi a hexozelor (la hidroximetilfurfurol, care se descompune final în acid levulinic şi acid formic): H C
HO
H C
OH H
H2C OH
CH OH
pentoza
C O
- 3H2O
O furfurol
CHO
H C
HO
H C
OH H
H2C HO
CH
CH
OH
OH
C - 3H2O
O
H2C
CHO
O
HO hexoza
hidroximetilfurfurol
Furfurolul se obţine industrial din materiale bogate în pentozani (tărâţe, coceni, coji de seminţe de floarea-soarelui şi ovăz) prin încălzire cu H2SO4 diluat, sau prin antrenare cu vapori de apă supraîncălziţi (furfur = tărâţe). b) Reacţii în mediul bazic Sub acţiunea bazelor tari diluate (NaOH) sau a bazelor slabe la temperatura camerei, ozele suferă un proces de izomerizare (epimerizare), care decurge prin intermediul unui enol, cu formarea epimerilor corespunzători (vezi conversii de la aldoze la cetoze). La temperaturi ridicate sau în prezenţă de soluţii concentrate, bazele tari produc asupra ozelor transformări mai profunde, oxidări, polimerizări, cu formarea unor produşi de scindare a catenei (metilglioxal, acid lactic, aldehidă glicerică). c) Reacţii de interconversie a monoglucidelor Cele mai importante reacţii ale ozelor care implică ambele grupe funcţionale sunt interconversiile, în urma cărora aldozele trec în cetoze şi invers, sau monoglucidele se transformă în reprezentanţi cu număr mai mare sau mai mic de atomi de carbon în moleculă. 1. Conversii ale glucidelor fără schimbarea numărului de atomi de carbon • Conversii de la aldoze la cetoze Aceste tip de conversii decurg prin reacţii de epimerizare a aldozelor sub acţiunea bazelor slabe, când se schimbă poziţia grupei carbonil pe catenă de la atomul C1 la atomul C2. Epimeria este un alt tip de izomerie întâlnită la oze. Se numesc epimere, ozele care se deosebesc între ele prin configuraţia unui atom de carbon asimetric. H
C
O
H
C
OH
aldoza
H
C
OH
C
OH
dienol
H
H C
OH
C
O
cetoza (epimerul aldozei)
Reacţia de conversie de la aldoză la cetoză poate decurge şi prin izomerizare:
H
C
O
H
C
OH
H2C
H C
OH
C
O
H2C
O
H
O
P
aldehidă 3-fosfoglicerică
P
hidroxiacetonfosfat
Conversia de la aldoze la cetoze poate decurge şi prin reacţia de condensare a aldozelor cu fenilhidrazina cu formare de fenilhidrazone, osazone, osone, cetoze. • Conversii de la cetoze la aldoze Aceste tip de conversii decurg prin intermediul unei succesiuni de reacţii de reducere, oxidare, lactonizare: H2C
HO
OH
C
O
C
H
H2C HC
reducere
HO
cetoza
C
OH OH
COOH oxidare
H
HC HO
poliol
C
C
OH H
HC - H2O
acid aldonic
HO
C
O
H
C
O
H
C
OH
HO
C
H
O reducere
OH H
lactona acidului
aldoza
2. Conversii ale glucidelor cu schimbarea numărului de atomi de carbon • De la aldoze inferioare la aldoze superioare Acest tip de conversii decurg prin reacţii de adiţie de HCN la grupa carbonil a aldozei. H
C
H
O OH
C
aldopentoza C5
HCN
C
N
H
C
OH
H2O
H
C
OH
H
C
OH
- NH3
H
C
OH
COOH
cianhidrina aldopentozei C6
H
C
O
reducere
H
C
OH
- H2O
H
C H
OH
acid aldoaldonic C6
aldohexoza C6
• Conversii de la aldoze superioare la aldoze inferioare Acest tip de reacţii de conversie decurg printr-o succesiune de reacţii de oxidare cu formare de acizi aldonici, urmată de decarboxilarea acestora: H
C
O
H
C
OH
H
C
OH
aldohexoza C6
COOH O
H
C
OH
H
C
OH
acid aldonic C6
- CO2
H2C
OH
HC
OH
pentitol C5
O
H
C
O
H
C
OH
aldopentoza C5
Astfel de conversii sunt întâlnite în metabolismul glucidic, de exemplu: transformarea esterului fructozo-1,6-difosfat în aldehida-3-fosfoglicerică şi hidroxoacetonfosfat etc.
2.2.4. Reprezentanţi ai monoglucidelor Unele oze există libere în regnul vegetal (trioze, tetroze, pentoze, hexoze, octoze, nonoze), altele se găsesc sub formă de derivaţi, sau intră în constituţia oligozidelor şi poliozidelor. Principalii reprezentanţi ai monoglucidelor sunt ilustraţi în Schema 2.3. Triozele - o aldoză cu doi izomeri (aldehida glicerică) şi o cetoză (dihidroxiacetona) apar ca intermediari în metabolismul glucidelor, ca atare, sau sub formă de esteri fosforici. Tetrozele nu se găsesc libere în natură, ele rezultă prin degradarea pentozelor sau prin sinteză. Esterul fosforic al eritrozei se formează în procesul de fotosinteză şi la degradarea glucozei. Pentozele sunt foarte răspândite în natură (mai puţin sub formă liberă) mai ales sub formă de poliglucide (pentozani), glicozide şi esteri. În frunzele plantelor se găsesc cantităţi mici de pentoze, în proporţie mai mare se întânesc pentozani, poliozide care însoţesc celuloza. Cele mai importante dintre pentoze sunt: riboza, deoxiriboza, xiloza, arabinoza, ribuloza. Riboza şi deoxiriboza sunt componente ale acizilor nucleici ARN şi ADN şi ale unor enzime. Xiloza (zahărul de lemn) este componentă a membranelor celulare vegetale, însoţind celuloza sub forma poliozidelor xilani, mai ales în partea lemnoasă a plantelor (paie, coceni de porumb, lemn de stejar, sâmburi de fructe etc.). Xiluloza (epimerul xilozei) participă la procesul de fotosinteză. Arabinoza este prezentă în liliacee, sucul fructelor şi în lemnul coniferelor. Poliglucidele arabinozei (arabanii) sunt răspândite în hemiceluloze, materii pectice, gume, mucilagii vegetale. Hexozele sunt răspândite în regnul vegetal atât libere cât şi sub formă de derivaţi (holozide). Glucoza (dextroza, zahăr de amidon sau zahăr de struguri) este monoglucida cea mai răspândită şi importantă din punct de vedere biologic. În stare liberă se găseşte în toate fructele, în flori, în miere, în tomate, alături de fructoză şi zaharoză. Mierea de albine este un amestec echimolecular de D-glucoză şi D-fructoză. ALDOTRIOZE DIOZE
CETOTRIOZE
H C O
H2C OH
C O
H C OH
C O
H2C OH
H2C OH
H2C OH
aldehidă glicicerică
dihidroxiacetonă
H
aldehidă glicolică ALDOTETROZE H C O
H
H C OH
HO C H
H C OH
H
H2C OH
D-eritroză
D-treoză
O
CETOTETROZE
H2C OH
C OH
H2C OH
H
C O H 1
4 3
2
α-D-eritrofuranoză
3
C OH
H2C OH
O
1
4
H
C O
2
α-treofuranoză
D-eritruloză
ALDOPENTOZE H C O
H C O
H C O
H C OH
H C H
H C OH
H C OH
H C OH
H C OH
H C OH
H C OH
H C OH
H2C OH
H2C OH
H2C OH
D-deoxiriboză
D-Xiloză
D-riboză
CH2OH
O
1
4
4
α-ribofuranoză
H2C OH
D-arabinoză
D-lixoză
5
O
1
CH2OH
5
O
CH2OH
1
4
2
3
H C OH
H2C OH
4
2
3
CH2OH
1
HO C H
HO C H
5
O
HO C H
HO C H
HO C H
5
5
CH2OH
H C O
H C O
2
3
α-deoxiribofuranoză
1
2
3
α-xilofuranoză
O
4 2
3
α-arabofuranoză
α-lixofuranoză
CETOPENTOZE H2C OH
H2C OH
C O
C O
H C OH
HO C H
H C OH
H C OH
H2C OH
H2C OH
D-ribuloză
D-xiluloză
1
O 5 3
2
OH
3
4
α-ribulofuranoză
CH2OH
O
5
2 4
1
CH2OH
OH
α-xilulofuranoză
ALDOHEXOZE
H C O
H C O H C OH
HO C H
H C OH
H C OH
H C OH
H C OH
H C OH
H C OH
H C OH
H C OH
H2C OH
H2C OH
H2C OH
H2C OH
H2C OH
altroză 6
2
α-alopiranoză
3
α-altropiranoză
H C OH
galactoză 6
manoză
CH2OH
5
O
6
O
3
2
α-glucopiranoză
CH2OH
5
1 4
1 4 2
HO C H
HO C H
CH2OH
5
O
1 4
HO C H
glucoză 6
CH2OH
5
4
HO C H
HO C H
H C OH
O
3
H C OH
H C O
H C OH
CH2OH
5
H C O
H C OH
aloză 6
H C O
O
1
1
4
3
2 3
2
α-galactopiranoză α-mananopiranoză
CETOHEXOZE
H2C OH
H2C OH
C O
C O
H C OH
HO C H
H C OH
H C OH
H C OH
H C OH
H2C OH
H2C OH
sorboza
fructoza 1
6
O
2
5 4
3
OH
α-sorbopiranoză
1
6
CH2OH
O
CH2OH 2
5 4
3
α-fructopiranoză OCTOZE
HEPTOZE
H2C OH
H2C OH C O H C OH H C OH H C OH H C OH
C O H C OH H C OH H C OH H C OH H C OH
H2C OH sedoheptuloză
H2C OH gliceromonooctuloză Schema 2.3. Clasificarea monoglucidelor
Glucoza intră în structura diglucidelor (zaharoza, maltoza, celobioza, lactoza) şi a poliglucidelor (amidon, celuloză). Din combinaţiile sale glucoza se separă prin hidroliză acidă sau enzimatică. Conţinutul de glucoză din plante variază în funcţie de temperatură şi de gradul de expunere la lumină a plantelor. Galactoza este o glucidă răspândită mai ales sub formă de diglucide (lactoza), triglucide (rafinoza) şi poliozidele (galactani, galactoarabani etc.) în agar-agar, gume şi mucilagii vegetale, glicozide şi lipide complexe. Fructoza (zahărul din fructe, cea mai dulce dintre oze) este o cetohexoză răspândită atât în stare liberă, în fructe, cât şi sub formă de diglucide (zaharoza), poliglucide (inulina, fructani) şi glicozide. Sorboza este o cetohexoză izomeră cu fructoza, răspândită în scoruşul de munte şi alte fructe, mai ales sub formă de sorbitol, care în contact cu aerul se oxidează la sorboză. Se utilizează la obţinerea acidului ascorbic (vitamina C). Aminoglucidele sunt derivaţi ai glucidelor care conţin şi grupa funcţională amino. Mai răspândite în natură sunt glucozamina, componentă a chitinei (poliglucidă a exoscheletului insectelor şi racilor) şi galactozamina (componentă a glicolipidelor).
CURS 4 2.3. GLUCIDE COMPUSE (OZIDE) Ozidele sunt produse de condensare (eterificare) a ozelor (holozide) sau produse de condensare a ozelor cu substanţe de natură neglucidică (heterozide). Holozidele (holos = acelaşi fel) se clasifică după numărul monoglucidelor componente în: oligozide (oligoglucide, oligozaharide) dacă sunt formate din 2-6 unităţi structurale de oze, şi poliozide (poliglucide, polizaharide), dacă au structură macromoleculară.
2.3.1. Oligozide (oligoglucide) Din punct de vedere structural, oligozidele pot fi considerate produse de condensare a monoglucidelor identice sau diferite: n monoglucide - (n-1) H2O = oligoglucide După numărul unităţilor de monoglucide componente, oligozidele pot fi: di-, tri-, tetra-, penta-, hexaglucide. După natura grupelor hidroxil, participante la formarea legăturilor de tip eter (R-O-R), oligozidele (oligoglucidele) pot fi: • monocarbonilice (reducătoare) dacă participă la formarea legăturii o grupa hidroxil glicozidică (semiacetalică) şi o grupă hidroxil neglicozidică a celei de a doua oze. Diglucida formată posedă cel puţin o grupă-OH glicozidică care se poate oxida, deci manifestă caracter reducător faţă de reactivul Tollens, reactivul Fehling etc. • dicarbonilice (nereducătoare) când la formarea legăturii eterice participă ambele grupe hidroxil glicozidice. Diglucida rezultată nu se poate oxida cu nici unul dintre agenţii oxidanţi amintiţi (nu are caracter reducător). 2.3.1.1. Diglucide. Reprezentanţi ai diglucidelor Cele mai importante şi mai răspândite oligozide din natură sunt diglucidele, constituite din două resturi de monoglucide. Maltoza este o diglucidă reducătoare omogenă formată din două resturi de α-Dglucopiranoză unite prin legătură 1,4-α-glicozidică. Se găseşte liberă în orzul încolţit (zahăr de malţ) şi este unitatea structurală a poliglucidei amidon. Maltoza eliberează prin hidroliză enzimatică (cu enzima maltază) două molecule de α-D-glucopiranoză.
O
H H OH
H
OH
OH H
OH
α-glucoză
H OH
+
H
O
H
H
H
OH
α-glucoză
O
H H OH
- H2O
OH
OH H
CH2OH
CH2OH
CH2OH
CH2OH
H
O
H H OH
H
H OH
O
OH H
H
OH
H
OH
maltoză
Celobioza este o diglucidă reducătoare omogenă, formată din două resturi de β-D-
glucopiranoză, unite prin legătura 1,4-β-glicozidică. Se găseşte liberă în cantităţi mici în seva unor arbori şi reprezintă unitatea structurală a poliglucidei celuloza. Celuloza eliberează prin hidroliză enzimatică (cu enzima celulaza) două molecule de β-D-glucopiranoză.
O
H H OH
OH
H OH
+
H H
OH H
O
H
O
H H OH
- H2 O
H H
β-glucoză
OH
H
OH
OH
CH2OH
CH2OH
CH2OH
CH2OH
H OH
O
H
H
OH H
OH
β-glucoză
H
H
H
OH
OH
O
H
OH
celobioză
Lactoza (zahărul din lapte) este o diglucidă reducătoare neomogenă, formată dintr-o moleculă de β-D-galactoză şi una de α-D-glucoză, unite prin legătură 1,4-α,β-glicozidică. În stare liberă se găseşte în laptele mamiferelor, iar în plante în polenul florilor de Forsythia.
O
OH H OH
OH
H OH
+
H H
H H
O
H
O
OH H OH
- H 2O
OH H
β-galactoză
H
H
OH
OH
CH2OH
CH2OH
CH2OH
CH2OH
H OH
O
H
H
OH H
OH
α-glucoză
H
H
H
H
OH
O
H
OH
lactoză
Genţiobioza este o diglucidă reducătoare, neomogenă, formată din β-D-glucopiranoză şi α-D-glucopiranoză unite prin legătură 1,6-α,β-glicozidică. Este componentă a unor glicozide (amigdalina) şi se găseşte în cantităţi mici în rădăcinile unor plante. Zaharoza (zahărul de sfeclă, de trestie) este o diglucidă nereducătoare, neomogenă, formată din α-D-glucopiranoză şi β-D-fructofuranoză, unite prin legătură 1,2-α,β-glicozidică. Zaharoza se găseşte în frunze ca rezultat al fotosintezei şi este cea mai răspândită diglucidă naturală (în rădăcinile sfeclei de zahăr: 16-20%, în tulpinile trestiei de zahăr: 16-27%). Hidrolizează în mediu acid sau sub acţiunea enzimei zaharaza, eliberând un amestec echimolecular de α-D-glucoză şi β-D-fructoză, denumit zahăr invertit, datorită faptului că prezintă activitate optică levogiră, spre deosebire de glucoză care este dextrogiră. CH2OH
CH2OH O
H H OH
H
H OH
OH H
H
H
H
OH
O
- H 2O
OH
O
CH2OH
OH
H
CH2OH OH
H
H OH OH
OH
α-glucoză CH2OH
O
H
H
β-fructoză
O
H
OH
OH
H
H
CH2OH
zaharoză
Trehaloza (zahărul din ciuperci) este o diglucidă nereducătoare, neomogenă, formată din α-D-glucoză şi β-D-glucoză unite prin legătura 1,1-α,β-glicozidică. Se întâlneşte în ciuperci şi în limfa unor insecte.
O
H H OH
H
OH OH
α-glucoză
O
H H OH
+
H
OH H
CH2OH
CH2OH
CH2OH
OH
H
H
H OH
- H2 O
H
OH
O
H
OH
β-glucoză
H
H
H
OH H
OH
H
H O
OH H
OH
O
H CH2OH
OH
trehaloză
2.3.1.2. Triozide (Triglucide) Triglucidele sunt constituite din trei resturi de monoglucide. Mai răspândite în natură sunt: rafinoza răspândită în sfecla de zahar, seminţe de bumbac, formată din: α-D-galactoză, α-Dglucoză şi β -D-fructoză şi genţianoza formată din două molecule de β-D-glucoză şi una de α-Dfructoză.
2.4. POLIOZIDE (POLIGLUCIDE) Poliozidele (poliglucide) sunt compuşi macromoleculari care rezultă prin policondensarea unui număr mare (n) de monoglucide: n C6H12O6 - (n-1) H2O = (C6H10O5)n Numărul monoglucidelor cuprinse în macromoleculele poliglucidelor şi masa moleculară, depind de tipul de compus macromolecular, şi la plante de specia din care a fost izolată (de exemplu, celuloza din bumbac are M = 1,75 x 106, iar celuloza din lemn are M = 6 x 106). În ceea ce priveşte tipul de legături dintre unităţile constituente, în cazul poliglucidelor constituite din aldoze, legăturile sunt de tip glicozidic: 1,4, sau 1,6, sau 1,3, mai rar 1,2, iar în cazul poliglucidelor constituite din cetoze legăturile sunt de tip 1,5-glicozidice.
2.4.1. Proprietăţi fizice şi chimice ale poliglucidelor Poliglucidele se prezintă sub forma unor pulberi albe, amorfe, insolubile sau greu solubile în apă, formând sisteme coloidale. Poliglucidele care au atomi de carbon asimetrici prezintă activitate optică. Toate resturile de monoglucide sunt legate prin intermediul grupei -OH glicozidice, doar la capăt de macromoleculă existând o grupă -OH glicozidică liberă, ceea ce determină un slab caracter reducător. Grupele -OH libere, (câte trei la fiecare unitate de monoglucidă), pot reacţiona cu formare de eteri şi de esteri ai poliglucidelor respective. Prin hidroliză acidă sau enzimatică poliglucidele eliberează monoglucidele componente. Rolul poliglucidelor în organismele vii este foarte complex. Ele servesc ca substanţe de rezervă în plante (amidonul, inulina etc.), sau în organismele animale (glicogen), îndeplinesc rol plastic structural (celuloza în plante, mureina în bacterii, etc.), rol de protecţie (substanţele pectice etc.).
2.4.2. Poliozide omogene (homopoliglucide) Poliozidele omogene, răspândite mai ales în regnul vegetal, sunt compuşi macromoleculari constituiţi din monoglucide identice, cu denumiri corespunzătoare acestora (pentozani, hexoxani). 2.4.2.1. Reprezentanţi ai pentozanilor Arabanii sunt polimeri ai arabinozei cu structură ramificată, în care moleculele de arabofuranoză sunt legate 1,5-α-glicozidic în catena principală şi 1,2-α-glicozidic la nivelul ramificaţiilor. Arabanii sunt componenţi ai hemicelulozelor, gumelor vegetale, materiilor pectice. Xilanii sunt polimeri care au ca unitate structurală xiloza, legată β-1,4-glicozidic (ca şi celuloza). Ei însoţesc celuloza în toate ţesuturile plantelor (15% xilan în lemnul angiospermelor şi 7-8% în lemnul gimnospermelor). 2.4.2.2. Reprezentanţi ai hexozanilor (glucanilor) Glucanii (glucozanii) sunt compuşi macromoleculari larg răspândiţi în natură, cu formula generală (C6H10O5)n, care au ca unitate structurală glucoza. În funcţie de natura anomerului glucozei (α sau ß) şi de modul de legare în macromoleculă, rezultă compuşi diferiţi, dintre care cei mai importanţi, din punct de vedere al funcţiilor biologice sunt: amidonul şi celuloza. Amidonul, produs al fotosintezei, este larg răspândit în regnul vegetal ca glucidă de rezervă, sub formă de granule (de formă şi mărime specifică speciei vegetale) în tuberculi, seminţe şi părţi lemnoase ale plantelor. Nu are o structură unitară, fiind constituit din două componente: amiloza şi amilopectina. Amiloza, care reprezintă 20-30% din granula de amidon, este dispusă în interiorul acesteia şi prezintă o structură neramificată. Ea este constituită din mai multe unităţi de maltoză (constituite la rândul lor din molecule de α-D-glucopiranoză), unite prin legături 1,4-αglicozidice sub forma unei catene macromoleculare cu M = 50000-500000, care este dispusă în spaţiu sub formă de spirală, formată din câte 4-6 molecule de α-D-glucoză. Amiloza formează cu apa sisteme disperse coloidale care prezintă cu iodul o coloraţie albastră. Amiloza
O
H H OH
H
H
O
H
1
4
H OH
H
OH
maltoza
H
O
H 4
1
H OH
H
H
OH
O
H
H 4
1
H OH
H
H
OH
H 1 O
O
O
O H
CH2OH
CH2OH
CH2OH
CH2OH
H
OH
maltoza
Amilopectina, componentul ramificat, reprezintă 70-80 % din granula de amidon, este dispusă în învelişul acesteia şi prezintă o structură ramificată. Este constituită ca şi amiloza din unităţi de α-D-glucopiranoză unite prin legături 1,4-α-glicozidice (unităţi de maltoză), sub
forma unei catene macromoleculare liniare, la care apar ca ramificaţii, catene laterale în care unităţile 1,4-α-glicozidice sunt legate 1,6-α-glicozidic (în medie ramificaţiile apar după 25 de resturi de glucoză). Gradul de polimerizare variază mult, iar masa moleculară a amilopectinei este de ordinul unui milion. Şi amilopectina formează cu apa sisteme disperse coloidale care prezintă cu iodul o coloraţie roşie-brună. CH2OH
CH2OH O
H H OH
H
H
O
H
1
H OH
4
O H
OH
OH
CH2OH O
H H OH
1
H
O H
H
H
H
CH2
CH2OH O
H
1
4
H OH
H
O
H 4
1
H OH
H
H
1 O
O
O H
H
H
OH
OH
H
OH
amilopectina
Proprietăţile amidonului sunt rezultanta proprietăţilor individuale ale componentelor sale. Amidonul este insolubil în apă rece. În apă caldă, formează soluţii coloidale, respectiv, granulele se umflă, iar la o temperatură ridicată se sparg şi formează soluţii vâscoase sau geluri. La răcire, se transformă într-un gel omogen (coca sau cleiul de amidon). Prin hidroliză treptată, la cald, în prezenţa acizilor tari sau a enzimelor specifice (amilaze) care scindează doar legăturile 1,4-α-glicozidice, amidonul se transformă în poliglucide cu catene mai scurte, denumite dextrine. Legăturile 1,6-α-glicozidice din catenele laterale ale amilopectinei nu sunt hidrolizate de amilaze ci de enzimele 1,6-α-glicozidaze. Amidonul extras din grâu, porumb, cartofi este utilizat în industria alimentară (la obţinerea alcoolului etilic, acidului lactic), în industria farmaceutică, textilă (apret). Schematic, hidroliza amidonului poate fi prezentată astfel:
Amidon
Amilodextrine
Eritrodextrine
(nereducătoare, cu I2 dau culoare violetă)
(slab reducătoare, cu I2 dau culoare roşie)
Acrodextrine
Maltodextrine
Maltoza
Glucoza
(reducătoare, nu dau reacţie cu I2)
(reducătoare, nu dau reacţie cu I2)
(puternic reducătoare)
(puternic reducătoare)
CURS 5 Glicogenul este cel mai important polizaharid de rezervă din celulele animale. El este depozitat mai ales în ficat (până la 10% din structura acestuia) şi reprezintă 1-2% din structura muşchilor. În celulele ficatului, glicogenul se găseşte sub forma unor granule mari, compuse la rândul lor din agregate de granule mici, constituite din macromolecule foarte ramificate, cu mase moleculare de ordinul milioanelor. Glicogenul este ca şi amilopectina un polizaharid al α-D-glucopiranozei cu legături 1,4-α-glicozidice, dar mai ramificat şi mai compact. Ramificaţiile apar în medie după 8-12 resturi de glucoză, sub forma legăturilor 1,6-α-glicozidice. Glicogenul este hidrolizat până la stadiul de maltoză şi glucoză de enzimele amilaze şi prezintă cu soluţia de iod o coloraţie roşu-violet. Celuloza este poliglucidul cel mai răspândit în natură, aproape exclusiv în regnul vegetal. Este componentul principal al pereţilor celulari vegetali, substanţa de schelet care asigură rezistenţa mecanică şi fizico-chimică ridicată a ţesuturilor lemnului. Reprezintă componentul chimic principal al lemnului (în medie 50%), restul procentelor fiind reprezentate de lignină şi hemicelulozele (tot componenţi principali) şi o serie de componenţi chimici secundari (taninuri, materii pectice, gume, mucilagii vegetale etc.). Celuloza prezintă structură macromoleculară poliglucidică, rezultată prin policondensarea unui număr variabil de unităţi de ß-D-glucopiranoză. La hidroliza menajată a celulozei rezultă unităţi de celobioză care sunt legate prin legături 1,4-ß-glicozidice. CH2OH
CH2OH O
H H OH
O
H
H
O
CH2OH
H OH
H
OH
O
H
H
H
O
CH2OH
H OH
H
H H
OH
O
H O
H OH
H H
OH
O
H H
H
OH
celuloza
Celuloza nativă constă din macromolecule formate din 8000-12000 de unităţi de glucoză având mase moleculare de 1,3-2,0 milioane. Macromoleculele filiforme sunt dispuse paralel pe o anumită lungime, formând fibre cu rezistenţă mecanică deosebită. Între moleculele dispuse paralel se stabilesc, între grupele hidroxil, legături de hidrogen, formând astfel fibrile elementare cu diametrul de 3,5 nm (vizibile cu microscopul electronic) (fig. 2.1). În stare pură, celuloza este o substanţă solidă, de culoare albă, cu aspect amorf, fără gust şi fără miros. Deşi prezintă în structură un mare număr de grupe hidroxil, datorită legăturilor de hidrogen stabilite între acestea, celuloza este insolubilă în apă, în acizi diluaţi sau în solvenţi organici. În prezenţa acizilor minerali tari concentraţi, moleculele de celuloză se gonflează cu aceşti reactivi şi apoi hidrolizează. Celuloza este solubilă în reactivul Schweitzer (Cu (NH3)2(OH)2). Datorită prezenţei la fiecare unitate structurală a celor trei grupe hidroxil libere, celuloza poate fi esterificată (cu acid acetic, acid azotic, acid sulfuric), poate fi eterificată, sau oxidată. Prin fierbere cu soluţie de NaOH conc., are loc îmbibarea celulozei, proces care decurge cu scurtarea şi creşterea grosimii fibrei. În anumite condiţii, tratamentul cu NaOH concentrat determină apariţia unui luciu pe suprafaţa celulozei (mercerizare), proces aplicat în industria textilă. Cu soluţie de 20% NaOH, se obţine alcali-celuloza, care combinată cu sulfura de carbon formează viscoza (mătasea artificială). Din viscoză se obţine şi celofanul, iar prin tratarea celulozei cu acid sulfuric rezultă pergamentul. Celuloza nu poate fi asimilată de organismul uman, care nu posedă enzimele necesare scindării macromoleculei (celulaze, celobiaza).
o
10,3 A HO
CH2OH O
O
OH
CH2OH O O
O
HO
HO
O OH
O
CH2
OH
O H CH2OH
OH
HO O
O
O HO
O
O CH2
OH
O H
Fig. 2.1. Legături de hidrogen în celuloză
Mananii sunt poliglucide formate din unităţi structurale de manopiranoză legate între ele prin legături 1,4-β-glicozidice. Sunt prezente în toate speciile de răşinoase (8-12%), foioase (1%), în învelişul dur al seminţelor, precum şi în unele bacterii, drojdii, ciuperci. CH2OH O
H H OH
H H
H
OH H
OH
H
CH2OH H
O
OH
OH
H
H
O
O
H H OH
H
OH H
OH
H
H
H
HOH2C
H
O
OH
O
H
O
O CH2OH
H
manani
Galactanii sunt poliglucide formate din unităţi structurale de D-galactopiranoză unite βglicozidic prin atomii de carbon C1-C4 şi C1-C6. Prezintă o structură macromoleculară mixtă (liniară şi ramificată), asemănătoare amidonului. Sunt prezente în părţile lemnoase ale plantelor, sub formă de poliozide mixte, însoţind celulozele şi materiile pectice. Cel mai important galactan este agar-agar (geloza), extrasă din algele roşii. Este formată ca şi amidonul din două componente: agaroza (asemănătoare amilozei) şi agaropectina (asemănătoare amilopectinei). Se transformă în gel chiar şi în soluţii de 1% şi este utilizată ca materie de bază în mediile de cultură. CH2OH O
O
CH2OH O
O
CH2OH O
O
CH2OH O
O
galactani
Fructanii (fructozanii) sunt poliglucide care au ca unitate structurală D-fructoza. Cel mai
reprezentativ este inulina în care resturile de β-D-fructoză (în medie 30) sunt legate 1,2-βglicozidic. Inulina se găseşte în rădăcinile de dalia, de cicoare, iarbă de mare, păpădie, anghinare etc., liberă sau sub formă de glicozide. Inulina nu prezintă proprietăţi reducătoare şi nu dă reacţii de culoare cu iodul. În organismul uman nu se metabolizează, eliminându-se nemodificată, fapt care o recomandă regimului alimentar al diabeticilor. Chitina este o poliglucidă rezistentă la factorii fizico-chimici, care are drept unitate structurală N-acetilglucozamina legată 1,4-β-glicozidic. În regnul vegetal este componentă a drojdiilor, a ciupercilor, iar în regnul animal, este răspândită în carapacea crustaceelor, în tegumentele insectelor, al moluştelor, unde îndeplineşte un rol structural şi de protecţie. CH2OH O
NHCOCH3 O O
NHCOCH3
CH2OH O
NHCOCH3 O O
O NHCOCH3
CH2OH
O
CH2OH
chitină
2.4.3. Poliglucide (poliozide) neomogene Poliozidele (poliglucidele) neomogene sunt compuşi chimici foarte răspândiţi în natură, predominant în regnul vegetal, însoţind de obicei celuloza. Sunt constituite din monoglucide diferite, cu sau fără acizi uronici (produşi de oxidare a monoglucidelor). 2.4.3.1. Poliglucide neomogene fără acizi uronici Acest tip de poliglucide neomogene pot fi constituite din: • pentoze diferite: arabo-xilani (în stejar); • hexoze diferite: gluco-manani (în plop, mesteacăn), galacto-manani (în plop tremurător, mesteacăn alb), galacto-manani, galacto-fructani etc.; • pentoze şi hexoze: arabo-galactani (în lemn de larice), arabo-glucani, xilo-glucani, xilogalactani. 2.4.3.2. Poliglucide neomogene cu acizi uronici Sunt prezente mai ales în regnul vegetal, reprezentate de: hemiceluloze, materii pectice, gume, mucilagii vegetale. Hemicelulozele constituie substanţe de constituţie şi rezervă care sunt dispuse în părţile lignificate ale plantelor (lemn, paie, seminţe), însoţind celuloza şi ligninele. În lemn se găsesc preponderent în speciile foioase (17-40%), mai puţin în speciile răşinoase, concentrate în ramuri şi în vârful arborilor. Sunt heteropoliglucide macromoleculare care se deosebesc de celuloză prin structura heterogenă, fiind constituite din: pentoze (L-arabinoza, D-xiloza), hexoze: (D-galactoza, D-glucoza, D-manoza), precum şi acizi uronici (acid D-galacturonic, D-manuronic) etc. Spre deosebire de celuloză, macromoleculele hemicelulozelor au un grad mai mic de polimerizare (150-200 de unităţi monomere de monoglucide) şi o structură ramificată a catenei. Ele se deosebesc de celuloză şi prin proprietăţile fizico-chimice, şi anume, hemicelulozele sunt solubile în alcalii şi hidrolizează mai uşor în prezenţa acizilor minerali diluaţi. Prin prelucrarea fizico-chimică a hemicelulozelor se obţine: furfurol, alcool etilic, drojdii furajere etc.
Materiile pectice (pectinele) sunt poliglucide neomogene cu rol în sudura ţesuturilor celulozice şi în reglementarea permeabilităţii celulelor vegetale. Sunt prezente în aproape toate organismele vegetale (rădăcini, lemnul arborilor, pulpa fructelor), în proporţii de 11-12%. Se prezintă sub formă de substanţe solide, amorfe, şi sunt constituite dintr-o parte insolubilă în apă (protopectina) şi o parte solubilă în apă (pectina). Componenta principală a pectinei este acidul pectic, compus macromolecular constituit din unităţi de acid galacturonic, în formă piranozică, legate prin legături 1,4-α-glicozidice. Grupele carboxilice sunt parţial esterificate cu metanol (CH3-OH), şi parţial transformate în săruri de calciu şi de magneziu. Pectinele se întâlnesc de obicei în organele tinere, dar şi în alte organe ale plantei (rădăcinile sfeclei de zahăr etc.). În apă formează dispersii coloidale, fiind substanţe cu mare putere de gonflare, proprietate utilizată la obţinerea gelurilor din sucurile de fructe, prin fierbere cu zahăr (gem, dulceaţă etc.). Fructele răscoapte conţin pectine nehidrolizabile la acid pectic şi nu sunt gelificabile (formarea gelurilor decurge în mediu acid la pH = 2,5-3,5). Alături de acizii pectici, materiile pectice mai conţin galactani şi arabani, uniţi prin legături glicozidice. COOH O H OH
H
H
H
H
OH
OH H
H
OH
O
O
O
O H
COOH
COOH
H
H OH
H
H
H
H
OH
OH H
H O
O
H H
HO
COOH
acidul pectic
Gumele vegetale sunt poliglucide care apar sub forma unor exudate cleioase, formate de obicei în urma rănilor care apar la suprafaţa cojii arborilor sau a fructelor. Din punct de vedere chimic sunt un amestec de pentoze, metil-pentoze, hexoze şi acizi hexuronici, care de obicei se găsesc sub forma sărurilor lor de calciu, de magneziu şi de potasiu. Prezintă o structură macromoleculară ramificată, catena principală fiind formată din unităţi de galactopiranoză legate glicozidic la C1-C3 şi C1-C6, iar catenele laterale conţinând acid glucuronic şi metilpentoze. Gumele vegetale prezintă solubilitate diferită în apă, dar toate sunt insolubile în solvenţi organici. Una dintre cele mai studiate este guma arabică din diferite specii de Accacia. Ea formează soluţii apoase vâscoase, fiind utilizată ca adeziv, apret, în industria farmaceutică etc. Mucilagiile vegetale sunt poliglucide neomogene, cu structură variabilă în funcţie de origine, foarte apropiată de cea a gumelor vegetale. Prin hidroliză totală se obţin: metilpentoze, hexoze (Dglucoză, D-fructoză, D-galactoză) şi acizi uronici. Se găsesc în seminţe de in, lucernă, muştar şi în algele verzi.
3. LIPIDE Lipidele sunt compuşi organici răspândiţi în organismele vegetale şi animale, unde îndeplinesc roluri complexe: rol structural (sunt componente ale celulelor, nucleului, protoplasmei, mitocondriilor etc.), rol de rezervă, constituie surse de energie, asigură protecţie mecanică şi termică organismelor plantelor şi animalelor. Răspândirea lipidelor în plante este variată şi neuniformă; astfel, conţinutul lipidelor în frunze este de 3-10% din materia uscată, în cloroplaste de 33-36%, un conţinut ridicat prezintă seminţele plantelor oleaginoase (floarea soarelui, rapiţă, in, cânepă, soia, măsline etc.).
Lipidele se caracterizează, din punct de vedere chimic, printr-o largă eterogenitate structurală şi de compoziţie (C, H, O, uneori N, P, S), precum şi a proprietăţilor fizico-chimice. Din punct de vedere chimic, lipidele sunt esteri ai unor alcooli cu acizii graşi superiori (excepţie, etolidele). Structura lor hidrofobă, apolară, le conferă insolubilitate în apă şi solubilitate în solvenţi organici (eter, cloroform, benzen, acetonă etc.). Pe solubilitatea diferită a lipidelor în diferiţi solvenţi, se bazează metodele de extracţie şi separare a lipidelor din diferite materiale vegetale şi animale.
3.1. LIPIDE SIMPLE Lipidele simple sunt substanţe ternare constituite din elementele C, H, O, care din punct de vedere a structurii chimice sunt esteri ai acizilor graşi cu diferiţi alcooli (monohidroxilici aciclici sau ciclici sau polihidroxilici). Se pot clasifica, în funcţie de compoziţia lor chimică în: • gliceride: esteri ai glicerolului cu acizi graşi superiori; • ceride: esteri ai alcoolilor superiori cu acizi graşi superiori; • etolide: compuşi de condensare intermoleculară a hidroxiacizilor; • steride: esteri ai sterolilor cu acizi graşi superiori. 3.1.1. Gliceride (grăsimi, acilgliceroli) Gliceridele sunt cele mai răspândite dintre lipidele din regnul vegetal, ele fiind prezente mai ales în seminţele plantelor oleaginoase. Gliceridele se pot diferenţia şi caracteriza prin conţinutul de acizi graşi componenţi. Plantele oleaginoase conţin în proporţie mare acid oleic şi acid palmitic (80% în uleiul de măsline). Uleiul de floarea soarelui conţine cca. 55-60% acid linoleic, 33-35% acid oleic şi 5-10% acid palmitic. Uleiurile de graminee conţin 10-15% acid palmitic, 30-60% acid oleic şi 30-60% acid linoleic. Seminţele sau organele plantelor pot conţine ca substanţe de rezervă, în afara acizilor graşi menţionaţi şi acizi graşi caracteristici, de exemplu, seminţele de rapiţă conţin 45-55% acid erucic, alunele de pământ conţin acid arahic etc. Gliceridele sunt din punct de vedere chimic esteri ai glicerolului (propantriol, glicerina) cu acizii graşi superiori. După cum sunt esterificate una, două sau trei grupe hidroxilice ale glicerinei, rezultă mono-, di-, sau trigliceride. După poziţia hidroxilului esterificat, glicerina poate forma, cu acelaşi acid gras, doi izomeri de poziţie: α- sau β-monogliceridă (monoacilgliceroli). Deoarece αmonogliceridele au atomul de carbon C2 asimetric, vor exista două α-monogliceride enantiomere. O CO R
H2 C
OH
H2C
HC
OH
HC
OH
HC
H2 C
OH
H2C
OH
H2C
glicerol
monoacilglicerol (monogliceridă)
H2C
O CO R O
CO R
OH
diacilglicerol (digliceridă)
H2C
O CO R
HC
O
CO R
H2C
O
CO R
triacilglicerol (trigliceridă)
Dacă esterificarea celor două sau trei grupe –OH din glicerol se realizează cu acizi graşi identici, se obţin digliceride, respectiv trigliceride omogene, iar dacă esterificarea decurge cu acizi graşi diferiţi, rezultă digliceride şi trigliceride mixte. Prezenţa atomului de carbon asimetric în structura digliceridelor şi a trigliceridelor, ca şi în molecula acizilor graşi, determină creşterea numărului de izomeri de poziţie şi a celor optici. Marea majoritate a gliceridelor naturale sunt trigliceride omogene sau trigliceride mixte.
3.1.1.1. Componentele gliceridelor. Acizii graşi superiori Majoritatea acizilor graşi din grăsimile naturale sunt acizi monocarboxilici, cu catenă neramificată (normală) şi cu număr par de atomi de carbon în moleculă. Clasificarea lor se face în funcţie de natura restului hidrocarbonat: a) Acizi graşi superiori saturaţi Acizii graşi superiori saturaţi au formula generală: CH3-(CH2)n–COOH, în care n = număr par, cu valori între 2-30. Principalii acizi graşi saturaţi sunt redaţi în Tabelul 3.1, în care este indicată şi sursa naturală de provenienţă. Tabelul 3.1. Acizi graşi superiori saturaţi
Acid butiric Acid capronic Acid caprilic Acid caprinic Acid lauric Acid miristic Acid palmitic Acid stearic Acid arahic Acid behenic
Nr. atomi carbon C4 C6 C8 C10 C12 C14 C16 C18 C20 C22
Acid lignoceric
C24
Denumirea
Formula moleculară CH3(CH2)2COOH CH3(CH2)4COOH CH3(CH2)6COOH CH3(CH2)8COOH CH3(CH2)10COOH CH3(CH2)12COOH CH3(CH2)14COOH CH3(CH2)16COOH CH3(CH2)18COOH CH3(CH2)20COOH CH3(CH2)22COOH
Provenienţă Unt de vacă Unt de capră Unt de cocos Unt de cocos Unt de laur Majoritatea grăsimilor naturale Idem Idem Ulei de arahide Ulei de muştar Ulei de arahide Sfingomieline şi cerebrozide
b) Acizii graşi superiori nesaturaţi Sunt acizi monocarboxilici cu număr par de atomi de carbon care prezintă în moleculă una sau mai multe duble legături carbon-carbon. În plante au fost identificaţi şi acizi graşi nesaturaţi cu o triplă legătură între atomii de carbon. În Tabelul 3.2 sunt redaţi principalii reprezentanţi ai acizilor graşi nesaturaţi. Tabelul 3.2. Acizi graşi superiori nesaturaţi Denumirea
Nr. atomi carbon
Formula moleculară
Provenienţă
C12
CH3-CH2-CH=CH-(CH2)7-COOH
Lapte de capră
C14
CH3-(CH2)3-CH=CH-(CH2)7-COOH
Acid lauroleic Acid miristoleic Acid palmitoleic Acid oleic
C16
CH3-(CH2)5-CH=CH-(CH2)7-COOH
C18
CH3-(CH2)7-CH=CH-(CH2)7-COOH
Acid erucic
C22
CH3-(CH2)7-CH=CH-(CH2)11-COOH
Ulei de balenă Grăsimi animale idem Ulei de conifere
Cu două duble legături Acid linoleic
C18
CH3-(CH2)4-CH=CH-CH2-CH=CH-(CH2)7COOH
Toate lipidele
Cu trei duble legături Acid linolenic
C18
CH3CH2CH=CHCH2CH=CHCH2CH=CH(CH2)7COOH
Ulei de in
Cu patru duble legături Acid arahidonic
C20
CH3-(CH2)4-(CH=CH-CH2)4-CH2-CH2-COOH
În fosfolipide
Cel mai răspândit acid gras nesaturat este acidul oleic (cu cei doi izomeri cis şi trans), care se găseşte în lipide în proporţii de până la 80%, fiind însoţit adesea de acidul linoleic şi de acidul palmitic. Acizii linoleic şi linolenic sunt constituenţi ai uleiului de in, acizii polinesaturaţi superiori sunt constituenţi ai lipidelor ficatului peştilor. Acizii graşi superiori nesaturaţi se numesc şi acizi graşi esenţiali (nu pot fi sintetizaţi în organismele animale). c) Hidroxiacizi graşi superiori saturaţi Hidroxiacizii graşi conţin în moleculă şi o grupă hidroxil. Sunt componente ale etolidelor, esterii macrociclici din cerurile coniferelor. În răşinile multor conifere se întâlnesc: acidul sabinic (acid hidroxilauric: HO-CH2-(CH2)10-COOH) şi acidul iuniperic (acid hidroxipalmitic: HO-CH2-(CH2)14COOH.
CURS 6 3.1.1.2. Denumirea gliceridelor Denumirea gliceridelor ia în considerare poziţia din molecula glicerolului la care are loc reacţia de esterificare şi natura acizilor graşi componenţi: O CO (CH2)14 CH3
H2C HC
O
CO
(CH2)14 CH3
H2C
O
CO
(CH2)14 CH3
tripalmitina
H 2C
O CO (CH2)14 CH3
HC
O
CO
(CH2)7 CH
H 2C
O
CO
(CH2)16 CH3
CH
(CH2)7 COOH
α-palmitil-β-oleil-α’-stearil-glicerol (palmito-oleo-stearină)
3.1.1.3. Proprietăţi fizice ale gliceridelor (acilglicerolilor) Starea de agregare a gliceridelor depinde de tipul de acizi graşi superiori care intră în constituţia lor: gliceridele cu acizi graşi superiori nesaturaţi sunt lichide (uleiuri vegetale, de exemplu trioleina), gliceridele cu acizi graşi superiori saturaţi sunt solide (tristearina). Gliceridele sunt substanţe hidrofobe, insolubile în apă, solubile în solvenţi organici (eter etilic, acetonă, benzen, benzină etc.). Grăsimile pot forma în apă dispersii coloidale sau emulsii. Acestea sunt stabilizate prin prezenţa anumitor substanţe tensioactive, emulgatoare, cum sunt proteinele, săpunul etc., în special în mediu slab alcalin. Emulsiile prezintă o deosebită importanţă tehnică; o emulsie naturală de grăsime, stabilizată cu ajutorul proteinelor, este laptele. Deoarece grăsimile naturale sunt amestecuri de trigliceride mixte, nu pot fi caracterizate prin constante fizice nete (de exemplu, nu prezintă temperaturi de topire fixe). Cu excepţia tributirinei, trigliceridele în stare pură sunt incolore şi inodore. 3.1.1.4. Proprietăţi chimice ale gliceridelor Acilglicerolii (gliceridele) prezintă proprietăţi chimice caracteristice esterilor, completate cu proprietăţi chimice ale glicerolului şi ale acizilor graşi superiori constituenţi. a) Reacţia de hidroliză acidă sau enzimatică Reacţia de hidroliză poate decurge în prezenţa acizilor tari, a bazelor tari, sau a enzimelor (lipaze) prezente în organismele vii. Hidroliza poate decurge în etape, cu formarea din triacilgliceroli (trigliceride) a diacilglicerolilor (digliceride) şi a monoacilglicerolilor (monogliceride), iar în final, a glicerolului şi acizilor graşi superiori. H2 C HC
O CO R
H2 C
HOH
O
CO R - RCOOH
H2 C
O
CO R
triacilglicerol (trigliceridă)
HC H2 C
O CO R O OH
diacilglicerol (digliceridă)
CO R
H2 C HOH
HC
- RCOOH
O CO R OH
HOH - RCOOH
H2 C
OH
monoacilglicerol (monogliceridă)
H2 C
OH
HC
OH
H2 C
OH
glicerol
Hidroliza enzimatică a gliceridelor asigură în organismele vegetale şi animale nutriţia, deoarece alimentele hidrolizate devin asimilabile. În procesul de încolţire a seminţelor plantelor se eliberează glicerol şi acizi graşi care sunt utilizaţi de plante în procese vitale. Hidroliza sub acţiunea bazelor tari (reacţia de saponificare), decurge la cald şi conduce la formarea de glicerol şi săruri (cu cationii metalelor din bază) ale acizilor graşi (săpunuri). H2C
O CO R
HC
O
CO R + 3 NaOH
H2C
O
CO R
H2C
OH
HC
OH
H2C
OH
+
3 RCOONa săpun
Indicele de saponificare reprezintă numărul de mg KOH necesar saponificării unui gram de lipidă. El este corelat cu mărimea moleculei: un indice de saponificare mic corespunde unei grăsimi cu masă moleculară mare; un indice de saponificare mare, corespunde grăsimilor care conţin acizi graşi cu catenă scurtă, deci masă moleculară mică. b) Reacţii de adiţie la dublele legături din acizii graşi superiori Hidrogenarea grăsimilor este o reacţie specifică gliceridelor nesaturate (lichide), care conduce la solidificarea lor, consecinţă a saturării dublelor legături din acizii graşi superiori prin adiţie de hidrogen. Ea este însoţită de o deschidere a culorii şi de modificări ale mirosului şi gustului grăsimii. În industria alimentară, procesul este utilizat la obţinerea margarinei prin hidrogenarea parţială a unor uleiuri vegetale (de floarea soarelui, de soia etc.) şi amestecarea lor cu gliceride cu punct de topire scăzut, cu NaCl, pigmenţi carotenoidici etc. Halogenarea grăsimilor lichide decurge ca reacţie de adiţie a halogenilor la dublele legături din acizii graşi nesaturaţi esterificaţi, şi introduce o nouă constantă, care caracterizează structura nesaturată şi anume: indicele de iod care reprezintă cantitatea de iod în grame adiţionată la 100 g de lipidă. Uleiurile cu indice de iod mic se numesc nesicative (uleiul de măsline) şi nu se usucă la aer; ele sunt cele mai potrivite pentru scopuri alimentare. Cele cu indice de iod mai mare de 120 se usucă repede şi se numesc sicative (uleiul de soia, uleiul de in). Indicele de aciditate reprezintă cantitatea în mg de KOH necesară pentru neutralizarea acizilor graşi liberi dintr-un gram de lipidă. Această mărime oferă indicaţii asupra intensităţii procesului de degradare a lipidei. Râncezirea grăsimilor. În contact cu oxigenul şi vaporii de apă din atmosferă, majoritatea gliceridelor vegetale suferă transformări chimice şi biochimice care le imprimă gust şi miros neplăcut (fenomenul de râncezire. Din punct de vedere chimic, râncezirea este cu atât mai accelerată, cu cât gliceridele posedă un conţinut mai mare de acizi graşi nesaturaţi şi este influenţată de condiţiile de obţinere şi păstrare. Procesul de râncezire constă într-o primă fază în hidroliza sub acţiunea apei şi a enzimelor lipaze, şi conduce la formarea acizilor carboxilici, proces evidenţiat prin creşterea indicelui de aciditate. Urmează oxidarea acizilor graşi nesaturaţi (la dublele legături) cu formare de acizi β-cetonici, hidroperoxizi (R-O-O-H) şi peroxizi (R-O-O-R) instabili, care se pot transforma final în alcooli, aldehide, cetone, hidroxiacizi, imprimând grăsimii caracter acid, gust şi miros neplăcut. Procesul de râncezire se poate reprezenta astfel: O H2C
O CO
(CH2)n
CH3
H2C
HC
O
CO
(CH2)n
CH3
HC
H2C
O
CO
(CH2)n
CH3
H2C
(CH2)n-1
O CO O OH
CO
(CH2)n-1 +
HOOC
CH3
+
CH3
H +
(CH2)n
C H HCOOH COOH
Un alt proces degradativ poate avea loc la încălzirea puternică a grăsimilor, ca urmare a deshidratării glicerolului cu formarea acroleinei (aldehida acrilică), un compus toxic. H2C
OH
HC
OH
O -2 H2O
H2C
H2C
C
CH
OH
H2C
CH
C
H
OH
glicerol
enol
acroleină
3.1.2. Ceride Ceridele sunt esteri naturali ai alcoolilor superiori cu acizii graşi superiori, de obicei cu acelaşi număr de atomi de carbon în moleculă. În Tabelul 3.3 sunt redaţi principalii alcooli superiori şi acizii graşi corespondenţi, din structura ceridelor. Tabelul 3.3. Principalii alcooli superiori şi acizii graşi corespondenţi din structura ceridelor Denumire
Alcooli superiori monohidroxilici
Denumire
Acizi graşi caracteristici
Alcool cetilic
CH3-(CH2)14-CH2-OH
Acid palmitic
CH3-(CH2)14-COOH
Alcool stearilic
CH3-(CH2)16-CH2-OH
Acid stearic
CH3-(CH2)16-COOH
Alcool arahic
CH3-(CH2)18-CH2-OH
Acid arahic
CH3-(CH2)20-COOH
Alcool carnaubic
CH3-(CH2)22-CH2-OH
Acid carnaubic
CH3-(CH2)22-COOH
Alcool cerilic
CH3-(CH2)24-CH2-OH
Acid cerotic
CH3-(CH2)24-COOH
Alcool miricilic
CH3-(CH2)28-CH2-OH
Acid melistic
CH3-(CH2)28-COOH
Ceridele (de exemplu: stearatul de stearil, palmitatul de cetil) sunt substanţe de culoare albgălbuie, cu aspect unsuros, insolubile în apă, solubile în solvenţi organici. Sunt rezistente la acţiunea agenţilor chimici, greu hidrolizabile, cu indice de iod scăzut şi rezistente la râncezire. Cerurile naturale sunt de fapt amestecuri de mai mulţi esteri (ceride, steride), în care, de obicei, predomină unul dintre esteri, cu cantităţi variabile de acizi liberi, alcani, răşini etc. Cerurile sunt larg răspândite în regnul vegetal, unde formează un strat protector pe flori, frunze, fructe, care le protejează împotriva căldurii, luminii excesive, umidităţii, preîntâmpină pierderea apei şi procesul de uscare, precum şi atacul microbian. Ceara de trestie de zahăr, care apare sub formă de bastonaşe pe tulpinile acestei plante, este caracterizată prin absenţa acizilor graşi superiori care conţin C24-C34 şi prezenţa parafinelor (50%). Ceara de Cernauba de pe frunzele palmierului Corypha este cea mai mult studiată şi este formată preponderent din cerotat de miricil. Ea se întâlneşte în bumbac, în cânepă şi în trestia de zahăr şi se utilizează la fabricarea cremei de ghete, intră în compoziţia cerurilor şi a masticurilor utilizate în pomicultură pentru ungerea locurilor de altoire sau a rănilor pomilor fructiferi. Ceridele animale sunt secretate de glandele sebacee ale mamiferelor (sebum), de exemplu: ceara lichidă, uleiul de spermaceti şi ceara solidă walratul (secretate de caşalot), ceara de albine, lanolina (cu rol de protecţie al lânii oilor) etc. Datorită proprietăţilor plastice şi emulsionante, cerurile se utilizează la fabricarea de lacuri, paste de lustruit, materiale electroizolatoare, restaurarea tablourilor etc.
3.1.3. Etolide Etolidele sunt lipide speciale, întâlnite în cerurile unor conifere (pini, jnepeni, ienuperi etc.). Din punct de vedere chimic sunt esteri ciclici ai unor hidroxiacizi superiori: acidul sabinic HOCH2-(CH2)10-COOH şi acidul juniperic HO-CH2-(CH2)14-COOH. În structura etolidelor intră două molecule ale aceluiaşi acid; una dintre molecule participă la esterificare prin grupa carboxil, iar cealaltă prin grupa hidroxil. H2C
(CH2)n
OH OH O
C
C
O
OH OH (CH2)n
CH2
hidroxiacizi
O
H2C
(CH2)14 C
O
O
C
O
O
(CH2)14 CH2
etolida juniperică
H2 C
(CH2)10 C
O
O
O
(CH2)10 CH2
C
etolida sabinică
3.1.4. Steride Steridele reprezintă o clasă importantă de lipide simple, răspândite în cantităţi mici atât în organismele vegetale cât şi în cele animal, şi anume: • fitosteride (în regnul vegetal); • zoosteride (în regnul animal); • micosteride (în ciuperci). Din punct de vedere chimic sunt esteri ai acizilor graşi superiori, acidul palmitic, acidul stearic, acidul oleic, cu monoalcooli policiclici numiţi steroli. Sterolii sunt compuşi policiclici care au la bază nucleul ciclopentanperhidrofenantrenic, structură tetraciclică comună (steran) şi pentru alte substanţe importante din punct de vedere biologic şi biochimic: hormoni sexuali, acizi biliari, alcaloizi, glicozizi, vitaminele D etc. Sterolii se deosebesc între ei prin numărul şi poziţia legăturilor duble şi prin catenele laterale grefate pe structura steranului. Cel mai important dintre zoosteroli este colesterolul, care este larg răspândit în toate celulele corpului omenesc, cu precădere în celulele sistemului nervos. 7-Dehidrocolesterolul este o provitamină D, la fel ca şi ergosterolul care este răspândit în drojdii. H 3C
H3 C CH3
CH3 CH3
CH3
C2H5
HO (R)
HO (R)
colesterol R + colesterol = colesteridă
sitosterol R + sitosterol = sitosteridă
Colesterolul are acţiune antitoxică, antihemolitică şi de reglare a permeabilităţii membranelor celulare. În cazul unor perturbări metabolice, contribuie la instalarea aterosclerozei şi formarea calculilor biliari. De asemenea, colesterolul constituie compusul de bază pentru sinteza altor steride importante (acizii biliari, hormonii steroidici, vitaminele D etc.).
În regnul vegetal sunt prezenţi sub formă liberă sau sub formă de glicozide: sitosterolul şi stigmasterolul (în seminţele plantelor, în uleiurile extrase din germeni de soia, de grâu, de porumb), precum şi ergosterolul (provitamina D), izolat din cornul secarei, din levuri etc. H3C
H3C
CH3 CH3
CH3 CH3
C2H5
HO (R)
CH3
HO (R)
stigmasterol R + stigmasterol = stigmasteridă
ergosterol R + ergosterol = ergosteridă
Sterolii sunt substanţe cristaline, insolubile în apă, solubile în solvenţi organici, ca şi steridele (produşii lor de esterificare cu acizii graşi), cu care formează asociaţii. Clasificare lor în zoo-, fito-, micosteroli, nu mai este riguroasă, deoarece au fost puşi în evidenţă zoosteroli şi în regnul vegetal, ca de exemplu: colesterol în unele alge, estriol în flori de salcie, estronă în polenul unor flori etc.
3.2. LIPIDE COMPLEXE Lipidele complexe sunt compuşi biochimici componenţi ai unor organe şi ţesuturi cu activitate biologică şi fiziologică intensă, răspândiţi atât în regnul vegetal (seminţe, fructe) cât şi în regnul animal (creier, ficat, inimă). Lipidele complexe sunt esteri ai acizilor graşi la construcţia cărora mai participă, pe lângă glicerol, şi acid fosforic, aminoalcooli, aminoacizi, iar în unele cazuri inozitol şi glucide. Din punct de vedere al compoziţiei chimice conţin alături de atomi de C, H, O şi atomi de P, N, S, şi spre deosebire de lipidele simple sunt compuşi cu structură amfoteră. Prezenţa în aceeaşi moleculă a grupelor hidrofile şi lipofile are o deosebită importanţă pentru proprietăţile fizico-chimice ale lipidelor complexe (formare de micele, de lamele) care sunt componente de bază ale membranelor celulare. Proporţia de lipide complexe în organismele vegetale este relativ mică. Frunzele, fructele şi rădăcinile plantelor conţin cca. 0,1%, seminţele de cereale şi plante leguminoase 1-2%, seminţele de soia (cele mai bogate în lipide) conţin maximum 3% lipide complexe. În organismele vii, lipidele complexe mai sunt asociate cu proteinele (lipoproteine). Clasificarea lipidelor complexe după structura chimică este următoarea: • fără N: - glicolipide (gliceride + glucide) Lipide complexe fără P
• cu N: - sfingolipide (sfingozina + acizi graşi + glucide) • cu S: - sulfatide (sfingozina + acizi graşi + glucide) • fără N: - glicerofosfolipide (acizi fosfatidici = gliceride + H3PO4) - fosfatidilgliceroli (gliceride + glicerol + H3PO4) - inozitolfosfatide (gliceride + H3PO4 +inozitol)
Lipide complexe cu P • cu N
• gliceroaminofosfatide: - serinfosfatide (acid fosfatidic + serina) - colaminfosfatide (acid fosfatidic + colamina) - colinfosfatide (acid fosfatidic + colina) • sfingofosfolipide (sfingozina + acizi graşi + H3PO4 + glucide)
3.2.1. Lipide complexe fără fosfor Sunt constituite dintr-un rest de mono- sau oligoglucidă şi un rest de gliceridă (ester al glicerolului cu acizi graşi superiori). 3.2.1.1.Glicolipide Glicolipidele sunt componente ale bacteriilor dar şi ale mamiferelor, formate din 1,2diacilglicerol (digliceridă) de care se leagă o mono-, sau o diglucidă. Din această categorie fac parte cerebrozidele şi gangliozidele. Cerebrozidele se găsesc preponderent în creier, dar şi în ţesuturi şi organe (eritrocite, leucocite, splină, plămâni etc.). În structura lor intră un acid gras superior, un aminoalcool superior nesaturat, sfingozina (CH2(CH2)12CH=CH-CHOH-CHNH2-CH2-OH) şi o glucidă (galactoza, glucoza). Gangliozidele sunt lipide complexe în a căror compoziţie intră o ceramidă şi o aminoglucidă (N-acetilglucozamina) şi acidul sialic. Gangliozidele pe bază de sfingozină sunt importante deoarece prin intermediul lor se determină grupele sanguine.
3.2.1.2. Sfingolipide Sfingolipidele conţin în moleculă în locul glicerolului un aminoalcool: sfingozina, dihidrosfingozina şi fitosfingozina. Sfingolipidele din regnul vegetal conţin fitosfingozina: CH3CH2-CH2-(CH2)11-(CHOH)2-CH(NH2)-CH2OH care a fost izolată din soia, porumb şi alte plante. În sfingolipidele din boabele de soia, 95% din acizii graşi sunt acizii palmitic şi stearic. 3.2.1.3. Sulfatide Sulfatidele sunt lipide în constituţia cărora intră şi sulf (sub formă de esteri ai glicosfingolipidelor cu acidul sulfuric) şi uneori şi fosfor. Ele sunt asemănătoare structural cerebrozidelor şi gangliozidelor, iar glucida componentă este galactoza. Prezenţa lor (sub formă de glicosulfolipide) în ţesuturile frunzei, fotosintetizante ale plantelor, relevă rolul fiziologic important în metabolismul glucidic. Cele mai importante glicolipide vegetale sunt manogalactozilgliceridele şi digalactozilgliceridele, în care acidul gras care esterifică grupele hidroxil ale glicerolului este acidul linolenic. Ambele glicolipide au fost puse în evidenţă în grâu, în trifoi, ovăz verde şi în ierburile de furaj. H2C O SO3H
CH3
O
CH2OH O
(CH2)12 CH CH CH2 O SO3H
NH2
O CH2
O
HC O CO R
CH2 HC O CO R
H2C O CO R
O
H2C O CO R
glicolipide
CH OH HC
glicosulfolipidă
sulfatidă
CH2
3.2.2. Lipide complexe cu fosfor şi fără azot în moleculă
3.2.2.1. Acizii fosfatidici Sunt compuşi biochimici, componenţi ai membranelor biologice, care provin dintr-un alcool (glicerol, inozitol, aminoalcoolul sfingozina), acizi graşi superiori şi acid fosforic. Acizii graşi din structura acizilor fosfatidici sunt în special acidul stearic, acidul oleic, palmitic, linoleic şi linolenic. Cele mai importante lipide complexe cu P şi fără N sunt glicerofosfolipidele (glicerofosfatide) sau acizi fosfatidici, respectiv esterii α şi β ai digliceridelor cu acidul fosforic: H2C
O CO R
H2C
R OH H2C O P O OH acidul α-glicerofosfatidic HC
O
CO
HC
H2C
O CO R OH O P O OH O CO R
acidul β-glicerofosfatidic
Acizii fosfatidici îndeplinesc în organism funcţii metabolice importante, cum ar fi: transformarea acizilor graşi sintetizaţi în ficat în fosfatide, care sunt componente ale lipoproteinelor, formă sub care sunt transportate în sânge. Tulburări ale biosintezei fosfatidelor în ficat împiedică transportul acizilor graşi, şi ca urmare, disfuncţii ale ficatului. În plante (spanac, varză) se găsesc atât în stare liberă cât şi sub formă de săruri de Ca, Mg, K, predominând în ţesuturile fotosintetizante. În cazul în care ambele grupe hidroxil ale glicerolului sunt esterificate cu acid fosforic se obţin cardiolipidele, izolate din muşchii inimii, componente ale membranelor mitocondriilor. 3.2.2.2. Inozitolfosfatidele Inozitolfosfatidele, componente ale membranelor celulare, sunt esteri ai acizilor fosfatidici cu poliolul ciclic (cu 6 atomi de carbon) inozitol. După modul în care se pot biosintetiza (din hidroxoacetonfosfat) şi compuşii la formarea cărora participă (inozitolfosfolipide, serinfosfatide, colaminfofatide, colinfosfatide), rezultă rolul important pe care îl prezintă acizii fosfatidici în metabolism, precum şi la realizarea unor corelaţii între metabolismul glucidic şi cel lipidic. H2C
H2C
O
CO R
HC
O
CO
H2C
O
P
HC
R OH O
O
H2C
O CO R O O
CO P
H2C
R OH O
HC OH
OH H
O H H
CH2 HC
OH
H2C
OH
poliglicerofosfatida
H2C
O O
CO P
R OH O
OH OH
H
monofosfoinozitol inozitolfosfatida
P
O OH H
H H OH
O
O
H OH
H OH
O CO R
H OH OH
H OH
H
difosfoinozitol
3.2.3. Lipide complexe cu fosfor şi cu azot în moleculă 3.2.3.1. Gliceroaminofosfolipidele Gliceroaminofosfolipidele sunt derivaţi ai acizilor fosfatidici rezultaţi prin esterificarea restului de acid fosforic cu hidroxilul alcoolic al bazelor azotate serina, colamina sau colina. Serina este un hidroxiaminoacid, care poate fi biosintetizată din acidul 3-fosfogliceric (produs intermediar din metabolismul glucidic). Serina este strâns înrudită cu celelalte baze azotate, după cum urmează: H2C
OH
HC
NH2
- CO2
COOH
H2C
OH
+3 CH3I
H2C
OH
H2C
NH2
-2 HI
H2C
N
serina
CH3
CH3 I CH3
colamina
colina
După tipul de bază azotată gliceroaminofosfolipidele se clasifica în: • serinfosfatide; • colaminfosfatide (etanolaminofosfolipide); • colinfosfatide (lecitine, fosfatidilcoline). 3.2.3.2. Serinfosfatidele Serinfosfatidele se întâlnesc în cantitate mai mică alături de celelalte fosfolipide în: creier, ţesut nervos (15% din fosfolipidele totale) ficat, muşchi, iar în organismele vegetale în: soia, arahide, bumbac, in etc. Serinfosfatidele sunt esteri ai acizilor fosfatidici cu baza azotată serina. Datorită prezenţei celor două grupe funcţionale acide, serinfosfatidele au caracter acid mai pronunţat decât celelalte gliceroaminofosfolipide. În ţesuturi se găsesc sub formă de săruri de K. Serinfosfatidele au proprietăţi fizice asemănătoare celorlalte fosfatide, dar sunt mai puţin solubile în etanol. Prezintă caracter amfionic şi îndeplinesc în organism rol de donor şi acceptor de acid fosforic, fiind implicate şi în fenomenele de permeabilitate celulară. H2C
O CO R
HC
O
H2C
O
NH2 R O P O CH2 CH OH
CO
COOH
3.2.3.3. Colaminfosfatidele Colaminfosfatidele (cefaline, etanolaminofosfolipide) sunt lipide complexe constituente (alături de serinfosfatide şi lecitine) ale tuturor membranelor ţesuturilor animale (mai ales ale creierului), dar şi ale celor vegetale (soia, germeni de grâu, seminţe de floarea soarelui, de in, de susan etc.). Structural sunt esteri ai acizilor fosfatidici cu baza azotată colamina (etanolamina). Prezenţa acizilor graşi nesaturaţi determină reactivitatea mărită a cefalinelor.
H2C
O
CO
HC
O
CO
H2C
O
R
R O P O CH2 CH2 NH2 OH
3.2.3.4. Colinfosfatidele Colinfosfatidele (lecitine, fosfatidilcoline) sunt esteri ai acizilor fosfatidici cu baza azotată colina. Sunt reprezentanţii cei mai răspândiţi ai fosfogliceridelor. Colinfosfatidele sunt întâlnite în regnul vegetal ca lipide de rezervă în: soia, în embrionul cerealelor şi în seminţele leguminoaselor, precum şi în toate celulele organismelor animale (constituenţi ai membranelor creierului, ficatului, măduvei). H2C
O CO R
HC
O
H2C
O
CO
R CH3 O P O CH2 CH2 N CH3 OH CH3
Acizii graşi din colinfosfatide sunt: acidul palmitic, stearic, oleic, linoleic, linolenic şi arahidonic, ca şi acizi graşi nesaturaţi (C18-C24). Proprietăţile lecitinelor sunt corelate cu structura lor, în special cu natura acizilor graşi. Lecitinele prezintă caracter amfionic: componenta fosforică este hidrofilă, iar restul moleculei este hidrofobă. Colinfosfolipidele şi colaminfosfolipidele pot pierde sub acţiunea unor enzime specifice unul dintre cei doi acizi graşi formând lizocolinfosfolipide, respectiv, lizocolaminfosfolipide, care prezintă o puternică acţiune hemolitică (lizolecitine). Lizolecitina este prezentă în regnul vegetal în orez decorticat, seminţe de grâu, secară, orz, ulei de soia, unele microorganisme. Lecitinele au un rol important în metabolismul lipidic (catabolismul acizilor graşi superiori). Lipoproteinele sunt agregate biochimice formate din: lipide (gliceride), fosfolipide, colesterol şi esteri ai colesterolului. Se pot clasifica, în funcţie de densitate, în trei grupe: lipoproteine cu densitate mică, (LDL), cu densitate foarte mică (VLDL), şi cu densitate mare (HDL), care diferă prin componentele lipidice şi proteice. Ele sunt biosintetizate în ficat şi constituie forma de transport a lipidelor insolubile în apă, respectiv în plasma sanguină.
CURS 7 4. PROTIDE Protidele sunt biomolecule cu structură complexă, constituenţi universali şi indispensabili ai tuturor formelor de viaţă. Este puţin probabil să existe în univers alt tip de molecule cu proprietăţi mai remarcabile decât cele ale protidelor (protos = cel dintâi), ele asigurând organizarea şi menţinerea structurilor morfologice ale celulelor, precum şi manifestarea funcţiilor şi activităţilor vitale ale acestora. Proporţia protidelor în organismele vii este mai constantă decât a lipidelor şi glucidelor; în regnul vegetal, conţinutul de protide este mai mic şi foarte variat, în funcţie de specie şi organ. Conţinutul cel mai mare de protide se găseşte în organele de rezervă ale plantelor, în seminţele de leguminoase, o cantitate mijlocie se găseşte în boabele de cereale, cele mai puţine protide găsindu-se în legume, rădăcinoase şi tuberculifere. Este esenţial de remarcat rolul dominant al protidelor în organismele vii, deoarece nu se cunosc forme de viaţă fără protide. Astfel, reacţiile chimice din celule depind de combinarea enzimelor de natură proteică cu diferitele substraturi, structuri cum ar fi cele ale muşchilor depind de interacţiile dintre protide, controlul genetic este determinat de interacţiile protideADN, activitatea nervoasă implică interacţii transmiţător-protidă, imunoprotecţia se bazează pe interacţii anticorp-antigen. Protidele prezintă proprietăţi fizico-chimice caracteristice care sunt corelate cu un conţinut de energie ridicat (entropie ridicată), ceea ce le asigură atribuţiile unui sistem dinamic în permanentă autoreînoire şi interacţiune cu mediul exterior. Constituind suportul chimic structural şi funcţional al materiei vii şi al fenomenelor specifice acesteia, protidele sunt purtătorul material al însuşirilor biologice: diferenţierea, creşterea, dezvoltarea şi reproducerea. Protidele îndeplinesc în organism, datorită înaltului grad de organizare şi diversitate, roluri multiple: • rol structural (plastic), fiind constituenţi principali ai protoplasmei şi nucleului celular. Ele reprezintă: 65-70% din materia uscată a organismului animal, 2-35% din materia uscată a organismului vegetal, 80-90% din materia uscată din microorganisme; • rol biocatalitic, deoarece sub formă de enzime, catalizează selectiv reacţiile biochimice din organismele vii; • rolul fizico-chimic al protidelor se datorează caracterului lor coloidal şi amfoter care le oferă posibilitatea de a participa la reglarea presiunii osmotice, a permeabilităţii selectivă a membranelor, a echilibrului electrostatic şi acido-bazic, precum şi la transportul în organism al ionilor de importanţă vitală; • rol de anticorpi, participând la procesele imunologice de apărare a organismelor superioare; • rol de represori, prin aptitudinea de a traduce din genomul celular numai mesajul necesar într-un anumit moment din viaţa celulei sau organismului; • rol de reglare fină a proceselor biochimice, prin intermediul hormonilor.
4.1. STRUCTURĂ CHIMICĂ. CLASIFICARE Protidele sunt substanţe cuaternare, constituite din atomi de C, H, O, N. Protidele cu rol fiziologic important mai conţin şi atomi de S, P, iar unele conţin în proporţie mai mică şi atomi de metale: Mg, Ca, Zn, Fe, Cu etc., în metalproteide şi cromoproteide. Protidele sunt compuşi macromoleculari, care prin hidroliză pun în libertate aminoacizi (au ca unitate structurală fundamentală aminoacizii). Ţinând cont de complexitatea structurii lor, protidele se clasifică astfel:
Monoprotide (aminoacizi) Oligopeptide Protide
Poliprotide inferioare (peptide)
Polipeptide
Poliprotide superioare (proteide)
Holoproteide (proteine) Heteroproteide
Dintre protide, numai proteidele formează macromolecule, iar pentru caracterizarea lor calitativă şi cantitativă este necesară determinarea aminoacizilor componenţi prin hidroliza totală a proteinelor.
4.2. AMINOACIZI (MONOPROTIDE) Aminoacizii reprezintă unităţile structurale nehidrolizabile ale poliprotidelor. Deşi în natură se cunosc aproximativ 200 de aminoacizi, doar 20-22 sunt utilizaţi pentru biosinteza protidelor şi sunt codificaţi de codul genetic, fiind denumiţi şi aminoacizi proteinogeni (ordinari). Ceilalţi aminoacizi, mai puţin răspândiţi, sunt numiţi aminoacizi neproteinogeni (ocazionali). Dintre toate organismele vii, cele vegetale pot sintetiza şi deci conţine numărul cel mai mare de aminoacizi, răspândiţi mai ales în seminţele fructelor, plante rădăcinoase, conifere, etc. Aminoacizii: valină, leucină, izoleucină, treonină, metionină, lisină, fenilalanină, triptofan pot fi sintetizaţi numai de plante şi se numesc aminoacizi esenţiali. Lipsa lor în alimentaţie provoacă grave tulburări ale metabolismului (boli carenţiale). Aminoacizii care pot fi sintetizaţi şi de organismul uman şi animal se numesc aminoacizi neesenţiali şi sunt reprezentaţi de: glicocol, alanină, serină, cisteină, acid aspartic, acid glutamic, arginină, tirozină, prolină, hidroxipriolină, histidină. Unii dintre aminoacizi pot fi convertiţi pe cale chimică în glucide şi sunt denumiţi aminoacizi glucoformatori: glicocol, alanină, serină, acid aspartic, acid glutamic, arginină, citrulină.
4.2.1. Structura chimică a aminoacizilor Aminoacizii sunt compuşi organici difuncţionali, care conţin grupele funcţionale amino (NH2) şi carboxil (-COOH). Caracteristică acestei structuri este grefarea ambelor grupe funcţionale pe acelaşi atom de carbon (poziţia α) în cazul aminoacizilor din structura proteidelor (α-aminoacizi). Se cunosc şi aminoacizi la care grupa -NH2 este legată de al doilea atom de carbon faţă de grupa -COOH, (poziţia ß), al treilea (poziţia γ) etc. La alţi aminoacizi apare legat de atomul de carbon α, în afară de grupa funcţională -NH2, un rest hidrocarbonat, care poate fi un rest hidrocarbonat alifatic sau aromatic, sau grupe funcţionale.
4.2.2. Nomenclatura aminoacizilor Denumirea ştiinţifică a aminoacizilor este formată din prefixul amino şi numele acidului de la care provine, cu indicarea poziţiei atomului de carbon de care este legată grupa funcţională NH2 (α, β, γ, δ, ε sau 2, 3 etc.) etc., faţă de grupa funcţională carboxil -COOH. În general nomenclatura raţională este mai puţin folosită, deoarece sunt utilizate în general, denumiri uzuale, specifice fiecărui aminoacid (glicocol, alanină, serină, triptofan etc.).
4.2.3. Clasificarea aminoacizilor după structura lor chimică, care cuprinde toţi cei 20 de aminoacizi proteinogeni, este următoarea:
Alifatici
Aminoacizi
Neutri
Monoamino-monocarboxilici Tioaminoacizi Hidroxiaminoacizi
Acizi
Monoamino-dicarboxilici
Bazici
Diamino-monocarboxilici
Aromatici Heterociclici 4.2.3.1. Aminoacizi alifatici În această grupă sunt cuprinşi toţi aminoacizii în care R este un rest hidrocarbonat alifatic. a) Aminoacizi monoamino-monocarboxilici (cu caracter neutru): Glicocolul (glicina, acidul aminoacetic), cunoscut şi sub denumirea de “zahărul gelatinei” a fost obţinut prin hidroliza acidă a gelatinei. Este singurul α-aminoacid care nu are atom de carbon asimetric, şi deci nu prezintă izomerie optică. Majoritatea organismelor vegetale conţin glicocol (0,2-1%), dar există şi proteide vegetale mai bogate în glicocol, ca de exemplu edestina (2,5-3,8%), ricinina (6,6%) etc. Glicocolul lipseşte complet din zeină (porumb) şi hordeină (orz). L (-) Alanina (acidul α-aminopropionic) este nelipsită din proteidele vegetale şi animale, şi a fost identificată la hidroliza proteinelor din soia. Este prezentă în cantitate mare în zeină (910%), iar în stare liberă a fost identificată în alge şi în frunze de tutun. Izomerul β-alanina a fost pus în evidenţă în soia, mere crude, tomate şi în structura acidului pantotenic. L (+) Valina (acidul α-aminovalerianic) este regăsită în cantităţi mici în structura multor proteide. Bogate în valină sunt seminţele de in (12,7%) şi de fasole (6,2%). În stare liberă a fost pusă în evidenţă în lucernă şi germenii de secară. L (-) Leucina (acidul α-aminoizocapronic), descoperită în hidrolizatele de caş, este foarte răspândită în organismele vegetale, în special în zeină (19,25%) şi în edestină. L (+) Izoleucina (acidul α-amino-β-metilvalerianic) este izomera de poziţie a leucinei. Prezenţa în moleculă a doi atomi de carbon asimetrici conduce la existenţa a patru izomeri optici. Leucina şi izoleucina se transformă în timpul fermentaţiei alcoolice (prin decarboxilare şi dezaminare) în alcool amilic şi alcool izoamilic. CH2 COOH NH2 acid aminoacetic glicină glicocol Gli
CH3
CH COOH NH2
acid 2-aminopropanoic acid α-aminopropionic α-alaninã Ala
CH3CHCH CH COOH CH3 NH2 acid 2-amino-3-metilpentanoic acid α-amino-β-metilcapronic α-izoleucinã Ile
(CH3)2CH CH COOH
(CH3)2CHCH2
CH COOH NH2
NH2 acid 2-amino-3-metilbutanoic acid α-amino-β-metilbutiric acid α-aminoizovalerianic α-valinã Val
acid 2-amino-4-metilpentanoic acid α-amino-γ-metilcapronic acid α-aminoizocapronic α-leucinã Leu
b) Hidroxi-aminoacizi L (-) Serina (acidul α-amino-β-hidroxipropionic) se găseşte în stare liberă în seminţele germinate, iar în cantităţi mici în numeroase proteide vegetale. În proporţie mare se află în edestina din cânepă şi în unele proteide din migdale şi din algele marine. Sub formă de esteri fosforici intră în constituţia serinfosfatidelor. L (-) Treonina (acidul α-amino-β-hidroxibutiric) însoţeşte în proteide serina, în cantităţi mai mici, prezentând proprietăţi analoage serinei. În proporţii mai ridicate se găseşte în proteidele din cereale, soia, cartofi, alge marine. Ea intră în constituţia antibioticelor actinomicine. Treonina posedă doi atomi de carbon asimetrici, deci are patru izomeri optici. HO CH2 CH COOH
CH3
NH2
CH CH COOH OH NH2
acid 2-amino-3-hidroxipropanoic acid α-amino-β-hidroxipropionic serină Ser
acid 2-amino-3-hidroxibutanoic acid α-amino-β-hidroxibutiric treonină Tre
c) Tioaminoacizi (aminoacizi cu sulf) L (+) Cisteina (acidul α-amino-β-tiopropionic) se găseşte în toate proteidele vegetale (0,54,5%) şi animale. Proteidele din cartofi conţin 4-4,4%, iar glutelinele din grâu, orez, secară conţin 2,7% cisteină. Cisteina se transformă uşor, prin oxidare, în cistină, disulfura corespunzătoare care, fiind greu solubilă, se poate separa. Prin hidrogenare, cistina trece în cisteină. Pe baza acestor reacţii de oxido-reducere, sistemul cisteină-cistină joacă în organism rol de sistem redox, fiind implicat în procesele de transport de atomi de hidrogen în ciclul respirator. Gruparea reducătoare (-SH) din cisteină are rol important în reacţiile biocatalitizate de enzimele în structura cărora se regăsesc astfel de grupe funcţionale.
HS CH2 CH COOH
CH3
S CH2
NH2
CH2 CH COOH NH2
2-amino-3-mercaptopropanoic acacid id 2-amino-3-mercaptopropanoic α-amino-β-mercaptopropionic acacid id α-amino-β-mercaptopropionic cisteină cisteină Cis Cis
HOOC CH CH2 NH2
acid2-amino-3-metiltiobutanoic 2-amino-3-metiltiobutanoic acid α-amino-γ-metiltiobutiric acidα-amino-γ-metiltiobutiric acid mmetionină etionină Met Met
S S CH2 CH COOH NH2
acid2,7-diamino-4,5-ditiaoctandioic 2,7-diamino-4,5-ditianoctandionic acid cistină cistină CisCis-S-S-Cis -S-S-Cis
L (-) Metionina (acidul α-amino-γ-metiltiobutiric) este prezent în zeină, seminţele de tomate, în proteidele din seminţele de cereale. Are rol de agent metilant, prin cedarea grupei metil, transformându-se în homocisteină. d) Aminoacizi monoamino-dicarboxilici (cu caracter acid) Acidul L (+) aspartic (asparagic, acid aminosuccinic) se găseşte în toate proteidele vegetale, mai ales sub forma amidei sale, asparagina. În stare liberă, asparagina apare în seva de sparanghel şi a altor plante tinere: mazăre, migdale etc. HOOC CH
CH2 COOH
HOOC CH
NH2
NH2
acid 2-aminobutandioic acid aminosuccinic acid asparagic acid aspartic Asp
monoamida acidului 2-aminobutandioic monoamida acidului aminobutandioic monoamida acidului aspartic asparaginã Asn
HOOC CH HOOC CH
CH2 CONH2
CH2 CH2 COOH
NH2 acid 2-aminopentandioic acid α-aminoglutaric acid glutamic Glu
CH2 CH2 CONH2
NH2 monoamida acidului 2-aminopentanoic monoamida acidului α-aminoglutaric monoamida acidului glutamic glutaminã Gln
Acidul L (+) glutamic (acidul α-aminoglutaric) este foarte răspândit în proteidele vegetale. Amida sa glutamina, ca şi asparagina, serveşte la biosinteza proteidelor din plante. Glutamina se întâlneşte în stare liberă în alge, în fructe şi sfecla de zahăr, unde prezenţa ei, ca şi a asparaginei, micşorează randamentul producţiei, deoarece împiedică cristalizarea zahărului. e) Aminoacizi diamino-monocarboxilici L (+) Arginina (acidul α-amino-δ-guanidilvalerianic) a fost identificată în conifere, ricin, cartofi şi în hidrolizate proteice. Denumirea provine de la faptul că prezintă o reacţie caracteristică cu sărurile de argint. L (+) Ornitina (acidul α,δ-diaminovalerianic) este răspândită în stare liberă în plantele superioare, dar apare foarte rar în compoziţia proteidelor. L (+) Lizina (acidul α,ε-diaminocapronic) se găseşte aproape în toate proteidele, mai puţin în zeină. Mai bogate în lizină sunt seminţele necoapte şi cele în curs de germinare. CH2 CH2 CH2 CH COOH
CH2 CH2 CH2 CH2 CH COOH
NH2
NH2
NH2
acid 2,5-diaminopentanoic acid α,δ-diaminovalerianic ornitină Or
NH2 acid 2,6-diaminohexanoic acid α,ε-diaminocapronic lisină Lis
H2N C HN CH2 CH2 CH2 CH COOH HN
NH2
acid 2-amino-5-guanidinopentanoic acid α-amino-δ-guanidinovalerianic arginină Arg
L (-) Citrulina (acid δ-carbamino-α-aminovalerianic) se formează intermediar în sinteza argininei. A fost identificată în produşii de hidroliză ai cazeinei. f) Aminoacizi aromatici L (-) Fenilalanina (acidul α-amino-β-fenilpropionic) este răspândit în plantele tinere de bostan, bob, lupin şi în numeroase proteide (zeina, legumina). L (-) Tirozina (acidul para-hidroxifenilalanina) este întâlnit împreună cu fenilalanina în toate proteidele. Se găseşte în proporţie de 10% în proteidele de porumb şi de 4-5% în proteidele din sâmburii de pepene, castraveţi şi bostani. C6H5CH2
CH COOH NH2
acid 2-amino-3-fenilpropanoic acid α-amino-β-fenilpropionic acid α-aminohidrocinamic α-fenilalaninã Fen
HO
CH2 CH COOH NH2
acid 2-amino-3-(4-hidroxifenil)propanoic acid α-amino-β-(p-hidroxifenil)propionic tirosină Tir
g) Aminoacizi cu structură heterociclică conţin în moleculă un heterociclu cu un atom de azot dintr-un nucleu indolic, imidazolic şi pirolic. L (-) Triptofanul (acidul α-amino-β-indolilpropionic, β-indolilalanina) intră în compoziţia multor proteide naturale. În stare liberă se găseşte în organele tinere ale plantelor, în fructe, în glutenul de grâu, în soia, seminţe de dovleac, alge (8,8%). Triptofanul este unul dintre aminoacizii esenţiali, lipsa sa din organism conduce la grave tulburări. Este precursor în biosinteza vitaminei PP şi promotor al sintezei pirolului, component al hemoglobinei. Prin decarboxilarea triptofanului se formează triptamina, compus cu activitate biologică. L (-) Histidina (acid α-amino-β-imidazolilpropionic) este răspândită în proteidele de origine vegetală şi animală. Se găseşte în seminţele de tomate, în polen şi în edestină (4%). Prin decarboxilare enzimatică trece în histamină. L (-) Prolina (acidul α-pirolidincarboxilic) este un iminoacid, solubil în alcool (spre deosebire de restul aminoacizilor), proprietate pe care o imprimă şi proteidelor în care se găseşte în procent mare. Prezintă caracter amfoter şi este răspândit atât în proteinele vegetale (12% în prolaminele din cereale) cât şi în cele animale.
HO
COOH
COOH N H
N H acid pirolidin-2-carboxilic acid pirolidin-α-carboxilic prolinã Pro
CH2 N
acid 4-hidroxipirolidin-2-carboxilic acid β'-hidroxipirolidin-α-carboxilic hidroxiprolinã Hip
CH COOH
CH2
NH2
NH2 N H
N H acid 2-amino-3-(4-imidazolil)propanoic acid α-amino-γ-(4-imidazolil)propionic histidinã His
CH COOH
acid 2-amino-3-(3-indolil)propanoic acid α-amino-γ-(3-indolil)propionic triptofan Trip
4.2.4. Proprietăţi fizice ale aminoacizilor Proprietăţile fizico-chimice ale aminoacizilor sunt determinate de structura lor. Aminoacizii se prezintă ca substanţe solide, cristaline; unii au gust dulce, alţii gust amărui sau sunt fără gust. Datorită prezenţei grupelor funcţionale polare (-NH2 şi -COOH) sunt solubili în apă, în acizi diluaţi şi în hidroxizi alcalini. Procesul de dizolvare conduce uneori la distrugerea moleculei de aminoacid; astfel, triptofanul este distrus în mediu acid, iar histidina în mediu bazic. Sunt greu solubili în solvenţi organici; unii dintre ei sunt solubili în alcool etilic şi în alcool butilic, proprietate care serveşte la separarea lor dintr-un amestec de aminoacizi. 4.2.4.1. Izomeria aminoacizilor Prezenţa atomului de carbon asimetric în poziţia α faţă de gruparea carboxil, conferă moleculelor aminoacizilor (cu exceptia glicocolului), chiralitate şi ca urmare, apariţia activităţii optice (enantiomeria), exprimată prin capacitatea moleculelor lor de a roti planul luminii polarizate spre dreapta (izomerul, enantiomerul dextrogir), sau spre stânga (izomerul, enantiomerul levogir). Asemănător glucidelor, aminoacizii aparţin unei anumite serii sterice, D sau L. La stabilirea configuraţiei aminoacizilor, s-a pornit de la L-alanină prin comparaţie cu L-aldehida glicerică (comparându-se poziţia grupei –NH2 din aminoacid cu poziţia grupei –OH din glucidă). Trebuie remarcat faptul că, aminoacizii naturali prezenţi în structura proteinelor aparţin exclusiv formei sterice L. Ca şi în cazul glucidelor, configuraţia sterică a aminoacizilor este independentă de activitatea optică.
4.2.4.2. Structura amfionică Caracterul amfoter al aminoacizilor se datorează prezenţei concomitente în moleculă a grupelor -NH2 (care conferă proprietăţi bazice, acceptoare de protoni) şi a grupelor -COOH (care conferă proprietăţi acide, donoare de protoni). În soluţiile apoase, moleculele aminoacizilor au structura unor amfioni (ioni dipolari), care pot funcţiona atât ca bază cât şi ca acid: R
H3 N
CH
COO
structura amfiionului
a) comportare de acid (donor de protoni): R H3N
R
CH
COO
+
H2N
HOH
CH
COO
+
H3O
b) comportare de bază (acceptor de protoni): R
R H3N
CH
COO
+ HOH
H3N
CH
COOH + HO
În soluţie, există deci permanent, un echilibru între cei trei ioni: -H
-H
H3 N
R
R
R CH
H3N
COOH
CH
H2N
COO
CH
COO
+H
+H cation
amfiion
anion
În cazul în care catenele laterale (R) ale diferiţilor aminoacizi conţin şi alte grupe funcţionale ionizabile, în afara celor ataşate la atomul de carbon α, sarcina reală a moleculei va reflecta prezenţa lor. Este cazul aminoacizilor monoaminodicarboxilici, (acidul aspartic şi glutamic), cu caracter acid sau al celor diaminomonocarboxilici, (arginina, lisina, histidina), cu caracter bazic. Ceilalţi aminoacizi cu număr egal de grupe funcţionale acide şi bazice pot fi consideraţi neutri. Existenţa amfionului explică utilizarea soluţiilor de aminoacizi ca soluţii tampon (creează şi menţin constant un anumit pH la adăugarea unor cantităţi mici de acizi sau de baze tari): R
R H3 N
CH
COO
+
H3 O
H3 N
CH
COOH + HOH
R
R H3N
CH
COO
+
HO
H2 N
CH
COO
+ HOH
Se numeşte punct izoionic, pH-ul la care soluţia apoasă a unui aminoacid conţine anioni şi cationi ai aminoacidului în proporţii egale şi deci sarcina electrică netă a moleculei de aminoacid dizolvat în apă este nulă. Datorită sarcinii electrice nete (pozitivă sau negativă) aminoacizii manifestă la un anumit pH proprietăţi electroforetice, deplasându-se sub acţiunea unui câmp electric. Astfel, în mediu acid, ca urmare a deplasării echilibrului existent între cei trei ioni spre forma cationică, aminoacidul migrează spre catod (polul negativ), iar în mediu alcalin, datorită deplasării echilibrului spre forma anionică, aminoacidul migrează spre anod (polul pozitiv). La un anumit pH, denumit pH sau punct izoelectric (pHi), amfionul nu migrează în câmp electric deoarece aminoacidul se află disociat ca anion şi cation în părţi egale, solubilitatea fiind redusă datorită atracţiei electrostatice între anionii şi cationii existenţi. Aminoacizii prezintă pHi diferiţi, în funcţie de structura catenelor laterale -R: • aminoacizii monoamino-dicarboxilici au pHi în zona acidă (pHi = 3,0-3,2); • aminoacizii diamino-monocarboxilici au pHi = 7,5-11, deci în zona alcalină; • aminoacizii monoamino-monocarboxilici nu au pHi la pH = 7, ci în jur de valoarea 6,0 (grupa -COOH este mai puternic ionizată decât grupa -NH2).
CURS 8 4.2.5. Proprietăţi chimice ale aminoacizilor Proprietăţile chimice sunt determinate de natura grupelor funcţionale existente în moleculă, respectiv grupa amino (-NH2) şi grupa carboxil (-COOH). 4.2.5.1. Reacţii datorate grupelor funcţionale carboxil a) Reacţia aminoacizilor cu hidroxizii cu formare de săruri: H2N
COOH + NaOH
CH2
H2N
CH2
glicocol
COONa + H2O
glicocolat de sodiu
b) Reacţia aminoacizilor cu alcoolii cu formare de esteri: O H2N
COOH +
CH2
HO
H2N
R
CH2
C
+ H2O
O
R
ester al glicocolului
c) Reacţia aminoacizilor (sau a esterilor aminoacizilor) cu amoniac cu formare de amide: O
O H2 N
CH2
+
C O
HNH2
H 2N
CH2
C
+
H 2O
NH2
H glicocolamidă
Reacţia de formare a amidelor are o mare importanţă biochimică, reprezentând una dintre căile de reglare a conţinutului de amoniac din organismele vegetale, deoarece o concentraţie prea mare de amoniac devine toxică pentru plante. Prin formarea amidelor, plantele realizează blocarea amoniacului în exces, prin reacţia inversă, amoniacul fiind la nevoie, pus în libertate. d) Decarboxilarea aminoacizilor cu formare de amine biogene: CH2 COOH
H2N
CO2 + H2N
glicocol
CH3
metilamina
Decarboxilarea aminoacizilor este biocatalizată în organismele vii de enzime din clasa liazelor (aminoaciddecarboxilaze). Unele dintre aminele biogene rezultate sunt compuşi toxici, altele sunt precursori ai unor coenzime. Astfel, ß-alanina rezultată din acid aspartic este componentă a coenzimei A şi a acidului pantotenic, din histidină se formează histamina, din aminoacizii diaminomonocarboxilici ornitina şi lizina se formează heterocicli cu azot (pirol, piridină) prezenţi în structura vitaminelor sau a unor alcaloizi cu rol fiziologic. HS
H2C
CH COOH
cisteină
NH2
- CO2
HS
CH2
CH2
NH2
cisteamină componentă a coenzimei A
HOOC
H2C
CH
COOH
- CO2
acid aspartic
NH2
- CO2
H2C
CH2
NH2
β-alanina componentă a coenzimei A şi a acidului pantotenic
NH2
H2N CH2 (CH2)2 CH
HOOC
H2N CH2 (CH2)2 CH2 NH2
pirol
pirolidina
- NH3
COOH ornitină
putresceină
H2N CH2 (CH2)3 CH
NH2
- CO2
H2N CH2 (CH2)3 CH2 NH2
- NH3
piperidinã
piridinã
COOH lizină
cadaverină
4.2.5.2. Reacţii ale aminoacizilor datorate grupei funcţionale amino a) Reacţia aminoacizilor cu acizii cu formare de săruri Această reacţie a aminoacizilor se datorează caracterului bazic (acceptor de protoni, datorită electronilor neparticipanţi ai azotului aminic). În funcţie de tipul acidului se formează săruri numite: clorhidraţi, sulfaţi, azotaţi etc. ai aminoacizilor. HOOC
CH2
[HOOC
NH2 + HCl
acid aminoacetic glicocol
CH2
NH3] Cl
clorhidrat de glicocol
b) Alchilarea aminoacizilor Alchilarea aminoacizilor (de exemplu metilarea) cu derivaţi halogenaţi, conduce la derivaţi de amoniu cuaternar, denumiţi betaine.
CH3
HO
HOOC
CH2
NH2
+ 3 CH3I
- 2HI
HOOC
CH2
N
CH3 I CH3
betaina glicocolului
Aceşti derivaţi au o mare importanţă fiziologică, fiind donatori de grupe metilice. În cazul glicocolului, metilarea completă conduce la formarea glicocol-betainei (cu structură amfionică), care se găseşte în sfecla de zahăr. c) Acilarea aminoacizilor Acilarea aminoacizilor decurge prin tratarea aminoacizilor cu cloruri acide sau cu anhidride acide în mediu bazic şi conduce la formarea de N-acilderivaţi. Astfel, din glicocol şi clorură de benzoil (C6H5-CO-Cl) rezultă acidul hipuric (benzoilglicocolul). HOOC-CH2-NH2 + Cl-CO-C6H5 → HOOC-CH2-NH-OC-C6H5 + HCl
d) Condensarea aminoacizilor cu aldehide cu formare de baze Schiff Această reacţie prezintă importanţă biochimică deosebită, deoarece reprezintă o cale de biosinteză a aminoacizilor (transaminarea cetoacizilor rezultaţi la biodegradarea aerobă a glucidelor prin ciclul Krebs). R
CH
NH2 + O
C
R
R - H 2O
H
COOH aminoacid
aldehidă
CH
N
CH
R
COOH baza Schiff
e) Dezaminarea aminoacizilor Dezaminările aminoacizilor sunt reacţii catalizate enzimatic şi constau în principiu în eliminarea grupei amino (sub formă de NH3 sau de N2) şi conservarea grupei carboxil. Se formează substanţe aparţinând unor clase diferite de derivaţi funcţionali. Reacţiile de dezaminare au loc în organismele vii vegetale şi animale şi sunt deosebit de importante în metabolismul aminoacizilor introduşi prin alimentaţie sau rezultaţi în metabolismul proteic. Dezaminările aminoacizilor sunt de mai multe tipuri: • Dezaminarea oxidativă, conduce la formarea, pe lângă NH3, a cetoacidului cu acelaşi număr de atomi de carbon ca aminoacidul: H3C
CH
COOH
enzimã -2H
H3C
C
COOH
+ H2O -NH3
H3C
aminoacid (α-alanină)
COOH
O
NH
NH2
C
iminoacid
cetoacid (acid piruvic)
• Dezaminarea hidrolitică, conduce la obţinerea, pe lângă amoniac a unui hidroxiacid cu număr de atomi de carbon egal cu cel al aminoacidului iniţial: H3C
CH
COOH
+ H2O / enzimã -NH3
H3 C
CH
COOH
OH
NH2 α-alanină
acid lactic
• Dezaminarea reductivă are ca produs de reacţie un acid saturat care păstrează numărul de atomi de carbon: +2 H / enzimã
H3C
CH NH2 α-alanină
COOH
-NH3
H3C
CH2
COOH
acid propionic (acid saturat)
• Dezaminarea desaturantă (intramoleculară) conduce la formarea unui acid nesaturat cu acelaşi număr de atomi de carbon:
H3C
CH
enzimã
COOH
H2C
-NH3
NH2
CH
COOH
acid acrilic (acid nesaturat)
α-alanină
4.2.5.3. Proprietăţi chimice ale aminoacizilor care implică participarea ambelor grupe funcţionale
a) Reacţia aminoacizilor cu ionii metalelor (Cu, Ni, Pb, Ca, Mg, etc.) cu formare de complecşi de tip chelatic: O
C
OH
H2N
Cu2+ H2C
NH2
HO
glicocol
C
C
O
CH2
O
CH2
O
C
Cu H2C
O
H2 N
N H2
glicocol
+ + 2H
O
glicocolat de cupru
Compuşii chelatici sunt combinaţii stabile, nedisociabile, frumos colorate, utilizate în chimia analitică. b) Reacţiile de condensare ale aminoacizilor pot fi de mai multe feluri: • condensarea intermoleculară cu formarea de legături peptidice -CO-NH-, implică eliminarea apei între o grupă -COOH a unui aminoacid şi grupa –NH2 a altui aminoacid. Se formează astfel: di-, tri-, tetra-, ..., polipeptide. Trebuie precizat în cazul legăturii peptidice, caracterul de legătură dublă a legăturii covalente C-N, datorat conjugării electronilor neparticipanţi de la atomul de azot cu electronii de tip π ai legăturii carbonil (conjugare p-π), ceea ce se poate reprezenta prin structuri de rezonanţă. CH3 O H2N CH
C
alanină
O OH + HNH CH2 C - H2O
OH + HNH CH - H2 O
glicină
CH3 O
O
HOH2C
C
H2N CH
OH
serină
O HOH2C
C HN CH2 C
O
HN CH C OH
alanil-glicil-serină (tripeptidă)
Datorită împiedicării sterice a rotaţiei libere, impusă de caracterul parţial de legătură dublă C=N, apare posibilitatea apariţiei izomeriei sterice geometrice (cis-trans, sau E-Z), evidenţiată prin existenţa în proteinele naturale doar a izomerului trans (E). H C O
H
N
C
R
O
N R
• condensarea intermoleculară a două molecule de aminoacizi care implică ambele grupe funcţionale ale acestora, conduce la compuşi cu ciclu dicetopiperazinic.
OH + HNH O
NH
H2 C C
C CH2
NHH + HO
O
- H2O
O
glicină
CH2 C
C CH2
O
NH
dicetopiperazină
• condensarea intramoleculară implică grupele funcţionale -COOH şi -NH2 ale aceluiaşi aminoacid, aflate cel puţin, în poziţie γ una faţă de alta; se formează compuşi denumiţi lactame. 4.2.5.4. Proprietăţi ale aminoacizilor datorate radicalului R
Aminoacizii liberi, peptidele şi proteidele prezintă şi reacţii chimice care depind de natura radicalului R şi a grupelor funcţionale grefate pe el. • Reacţii ale nucleelor aromatice
Acidul azotic concentrat acţionează asupra nucleului aromatic al aminoacizilor cu structură aromatică: triptofan, fenilalanină, tirozină etc. sau al aminoacidului cu structură heterociclică histidină, formând nitroderivaţi de culoare galbenă (reacţia xantoproteică de recunoaştere a proteinelor). • Reacţii ale grupelor funcţionale grefate pe radicalul R
Acest tip de reacţii pot fi de exemplu, reacţii de formare de legături hidrofobe în care sunt implicate catenele hidrocarbonate sau reacţii de esterificare a grupelor hidroxil din hidroxiaminoacizi cu formare de fosfoproteide. În medii puternic bazice grupa -SH a cisteinei şi grupa -OH fenolică a tirozinei pot disocia eliberând protoni. Grupele funcţionale polare din catenele laterale ale aminoacizilor contribuie la formarea de legături de hidrogen între diferitele părţi ale lanţului peptidic, stabilizând molecula proteinei.
4.3. PEPTIDE (POLIPROTIDE INFERIOARE) Peptidele sunt poliprotide inferioare, constituite dintr-un număr relativ mic de aminoacizi (monoprotide) uniţi prin legături peptidice -CO-NH-. Acestea se stabilesc între grupa amino de la carbonul α al unui aminoacid şi grupa carboxil a altui aminoacid, prin eliminare de apă. După numărul unităţilor structurale de aminoacizi conţinuţi, peptidele se împart în: • oligopeptide; • polipeptide; • peptone; • albumoze.
4.3.1. Oligopeptide Sunt constituite dintr-un număr mic de aminoacizi (convenţional 2-10) şi denumite în consecinţă: di-, tri-, tetra-, ..., decapeptide. Datorită naturii aminoacizilor constituenţi, a succesiunii (secvenţei) şi conformaţiei lor, peptidele se pot prezenta sub forma unui număr foarte mare de izomeri (de exemplu, o pentapeptidă formată din 5 aminoacizi diferiţi, prezintă 120 de izomeri). Existenţa unei asemenea
diversităţi de forme izomere, explică enorma variabilitate structurală, configuraţională şi funcţională a diferitelor forme de proteine din organismele vegetale şi animale. Orice peptidă se caracterizează prin prezenţa legăturilor peptidice, în care sunt implicate toate grupele carboxil şi amino grefate la Cα, cu excepţia unei grupe carboxil şi a unei grupe amino care rămân la capetele catenei peptidice (polipeptidice). Aceste două grupări funcţionale neimplicate în formarea legăturilor peptidice sunt denumite grupare carboxil C-terminală (aminoacid C-terminal), respectiv, grupa amino N-terminală (aminoacid N- terminal). Prin convenţie, aminoacidul N-terminal dintr-un lanţ peptidic (polipeptidic) se consideră a fi primul aminoacid din structura respectivă. Numele peptidelor se stabileşte prin indicarea succesivă a denumirii fiecărui aminoacid component, cu adăugarea sufixului il şi terminând cu numele întreg al aminoacidului care are gruparea carboxil intactă. Denumirea poate fi acordată şi prin utilizarea prescurtării numelui aminoacidului, respectiv primele trei litere din denumire: H2N-Ala-Ala-Glu-Arg-Val-Ser-Arg-COOH aminoacid N-terminal
aminoacid C-terminal
heptapeptida alanil-alanil-glutamil-arginil-valil-seril-arginină
Pentru a preciza faptul că este vorba de o moleculă de sine stătătoare, se scrie: H-Ala-Ala-Glu-Arg-Val-Ser-Arg-OH ceea ce înseamnă că, atomul de hidrogen din grupa -NH2 a primului aminoacid şi grupa -COOH a ultimului aminoacid nu participă la formarea altor legături peptidice. Datorită grupelor funcţionale terminale (-NH2 şi -COOH), peptidele manifestă caracter amfoter. Prin hidroliză acidă sau enzimatică (cu enzimele peptidaze), peptidele sunt scindate în aminoacizii componenţi. 4.3.1.1. Proprietăţi fizico-chimice ale oligopeptidelor
Peptidele sunt răspândite atât în regnul vegetal cât şi în cel animal, unde îndeplinesc un anumit rol fiziologic, sau se formează în metabolism ca faze intermediare, sau intră în compoziţia unor hormoni, antibiotice etc. Ciupercile şi bacteriile produc antibiotice care conţin şi peptide. Se cunoaşte un mare număr de oligopeptide şi polipeptide cu funcţii fiziologice importante: hormonală, endorfine şi encefaline din sistemul nervos central etc. Peptidele prezintă proprietăţi intermediare între cele ale aminoacizilor şi cele ale proteinelor. Peptidele cu masă moleculară mare sunt solubile în apă şi insolubile în alcool, solubilitatea scăzând odată cu creşterea masei moleculare. Sub acţiunea căldurii nu coagulează şi nu sunt denaturate. Hidroliza enzimatică a peptidelor (sub influenţa enzimelor peptidaze) conduce, în cazul homopeptidelor, la aminoacizii din care s-au format, iar în cazul heteropeptidelor, se obţine, pe lângă aminoacizi, şi o componentă neproteică (componentă prostetică). Proprietăţile chimice ale peptidelor sunt determinate de prezenţa grupelor funcţionale amino şi carboxil libere, de la capetele sistemului, manifestându-se sub forma reacţiilor specifice acestor grupe funcţionale. Legătura peptidică se caracterizează şi prin mobilitatea atomului de hidrogen aminic care poate fi substituit cu halogeni sau cu metale.
4.3.1.2. Reprezentanţi naturali ai oligopeptidelor Glutationul, un reprezentant important al oligopeptidelor este o tripeptidă, şi anume, glutamil-cisteinil-glicina, cu răspândire universală.
În regnul vegetal, glutationul se găseşte în special în seminţe, unde conţinutul său creşte în timpul încolţirii. In embrionul de grâu şi în ţesuturi, glutationul se găseşte atât sub formă redusă, cât şi sub formă oxidată. HOOC CH CH2 CH2 CO NH CH CO NH CH2 COOH CH2
NH2
SH
glutamil-cisteinil-glicina
Glutationul, prezent în seminţe, drojdie de bere, ficat, este o substanţă solidă, de culoare albă, solubilă în apă, alcool. Prezintă activitate optică şi un pronunţat caracter acid, datorat celor două grupe carboxil libere. Importanţa biologică a glutationului derivă din uşurinţa cu care se poate oxida grupa funcţională -SH (tiol). Oxigenul molecular, în prezenţa urmelor de metale cu rol catalitic (de exemplu, Fe), determină oxidarea formei R-SH, iar reducerea formei R-S-SR este biocatalizată de glutation-reductază, enzimă prezentă în toate organismele vii. 2 Glutation
SH
oxidare
glutation redus
reducere
Glutation
S S Glutation
diglutation (glutation oxidat)
2 Glutation
SH
glutation redus
Glutationul îndeplineşte în organism roluri biochimice complexe: rol de sistem redox neenzimatic, rol antioxidant, de protejare a unor substraturi (de exemplu, acid ascorbic) faţă de procesele de oxidare, component al coenzimei donatoare de atomi de hidrogen în procese redox etc. Neuropeptidele reprezintă o grupă de peptide întâlnite în sistemul nervos central. Un interes deosebit prezintă endorfinele, deoarece se leagă de receptori care pot lega şi morfina. Cel mai simplu reprezentant este grupul pentapeptidelor denumite encefaline.
Insulina şi proinsulina sunt hormoni peptidici care joacă un rol foarte important în reglarea metabolismului glucidic. Insulina a fost prima protidă a cărei secvenţă de 51 de aminoacizi a fost clarificată în 1953, constituind din punct de vedere ştiinţific un pas foarte important în cercetarea biochimică. Antibiotice peptidice. Din această clasă fac parte substanţe produse de ciuperci sau microorganisme care conţin tipuri de aminoacizi neproteinogeni. Una dintre cele mai cunoscute substanţe din această serie este penicilina (care are în structură aminoacizii valină şi cisteină). Gramicidina este o peptidă ciclică formată din 10 aminoacizi, printre care fenilalanina. O structură complicată (un colorant legat de o pentapeptidă) prezintă actinomicina, care manifestă proprietăţi antibiotice şi citostatice. Otrăvuri. O serie de otrăvuri de origine vegetală sau animală sunt de natură peptidică. Amanitina şi faloidina secretate de ciuperci sunt peptide ciclice formate din 7 aminoacizi. Veninul de şarpe conţine neurotoxine de origine peptidică.
4.3.2. Polipeptide Polipeptidele sunt peptide în compoziţia cărora intră peste 10 aminoacizi, (până la 100 de aminoacizi). Delimitarea între oligopeptide şi polipeptide, ca şi faţă de proteine este relativă, fiind greu de stabilit, pe baza unor reacţii chimice specifice. O astfel de reacţie este de exemplu
reacţia biuretului (reacţie de culoare între peptide şi o soluţie alcalină de CuSO4). Oligopeptidele se colorează roz-roşu, poliprotidele se colorează violet, iar aminoacizii nu dau această reacţie. Biuretul este compusul rezultat din două molecule de uree, care în reacţia cu Cu din CuSO4 prezintă o coloraţie albastră.
H2N-CO-NH2 + H2N-CO-NH2 → H2N-CO-NH-CO-NH2 + NH3 4.3.2.1. Substanţe intermediare între peptide şi proteide
Prin hidroliza menajată a proteinelor, sau la biosinteza acestora, se formează ca substanţe intermediare, albumozele şi peptonele. proteine → albumoze → peptone → peptide → aminoacizi
Albumozele şi peptonele sunt substanţe cu mase moleculare situate între cele ale peptidelor şi proteinelor, cu structură asemănătoare peptidelor. Albumozele formează cu apa soluţii coloidale, precipită sub acţiunea acizilor, a sulfatului de amoniu, coagulează la temperaturi ridicate, asemănându-se mai mult cu proteinele, în timp ce peptonele, care nu prezintă aceste proprietăţi se aseamănă mai mult cu peptidele.
POLIPROTIDE SUPERIOARE (PROTEIDE) Protidele (poliprotidele superioare) sunt compuşi organici macromoleculari, biopolimeri, cu structură complexă şi importanţă vitală deosebită, care se pot clasifica în: • holoproteide, poliprotide constituite numai din aminoacizi; • heteroproteide, poliprotide care pe lângă aminoacizi mai cuprind şi componente de altă natură (prostetică) (glucide, lipide, acid fosforic, pigmenţi vegetali, acizi nucleici). Proteidele se deosebesc de celelalte componente ale organismelor vii, atât prin proprietăţi cât şi prin funcţiunile importante pe care le îndeplinesc în organism. Astfel, sunt proteide: enzimele, biocatalizatori ai tuturor procesele biochimice din organism, pigmenţii respiratori şi cei nerespiratori cât şi numeroşi hormoni. Masa moleculară depinde de tipul şi numărul de aminoacizi componenţi si este considerată începând cu limita inferioară de aproximativ 10000, având ca limită superioară valori până la zeci de milioane. Cantităţi mari de proteide sunt biosintetizate în plante din cei 20 de aminoacizi proteinogeni, la care se adaugă două amide: glutamina şi asparagina. În solul arabil se găsesc proteide provenite din resturile organismelor vegetale şi animale moarte, cea mai mare parte a azotului din sol fiind azot organic, de natură proteică. El reprezintă rezerva de azot în procesul de nutriţie a plantei, devenind accesibil numai după transformarea de către microorganisme în azot amoniacal şi azotaţi.
Holoproteide (Proteine) Compoziţia şi structura proteinelor Holoproteidele sau proteinele sunt biopolimeri alcătuiţi dintr-un număr foarte mare, care variază mult de la proteină la alta, de aminoacizi legaţi prin legături peptidice. Deoarece prin hidroliza totală a proteinelor rezultă aminoacizi (unitatea structurală) se impune ca pentru cunoaşterea structurii proteinelor să se determine (prin hidroliză, urmată de separare şi dozare cromatografică) în primul rând, numărul şi natura aminoacizilor componenţi, precum şi succesiunea lor de legare în macromoleculă (secvenţa lor). Se impune apoi analiza configuraţiei catenei polipeptidice, care are mărimi şi structuri interne specifice, ce imprimă proteinei configuraţii cu diferite orientări şi interacţiuni. Pornind de la aceste consideraţii, Lindenstrom şi Lang au stabilit următoarele nivele de organizare a structurii complexe a proteinelor: structura primară, structura secundară, structura terţiară, şi structura cuaternară. Structura primară a proteinelor reprezintă organizarea catenei macromoleculare, respectiv numărul şi secvenţa aminoacizilor legaţi prin legături peptidice. Ţinându-se seama că fiecare catenă polipeptidică posedă la una dintre extremităţi o grupă amino liberă, s-a putut stabili, prin hidroliză enzimatică, numărul lanţurilor polipeptidice, prin determinarea numărului acizilor N-terminali sau C-terminali. Secvenţa aminoacizilor în lanţul polipeptidic se stabileşte pe cale genetică şi are caracter ereditar. Modificarea unei singure secvenţe (înlocuirea unui singur aminoacid, de exemplu în globina hemoglobinei) poate altera sau modifica complet funcţia biologică a macromoleculei proteice. Cunoaşterea doar a structurii primare nu permite aprecierea modului în care structura proteinei determină activitatea biologică. Structura secundară a proteinelor. Acest tip de structură tridimensională ia în considerare aranjamentul spaţial, conformaţiile posibile ale catenei macromoleculare proteice. Deoarece catena macromoleculară are grupe funcţionale polare, capabile să formeze legături
de hidrogen (între grupele –CO– şi –NH–) cercetările lui Pauling şi Corey au condus la propunerea a două modele structurale: modelul helicolidal (α-helix) şi modelul straturilor pliate. Modelul spiralat, helicoidal sau α-helix, presupune răsucirea în spirală a lanţului polipeptidic (grilajului peptidic). Acesta este format din catene polipeptidice între care se stabilesc legături de hidrogen (între grupa C=O) a unei legături peptidice dintr-o catenă şi grupa –NH– a legăturii peptidice din catena vecină) în jurul unui cilindru imaginar. R
O H N
CH
R
C
CH
N H
C
CH
N H
C
O
O
R R
O
O
C
H N
CH
C
H N
CH
C
R
O
N H
CH R
Numele de α-helix a fost utilizat de Pauling care a recunoscut prima dată această structură în α-keratină. Sensul de orientare a α-helixului poate fi spre dreapta sau spre stânga, însă toţi aminoacizii participanţi în ambele cazuri aparţin seriei L, iar resturile R ale aminoacizilor sunt proiectate spre exteriorul spiralei (α-helixului). În cazul L-aminoacizilor din proteinele naturale, răsucirea spre dreapta a helixului conferă structurii mai multă stabilitate decât răsucirea spre stânga. Elicea are forma unei scări în spirală, în care fiecărei trepte îi corespunde un aminoacid. Înălţimea unei trepte este de 1,5 Å şi fiecărei spire îi corespund 3,6 aminoacizi (trepte), iar distanţa dintre spire este de 5,4 Å. (3,6 × 1,5). Stabilitatea deosebită a α-helixului şi deci a proteinelor se datorează legăturilor de hidrogen stabilite între grupele -C=O ale unei catene şi grupele -NH- ale catenei vecine. Catenele laterale în modelul α-helix sunt orientate în afară, putând reacţiona cu moleculele solventului sau cu alte catene polipeptidice. Natura radicalului -R legat la Cα influenţează formarea α-helixului, favorizând sau nu, răsucirea lanţului peptidic. De exemplu: valina, izoleucina, şi treonina, datorită substituenţilor voluminoşi, nu favorizează răsucirea catenei polipeptidice iar prolina este un întrerupător al helixului, datorită faptului că neavând atom de H la atomul de N nu poate forma legături de hidrogen. Modelul structurilor β-pliate (pleated sheets) se bazează pe formarea legăturilor de hidrogen între grupele -C=O şi -NH- de la două catene polipeptidice, care pot fi dispuse în două moduri: conform modelului paralel, caracteristic β-keratinei şi modelului antiparalel, caracteristic fibroinei din mătase. În modelul paralel, lanţurile peptidice sunt situate paralel, cu resturile -R orientate în acelaşi sens, iar în modelul antiparalel, lanţurile peptidice sunt faţă în faţă (antiparale), cu resturile -R orientate în direcţii opuse. Legăturile de hidrogen în această structură sunt aproape perpendiculare pe axa lanţului peptidic (în contrast cu structura α-helix). În modelul paralel al structurilor pliate fiecare structură cuprinde catene paralele situate la intervale de 4,6 Å, intervale care permit formarea legăturilor de hidrogen intercatenare. În cazul β-keratinei, perioada de identitate de-a lungul lanţurilor peptidice este de 6,5 Å, iar în cazul fibroinei este de 7,2 Å.
R C H R C H C O C O HN HN α H C R H C R O C O C NH NH R C H R C H C O C O
R C H C O HN H C R O C NH R C H C O
R
C
H
H C
C C
O
C
R
R
C
O
O
NH C
H O
C
O
C
R
C NH
C
R
R
HN
O
H
C H
H C
C HN
H NH
C
R
R
HN
O
HN H
R
C
H C
modelul paralel
O
modelul antiparalel
Structura terţiară a proteinelor reprezintă un alt nivel de organizare structurală, exprimând gradul de împachetare a lanţului polipeptidic (cu diferite structuri: α-helix sau straturi β-pliate) pentru realizarea unei conformaţii compacte (de proteină globulară) cât mai avantajoasă energetic. Aceasta reprezintă rezultatul interacţiilor dintre resturile –R ale aminoacizilor din catenele polipeptidice, interacţiuni care apar deja în cazul lanţurilor polipeptidice mai lungi, cu structură secundară proprie. Această suprastructură se realizează şi se menţine datorită forţelor de atracţie între catenele laterale ale lanţurilor peptidice, care pot să formeze următoarele tipuri de legături: • legături de hidrogen (altele decât cele peptidice) între grupele –OH ale hidroxiaminoacizilor şi restul imidazolic (de exemplu, al histidinei) sau grupa –OH fenolică a tirozinei şi un rest carboxilic (-COOH); • legături covalente de tip disulfurice stabilite la nivelul grupelor -SH din tioaminoacizii cisteină, metionină; CH2
HS
SH
CH2
- H2O
R2
R1
CH2
[O]
+
S
S
R1
CH2 R2
• legături fosfodiesterice, stabilite la nivelul grupelor -OH esterificabile ale hidroxiaminoacizilor (de exemplu, serina) cu acid fosforic: R
C HC
R
NH
O
O
O
OH + HO
P
OH + HO
OH
C
R
CH HN
R - H2O
R
R
C
O
O
O
C
HC
O
P
O
CH
NH
OH
HN
R
R
• legături ionice între resturile carboxilat (-COO-) de la aminoacizii dicarboxilici (acidul aspartic, acidul glutamic) şi grupările amoniu (–NH3+) ale aminoacizilor diaminici (lisină, arginină); • legături apolare prin forţe van der Waals (legături hidrofobe) realizate între catenele laterale ale valinei, leucinei, izoleucinei, fenilalaninei. Legăturile hidrofobe apar şi acţionează mai ales în interiorul moleculelor proteice, minimalizând interacţiile părţilor hidrofobe cu apa şi maximalizând forţele van der Waals între grupele hidrofobe. Tipurile de legături implicate în structura terţiară sunt mai puţin stabile decât legăturile chimice obişnuite, ceea ce determină labilitatea proteinelor (denaturarea lor) sub influenţa
diferiţilor factori fizico-chimici (pH, temperatură, reactivi chimici etc.), proces care poate fi însoţit de pierderea proprietăţilor biologice. Structura cuaternară a proteinelor reprezintă cel mai înalt grad de organizare a acestora şi rezultă din interacţiunea lanţurilor polipeptidice independente, care au deja o structură primară, secundară, şi terţiară bine definită. Suprastructura cuaternară are specifică asocierea unor catene polipeptidice individuale (protomeri) într-un agregat denumit oligomer (multimer sau proteine multisubunitare). În funcţie de numărul protomerilor constituenţi, agregatele structurii cuaternare sunt: dimeri, trimeri, tetrameri. Porţiunile funcţionale ale proteinelor oligomere şi catenele polipeptidice sunt asamblate prin alăturarea unor porţiuni din suprafaţa protomerilor şi realizarea unor legături de hidrogen şi electrostatice la suprafaţa fiecărei polipeptide sau oligomer. Ansamblul oligomer va avea geometria spaţială deformată din cauza complementarităţii suprafeţelor de contact, ca urmare a existenţei unor grupări hidrofile, radicali polari sau grupări cu sarcini opuse. Principiul complementarităţii subunităţilor asigură, datorită preciziei şi exactităţii cu care se realizează asamblarea, specificitatea şi stabilitatea configuraţiei proteice oligomere. Un exemplu tipic de astfel de structură cuaternară este structura hemoglobinei, un agregat tetramer format din patru lanţuri polipeptidice, fiecare cu structura sa primară, secundară şi terţiară, legate între ele prin legături de hidrogen, legături van der Waals, legături polare. Astfel de structuri cuaternare pot fi dezorganizate uşor, cu formarea “monomerului”, mai ales prin modificarea pH-ului soluţiei în care se găseşte proteina. Restabilirea condiţiilor iniţiale este însoţită de reasamblarea resturilor şi de refacerea structurii cuaternare.
Proprietăţi fizice ale proteinelor Proteinele izolate din diferite surse sunt substanţe solide, în general amorfe, care prin purificare avansată pot fi obţinute în stare cristalină. Solubilitatea proteinelor în apă este foarte diferită: proteinele globulare sunt mai mult sau mai puţin solubile, pe când cele fibrilare sunt insolubile. Solubilitatea în apă depinde de mai mulţi factori: natura, numărul şi aşezarea în catenă a aminoacizilor care compun macromolecula, de existenţa grupelor funcţionale hidrofile (carboxil, hidroxil), de pH şi de concentraţia în săruri a soluţiei. Prezenţa grupelor funcţionale polare (-OH, -NH2, -COOH,-SH) favorizează dizolvarea în apă, deoarece moleculele polare ale apei sunt atrase electrostatic de grupele funcţionale polare ale proteinei, ceea ce duce la legarea moleculelor solvatului de moleculele solventului, adică la fenomenul de solvatare (hidratare în cazul apei) indispensabil dizolvării. Natura solventului are un rol mare în procesul de solubilitate a proteinelor. Solvenţii organici produc o scădere a constantei dielectrice a mediului apos şi în consecinţă, fenomenul de hidratare se reduce odată cu solubilitatea. O cantitate prea mare de solvent organic poate produce pierderea sarcinilor electrice şi o deshidratare a proteinei care poate produce denaturarea ei (modificarea structurii şi proprietăţilor iniţiale). Solubilitatea proteinelor este influenţată şi de pH-ul mediului. La pH izoelectric, moleculele proteinelor devin perfect neutre, nu mai leagă moleculele polare ale apei în jurul lor, în consecinţă, nu mai are loc fenomenul de hidratare şi dizolvare. La pHi, solubilitatea proteinei devine minimă şi din această cauză proteina precipită uşor, particulele proteice găsinduse sub formă de amfioni. Prezenţa ionilor de semn contrar influenţează solubilitatea proteinelor, deoarece macromoleculele posedă la suprafaţă grupări ionizate şi reţin selectiv diferite substraturi cu molecule mici.
Masa moleculară a proteinelor variază de la câteva mii la câteva milioane, în funcţie de numărul catenelor polipeptidice şi a aminoacizilor componenţi. Determinarea masei moleculare a proteinelor este dificilă deoarece ele formează prin dizolvare soluţii coloidale, astfel că nu pot fi aplicate metodele obişnuite de determinare a masei moleculare, ci metode speciale. Starea coloidală a proteinelor în soluţie le conferă proprietăţile caracteristice sistemelor coloidale: presiune osmotică mică, putere de difuziune redusă, ultrafiltrare, efectul Tyndall etc. Din cauza dimensiunilor mari ale macromoleculelor, proteinele nu difuzează prin membrane ale căror pori sunt de ordinul milimicronilor (membrane de celofan, pergament, colodiu etc.), proprietate pe care se bazează separarea lor de sărurile prezente în soluţie şi ai căror ioni trec prin membranele de dializă. Soluţiile proteice pot forma geluri în care proteina şi solventul formează o masă omogenă, cu particularităţi specifice substanţelor solide. Fenomenul este important pentru realizarea reţelei tridimensionale a scheletului protoplasmei, care este insolubilă în apă, pe care o reţine datorită procesului de imbibiţie. Imbibiţia gelului, însoţită de creşterea considerabilă a volumului este utilizată în industria alimentară (gelifierea alimentelor prin adăugare de gelatină, imbibiţia proteinelor din făină la prepararea aluatului etc.). Precipitarea proteinelor poate fi: reversibilă, în prezenţa soluţiilor concentrate de electroliţi tari (săruri ale metalelor alcaline, alcalino-pământoase, (NH4)2SO4 sau a solvenţilor miscibili cu apa (alcool, acetonă). Precipitarea reversibilă se explică prin fenomenul de salifiere, care constă în deshidratarea parţială a proteinelor, datorită competiţiei pentru moleculele de apă dintre ionii electroliţilor folosiţi la precipitare şi grupele polare sau ionice ale proteinelor. Macromoleculele proteice deshidratate parţial, se aglomerează şi precipită. La adăugarea unui exces de apă, precipitatul se dizolvă, ceea ce dovedeşte că la precipitarea reversibilă, proteinele suferă unele modificări fizico-chimice, dar nu se produce denaturarea structurilor moleculare. Precipitarea ireversibilă se produce în prezenţa sărurilor metalelor grele (Cu, Pb, Hg, Fe, Ni etc.), a acizilor tari (HCl, HNO3, H2SO4), a bazelor alcaline (NaOH, KOH), a acidului picric, sau cu unii acizi anorganici complecşi (acid fosfomolibdenic, acid fosfowolframic etc.). Ea mai poate avea loc la încălzire puternică (coagulare), sub acţiunea razelor X, UV, etc. La încetarea acţiunii agenţilor precipitanţi, proteinele nu revin la forma iniţială, deoarece structura spaţială a proteinelor (secundară, terţiară) suferă o depliere, o dezorganizare, care însă nu afectează şi structura primară. Precipitarea ireversibilă a proteinelor este însoţită de transformări chimice mai profunde ale proteinelor (denaturarea proteinelor). Un proces de precipitare este şi coacervarea, proces lent de separare a coloizilor din soluţie, ca urmare a modificărilor lente ale condiţiilor soluţiei coloidale proteice. Caracterul amfoter al proteinelor se datorează prezenţei în molecula lor a grupărilor acide (-COOH) sau bazice (-NH2) libere ale resturilor aminoacizilor dicarboxilici sau diaminici din constituţia proteinelor. Caracterul amfoter al proteinelor este influenţat şi de resturile unor aminoacizi cu grupări ionizabile (-OH din tiroxină, resturile bazice ale histidinei, argininei). Datorită sarcinilor electrice, proteinele migrează în câmp electric spre anod în soluţie bazică şi spre catod în soluţie acidă. Fenomenul stă la baza separării şi purificării proteinelor prin metoda numită electroforeză. Proteinele prezintă activitate optică, datorită atât aminoacizilor constituenţi care conţin atomi de carbon asimetrici, cât şi asimetriei întregului agregat macromolecular. Orice modificare a structurii proteinei este însoţită de schimbarea rotaţiei specifice, care indică denaturarea proteinei.
Proprietăţi chimice ale proteinelor Proprietăţile fizice şi chimice generale ale proteinelor sunt determinate de structura moleculară, natura legăturilor intra- şi intermoleculare, natura grupelor funcţionale. Proteinele prezintă (asemănător aminoacizilor) reacţii chimice corespunzătoare grupelor funcţionale: -NH2 şi -COOH libere, precum şi reacţii al radicalilor -R pe care îi conţin. Sunt caracteristice de asemenea o serie de reacţii de culoare, care servesc la identificarea lor (reacţia biuretului, reacţia xantoproteică, reacţiile: Millon, Liebermann, Sakaguchi etc.). Hidroliza. Sub influenţa acizilor, bazelor sau a enzimelor proteolitice catena polipeptidică se scindează cu formarea unor fragmente polipeptidice, care în final hidrolizează, punând în libertate toţi aminoacizii constituenţi. Denaturarea. Sub acţiunea unor agenţi fizici şi chimici proteinele sunt modificate structural, cu păstrarea masei moleculare, fenomen cunoscut sub numele de denaturare, care este însoţit de pierderea activităţii fiziologice a proteinelor. Agenţii denaturanţi pot fi clasificaţi astfel: • agenţi fizici: temperaturile ridicate, radiaţii UV, razele X, ultrasunetele etc.; • agenţi chimici: soluţii concentrate de acizi şi baze tari, sărurile unor metale grele (Hg, Pb, Cd etc.), compuşi ai arsenului, solvenţi organici etc. Denaturarea proteinelor reprezintă un proces complex, care implică modificări ale structurii secundare şi terţiare a proteinelor (desfacerea sau modificarea legăturilor de hidrogen, a legăturilor disulfurice, ionice etc.), însoţite de deplierea catenelor şi modificarea arhitecturii moleculare. În funcţie de natura agenţilor chimici, denaturarea poate fi reversibilă sau ireversibilă. Denaturarea determină scăderea solubilităţii şi a capacităţii proteinelor de a absorbi apa, modifică viscozitatea, presiunea osmotică, activitatea optică şi gradul de hidroliză, ca şi activitatea fiziologică. Denaturarea ireversibilă a proteinelor joacă un rol important în fenomenele vitale, de exemplu, îmbătrânirea seminţelor şi pierderea capacităţii de germinare, fenomenul de îmbătrânire la oameni, animale etc. În industria alimentară denaturarea proteinelor este utilizată la prepararea produselor alimentare prin coacere, uscarea legumelor, fabricarea laptelui praf etc.
Proprietăţi biochimice ale proteinelor Organismele vii prezintă proprietatea specifică de a putea sintetiza proteine proprii din aminoacizii preluaţi prin alimentaţie sau rezultaţi la hidroliza enzimatică a proteinelor alimentare. Proteinele au proprietatea de a fi organ-specifice, deoarece fiecare organ al aceleiaşi plante sau al aceluiaşi animal conţine proteine specifice, diferite de proteinele altor organe ale aceluiaşi individ. Proteinele sunt totodată şi specie-specifice, deoarece acelaşi organ de la diferite specii, animale sau vegetale, conţine proteine specifice, diferite de ale aceluiaşi organ al unui individ din altă specie. Specificitatea proteinelor se manifestă şi prin proprietăţile lor imunologice: inocularea unei proteine străine în organismul unui animal provoacă apariţia în serul acestuia a unei substanţe capabile să precipite numai proteina care a fost inoculată. Substanţele inoculate se numesc antigeni şi pot fi: proteine, poliglucide, asociaţii complexe glucide-lipide-poliprotide, care sunt străine pentru organismul în care au pătruns şi declanşează în consecinţă biosinteza unor
proteine specifice de apărare, denumite anticorpi. Antigenul reacţionează cu anticorpii formaţi, determinând reacţia antigen-anticorp, prin care este anihilată acţiunea nocivă a antigenului. Formarea anticorpilor coincide cu instalarea în organism a unei rezistenţe specifice (imunitate) faţă de agentul patogen. Reacţiile imunologice stau la baza preparării şi utilizării serurilor şi vaccinurilor în vederea imunizării organismelor contra infecţiilor microbiene. Clasificarea proteinelor. Reprezentanţi La baza clasificării proteinelor au fost propuse două criterii: - forma particulelor (globulare şi fibrilare); - constituţia chimică. Deoarece forma particulelor nu reprezintă un criteriu suficient de diferenţiere, iar structura majorităţii proteinelor nu este elucidată complet, clasificarea lor se face după mai multe criterii: complexitatea structurii, mărimea masei moleculare, unele proprietăţi fizico-chimice şi provenienţa proteinelor. Astfel, proteinele pot fi clasificate în grupe neomogene, care reprezintă de fapt amestecuri de holoproteide cu proprietăţi asemănătoare. Nu există până în prezent o clasificare unanim recunoscută a proteinelor, deşi unii autori propun clasificarea în trei clase: histone, albumine şi globuline, încadrând protaminele ca polipeptide şi nerecunoscând glutelinele şi prolaminele drept clase independente. Proteine globulare sau sferoproteine Sunt proteine solubile în apă sau în soluţii diluate de săruri, ale căror macromolecule cu structură tridimensională sunt înfăşurate, rezultând o formă compactă, aproape sferică a lanţului polipeptidic. Au un rol metabolic important deoarece se găsesc în interiorul celulelor şi în lichidele din organism şi intră în constituţia unor enzime (ca parte proteică), a unor pigmenţi (cloroglobinele, hemoglobina). În funcţie de solubilitate, caracter chimic, proprietăţi biologice, proteinele globulare se diferenţiază astfel: Albuminele sunt caracterizate printr-o mare solubilitate în apă şi uşurinţa de a fi precipitate cu o soluţie saturată de electroliţi (sulfat de amoniu). Au masă moleculară mică şi caracter slab acid. Prin încălzire la 70 0C coagulează ireversibil. Deoarece albuminele sunt asociate cu globulinele, de care se separă pe baza diferenţei de solubilitate, ele se întâlnesc împreună în proteine. Albuminele sunt răspândite în toate organele plantelor, mai frecvent în seminţe. Cele mai cunoscute sunt: leucozina (în grâu, secară, ovăz), legumelina (în mazăre, linte, soia), ricinina (seminţe de ricin), faseolina (în fasole). Albuminele care conţin aminoacizi esenţiali au valoare nutritivă deosebită. Ele conţin aminoacizi cu sulf, dar puţin glicocol. Se cunosc şi albumine toxice, de exemplu: crotina din seminţele de Croton tiglium şi folina din ciupercile otrăvitoare, albumina din ricin, care au proprietatea de a aglutina globulele roşii. Albuminele sunt prezente şi în plasma sanguină (serumalbumina), lapte (lactalbumina), albuşul de ou (ovalbumina) etc. Globulinele formează împreună cu albuminele masa principală a protoplasmei celulare. Globulinele se găsesc ca substanţe de rezervă, alături de albumine mai ales în seminţe. Sunt insolubile sau greu solubile în apă şi solubile în soluţii diluate de săruri. Precipită uşor cu soluţie de sulfat de amoniu 50%. Prezenţa în structura lor a acidului aspartic şi glutamic le imprimă caracter acid. În regnul vegetal, 50% din totalul proteinelor îl constituie globulinele din seminţele de leguminoase şi oleaginoase, cu rol de substanţe de rezervă pentru aceste plante.
Din seminţele de legume au fost izolate: faseolina (din fasolea albă), glicina (din soia), legumina (din mazăre şi linte). În seminţele plantelor oleaginoase se găsesc: edestina (în cânepă), amandina (în migdale), corilina (în alune) etc. Globuline se mai întâlnesc în cartofi, spanac şi tomate. Dintre globulinele de origine animală mai importante sunt serumglobulina şi lactoglobulina. Prolaminele sau gliadinele se găsesc numai în regnul vegetal şi conţin cantităţi mari de prolină şi acid glutamic, care le imprimă caracter acid. Au valoare alimentară redusă, deoarece sunt sărace în triptofan şi lizină. Reprezentanţi ai prolaminelor sunt: zeina (din porumb), hordeina (din orz) şi avenina (din ovăz). Datorită conţinutului redus în triptofan şi lisină, folosirea porumbului ca aliment unic, conduce în organism la grave tulburări. Glutelinele sunt răspândite în seminţele cerealelor şi în părţile verzi ale plantelor. Sunt insolubile în apă şi în alcool, dar se dizolvă în soluţii diluate de baze sau de acizi. Glutelinele conţin acid glutamic şi prezintă caracter acid. Au valoare alimentară deosebită, jucând un rol important în procesul de panificaţie. Dintre gluteline sunt importante: glutenina (din seminţele de grâu) care alături de gliadină este componenta glutenului care conferă făinii proprietatea de a putea fi panificată (în lipsa glutenului pâinea nu creşte) şi orizenina (din boabele de orez). Histonele sunt răspândite preponderent în regnul animal şi mai puţin în regnul vegetal. Conţin cantităţi mari de arginină şi de histidină, aminoacizi care le imprimă caracter bazic. Proteine fibrilare (scleroproteine) Proteinele fibrilare (scleroproteine) au aspect filiform, fiind compuse din catene polipeptidice individuale lungi, sub formă de filamente, unite lateral prin legături încrucişate, formând o structură stabilă. Sunt insolubile în apă şi constituie substanţe de schelet şi de protecţie. Prezintă o mare rezistenţă la acţiunea hidrolizantă a factorilor chimici şi a enzimelor. Se găsesc preponderent în organismele animale şi sunt reprezentate prin: • colagene - în ţesutul conjunctiv, piele, tendoane, cartilagii, ligamente; • keratine - proteine constituente ale epidermei, părului, penelor şi formaţiilor cornoase (unghii, coarne, copite); • miosina - proteina din muşchi; • elastine - participante la structura fibrelor elastice din artere şi tendoane; • fibrinogenul - constituie 4% din proteinele plasmei sanguine cu rol esenţial în coagularea sângelui; • fibroina - proteina din mătasea produsă de viermii de mătase. În plante s-au identificat proteine fibrilare în stratul aleuronic al seminţelor.
Heteroproteide Heteroproteidele (proteide sau proteine conjugate) sunt poliprotide superioare care la hidroliză totală pun în libertate o componentă proteică şi o componentă neproteică (prostetică). Clasificarea heteroproteidelor se face în funcţie de natura grupării prostetice astfel: • glicoproteide (componenta prostetică este o glucidă); • lipidoproteide (componenta prostetică este o lipidă);
• fosfoproteide (componenta prostetică este acidul fosforic); • cromoproteide (componenta prostetică este un colorant); • metalproteide (componenta prostetică este un metal); • nucleoproteide (componenta prostetică este un acid nucleic). Metalproteide Metalproteidele sunt heteroproteide care au drept grupare prostetică un metal (Fe, Mg, Mn, Cu, Zn, Co etc.) legat covalent-coordinativ sub forma de chelaţi, care conferă proteinelor proprietăţi speciale, enzimatice, hormonale etc. Metalproteidele reprezintă forme de depozitare şi de transport ale diferitelor metale în organismele vii. Dintre metalproteidele cu fier (ferproteide) de o deosebită importanţă este ferredoxina, prezentă în cloroplaste cu rol important în procesele de oxido-reducere şi feritina, răspândită în ficat, în splină, care conţine 25% Fe trivalent legat de proteină şi care constituie rezerva de fier pentru hemoglobine şi hemenzime. Dintre metalproteidele cu cupru, cele mai importante sunt hemocianinele care reprezintă pigmenţii respiratori din sângele moluştelor şi artropodelor şi ceruloplastina implicată în transportul cuprului în sânge. Există şi metalproteide cu zinc întâlnite într-o serie de enzime, de exemplu, anhidraza carbonică, carboxipeptidaza, precum şi metalproteide cu mangan, magneziu şi vanadiu.
cis
cis
cis
S
S
S
Fe
Fe
Fe
proteina
Fe
S
S
S
cis
cis
cis
proteina
Modelul Blömstrom al ferredoxinei
Fosfoproteide
Fosfoproteidele sunt heteroproteide care au drept componentă prostetică acidul fosforic esterificat cu grupele -OH din hidroxiaminoacizi (serina, treonina). Restul fosforic este de obicei neutralizat şi se găseşte sub forma sării de K sau de Ca. Fosfoproteidele joacă un rol important în organismele tinere vegetale şi animale. Sunt răspândite în special în lapte şi ouă, sub formă de cazeină (45% din proteinele laptelui uman şi 80% din cele ale laptelui de vacă) şi ovovitelină (0,9% conţinutul de fosfor în gălbenuşul de ou). Cazeina nu coagulează la cald, (ceea ce permite fierberea laptelui), ci numai la pH acid, când este pus în libertate radicalul fosforic. R CO
C NH2
R
OH OH HO
P OH
hidroxiaminoacid
O
- H2 O
CO
OH
C
O
NH2
P
R O
OH
fosfoproteidă
O
Ca
CO
C NH2
O
P
O Ca
O
sarea de calciu a fosfoproteidei
Glicoproteide (mucoproteide)
Sunt heteroproteide care au drept grupare prostetică monoglucide (glucozamina, galactoza, xiloza, ramnoza, acizi uronici) şi poliglucide (acizi poliuronici). Se clasifică, în funcţie de raportul proteină/glucidă în: • glicoproteide propriu-zise, în care componenta de bază este proteina, iar componentele glucidice sunt sub 4%. Din această clasă fac parte albuminele din ou şi din ser şi unele globuline din ser care conţin glucide. • mucoproteide (mucoide), în care predomină glucidele (peste 4%). Sunt proteide caracteristice mediului animal, dintre care cele mai importante sunt: antigenele de grup sanguin, glicoproteidele cu rol hormonal, glicoproteidele din membranele celulare etc. Lipoproteide
Sunt heteroproteide care conţin drept grupare prostetică lipide (gliceride, cefaline, lecitine) şi acizi graşi. Sunt răspândite în organismele vii, animale şi vegetale, mai ales în ţesuturile cu activitate fiziologică intensă (nucleu, mitocondrii, cloroplaste). Complexele lipoproteice au caracter macromolecular şi intră în constituţia unor structuri subcelulare (membrane celulare, mitocondrii). Dintre cele mai importante fiziologic se pot aminti: lipoproteidele din lapte (cu rol energetic), lipoproteidele din ou (cu rol în dezvoltarea embrionului), lipoproteidele plasmatice şi membranare care asigură transportul substanţelor liposolubile (vitamine, hormoni, medicamente). În lipoproteidele din boabele de soia, componenta lipidică este legată de resturi de acid fosforic şi de arginina din proteidă. Uneori, lipoproteidele din făina de porumb, din soia şi din morcov sunt impurificate cu xantofile şi caroteni. Cromoproteide
Cromoproteidele sunt heteroproteide a căror grupare prostetică este o substanţă colorată (pigment). Sunt răspândite în toate organismele vegetale şi animale, unde îndeplinesc roluri complexe. Se clasifică în funcţie de gruparea prostetică şi de funcţia biologică pe care o îndeplinesc în două mari clase: cromoproteide porfirinice (cu structură tetrapirolică) şi cromoproteide neporfirinice. Cromoproteide porfirinice
Cromoproteidele porfirinice sunt cele mai răspândite dintre cromoproteide. Componenta prostetică este un inel porfirinic, format din patru nuclee pirolice, legate prin punţi metinice (=CH-). Structura porfirinică rezultă prin substituirea atomilor de hidrogen de la atomii de carbon din poziţiile 1-8, cu diferiţi radicali. Protoporfirina, componentă a hemoglobinelor, cea mai răspândită dintre cromoproteidele porfirinice, se caracterizează prin prezenţa următorilor radicali: • metil (CH3) la: C1, C3, C5, C8; • vinil (-CH=CH2) la: C2, C4; • propionil (-CH2 –CH2-COOH) la: C6, C7. În structura porfirinică pot exista şi metale, cum ar fi: Mg, Fe, Cu, Zn etc. Cromoproteidele se deosebesc între ele prin:
• natura componentei proteice; • natura radicalilor grefaţi pe nucleul porfirinic. Structura porfirinică reprezintă o grupare prostetică comună unei serii de heteroproteide cu funcţii biologice foarte importante, cum ar fi: cloroglobinele, hemoglobinele, citocromii, catalaza, peroxidaza, fitocromul etc. CH 2 1
A
B
NH 8
CH3
3
N N H pirol
CH2
4
H3C
CH N
HN N
NH
C
D
7
6
5
HN N
H3C
inel porfinic
CH2
CH3
CH2
CH2
CH2
CH2
COOH
COOH
protoporfirină
a) Cromoproteide porfirinice fără rol respirator Cloroplastinele (cloroglobinele) sunt cromoproteide prezente în toate celulele şi ţesuturile plantelor verzi. Sunt localizate în cloroplaste şi au drept componentă proteică globina plastina, şi ca grupare prostetică pigmentul clorofila, care imprimă culoarea verde ţesuturilor plantelor. Cele două componente (proteina şi gruparea prostetică) se separă uşor prin uscarea frunzelor şi extracţia pigmentului colorat cu eter sau alcool etilic. Cloroplastele celulare mai conţin în afară de clorofilă şi carotenoide, lipide, acizi nucleici, microelemente. Clorofilele, pigmenţii coloraţi ai frunzelor verzi, au o structură magnezio-porfirinică, în care atomul central magneziul este legat prin două legături covalente şi două legături coordinative de atomii de azot ai nucleelor pirolice. Clorofilele a şi b, au fost separate de savantul Ţvet (1906) de pigmenţii galbeni carotenoidici (carotina şi xantofila) care Ie însoţesc, prin metode cromatografice. Conţinutul în clorofile al frunzelor verzi este de 0,1-0,3%; în majoritatea plantelor, cele două clorofile se găsesc în raportul 3/1 în cloroplastele celulelor. Proporţia celor două clorofile variază de la o specie la alta şi de la un anotimp la altul. În plantele superioare se găsesc clorofila a şi clorofila b, iar în alge şi bacterii sunt răspândite şi clorofilele c şi d. Clorofila a este cel mai important pigment de pe planetă, deoarece este implicată în transformarea energiei luminoase în energie chimică. Clorofila a are o structură porfirinică, pe care sunt grefaţi: • patru radicali metil în poziţiile: C1, C3, C5, C8; • o grupă vinil la C2; • un radical etil la C4; • un rest de acid propionic la C6 legat într-un ciclu pentagonal exterior, de atomul de carbon de la gruparea metinică a nucleului pirolic, a cărei grupă carboxil este esterificată cu metanol; • un rest de acid propionic la C7, esterificat cu fitol (un alcool nesaturat cu catena
ramificată cu 20 de atomi de carbon). Prezenţa fitolului în moleculă conferă clorofilei un caracter amorf, ceros, care îngreunează separarea clorofilelor în stare pură. Saturarea dublei legături C=C din inelul D ca şi formarea noului ciclu legat de inelul C, conduce la apariţia în molecula clorofilelor a trei atomi de carbon asimetrici, care conferă moleculei activitate optică, clorofilele fiind puternic levogire. CH
CH2
CH
CH3
H3C
CH2 CH3 N
N
N
Mg
Mg N
CHO
H3C
CH2 CH3 N
CH2
N
N
H3C
N
H3C
CH3 H
CH3 H
H CH2
CH
C
CH2
COOCH3
H
O
CH2 HC CH2
COOC20H39
COOC20H39
clorofila b
CH3 CH
(CH2)3
O
COOCH3
clorofila a
H3C
C
CH
CH3 (CH2)3
CH
CH3 (CH2)3
C
CH
CH2
OH
H3C fitol
Clorofila b însoţeşte clorofila a, în raport de 3/1–5/1, diferind de la o specie la alta. Se diferenţiază structural de clorofila a, prin înlocuirea radicalului metil din poziţia C3 a inelului pirolic B cu gruparea formil (-CH=O). Nu poate transforma energia luminoasă în energie chimică ci doar o transferă clorofilei a. Clorofila c nu conţine radicalul fitil, iar clorofila d are un radical formil la C2. Bacterioclorofila din bacteriile verzi are în structură, la C2, un radical acetil (-CO-CH3), iar în inelul pirolic B o singură legătură dublă. Rolul de fotoreceptori le este conferit clorofilelor a şi b de structura polienică care absoarbe puternic în domeniul vizibil al spectrului. Acizii organici slabi (acid oxalic) produc scindarea magneziului din molecula clorofilelor, pe care le transformă în feofitine a şi b. Sub acţiunea acizilor concentraţi, se elimină atât Mg cât şi radicalul fitil, rezultând feoforbide a şi b. Această comportare explică de ce clorofila nu poate exista cu resturi acide libere, cele două grupe carboxil fiind esterificate cu metanol şi cu fitol. b) Cromoproteide porfirinice cu rol respirator Hemoglobinele (A, A2, A3, F) sunt cromoproteide cu structură feroporfirinică, de culoare roşie, prezente în sângele tuturor vertebratelor. Componenta proteică (96%), este o globină (asemănătoare histonei, cu caracter bazic), iar componenta neproteică (prostetică) este hemul (4%). În timp ce proteina globina diferă de la o hemoglobină la alta, imprimând hemoglobinelor
specificitatea, structura porfirinică a hemului este comună tuturor speciilor vertebratelor şi este întâlnită şi în: citocromi, peroxidaza, catalaza, fitocrom etc. Componenta proteică, globina este o proteină organ-specifică. Structura chimică a hemului este următoarea: CH
CH2
CH3
H3C
CH N
CH2
N Fe
N
N
H3C
CH3
CH2
CH2
CH2
CH2
COOH
COOH hem
Hemul are o structură identică cu a protoporfirinei, în centrul căreia se află ionul Fe2+ legat hexacoordinativ. Dintre cele şase legături coordinative pe care le stabileşte fierul, patru sunt legate (în acelaşi plan) de cele patru nuclee pirolice ale protoporfirinei, una este legată de proteina globina, iar ultima poate fixa molecula de apă, molecula de oxigen sau pe cea de dioxid de carbon. Molecula de apă legată coordinativ de fier în complexul chelatic, poate fi substituită cu O2, ceea ce explică rolul de transportor de oxigen, sau poate lega alte molecule, cu formare de compuşi nedisociabili. Hemoglobina se combina cu O2 (la presiunea din alveolele pulmonare) formând oxihemoglobina, compus disociabil la presiunea mai mică din capilarele tisulare. În aceleaşi condiţii, hemoglobina poate reacţiona reversibil cu CO2, (produs de biodegradare metabolică) cu formarea carbhemoglobinei, care este transportată spre locul unde CO2 poate fi înlocuit cu O2. Funcţia transportoare de O2 şi CO2 esenţială în respiraţie, încetează când hemoglobina reacţionează ireversibil cu CO cu formarea carboxihemoglobinei, nedisociabilă, care blochează funcţia hemoglobinei, producând asfixia (intoxicarea) organismului. Afinitatea hemoglobinei pentru CO este de aproximativ 210 ori mai mare decât afinitatea pentru O2, astfel încât în prezenţa CO în aerul respirat, hemoglobina nu mai leagă oxigenul ci monoxidul de carbon. De remarcat faptul că, în toate aceste transformări, cationul Fe2+ din structura feroporfirinică nu îşi modifică starea de oxidare.
N
N Fe2+
N
N
N
N
N O2
oxihemoglobina carboxihemoglobina
N
+O2 -O2
N Fe2+
N
N
CO2
N H2O
N
N Fe2+
N
N Fe2+
N CO2
hemoglobina
N
CO
carbhemoglobina
N
N CO
Leghemoglobina este o cromoproteidă de culoare roşie prezentă în nodozităţile rădăcinilor plantelor leguminoase, cu rol în activarea bacteriilor fixatoare de azot atmosferic. Componenta prostetică este reprezentată de o porfirină cu fier. Citocromii, răspândiţi în frunzele verzi ale plantelor, reprezintă o clasă de cromoproteide ferporfirinice, a căror componentă prostetică este asemănătoare hemului din hemoglobine. Se cunosc mai mulţi citocromi, dintre care cei mai importanţi sunt citocromii a, b, c, care intră în structura unor enzime (monooxigenaze) care conţin ca şi grupare prostetică hemul, legat coordinativ prin cationul Fe2+ de componenta proteică. Citocromii sunt implicaţi în fenomenele de oxido-reducere, prin transfer de electroni, datorită capacităţii cationului metalic de a trece reversibil de la forma Fe2+ la forma Fe3+. Citocromii joacă un rol deosebit în fenomenul respiraţiei tisulare. Fitocromul este o cromoproteidă cu structură tetrapirolică liniară, cu rol de fotoreceptor în toate reacţiile din plantele superioare. Indeplineste şi un rol regulator al creşterii şi dezvoltării plantelor, (începând cu germinarea şi terminând cu înflorirea), intervine în sinteza pigmenţilor vegetali antocianici, în biosinteza unor enzime, biosinteza fitohormonilor gibereline, precum şi în procesele de reglare hormonală a metabolismului plantelor. PROTEINA
O OOC C
PROTEINA
O
O OOC C
O
O
N H
N H
N
N H
O
O PROTEINA
O
N
N H
N
N H
O
Cromoproteide neporfirinice Flavinenzimele sunt cromoproteide care nu conţin în moleculă, drept componentă prostetică nucleul porfirinic, ci un compus din clasa flavinelor, care îndeplineşte în organism rol enzimatic. Carotenoproteidele au componenta prostetică din clasa carotenoidelor. Din această clasă fac parte pigmenţii vizuali, cu rol important în procesul vederii. Nucleoproteide
Nucleoproteidele sunt cele mai importante şi complexe heteroproteide, în care componentă prostetică sunt acizi nucleici, iar partea proteică este reprezentată de proteine cu caracter bazic din clasa histonelor şi protaminelor. Nucleoproteidele au un rol esenţial în activitatea vitală a organismelor, deoarece sunt constituente ale tuturor celulelor (îndeosebi ale nucleelor celulelor animale şi vegetale), localizate cu precădere în zonele organismului care reprezintă sediul de multiplicare a celulelor, de sinteză a proteinelor. Nucleoproteidele intră şi în constituţia bacteriilor, iar virusurile filtrante sunt acizi nucleici aproape puri. Deşi sunt componente esenţiale ale nucleelor celulare, nucleoproteidele apar în cantităţi mici şi în sucuri sau în secreţii ale organismelor animale şi vegetale. În ţesuturile vegetale se găsesc deseori asociate cu lipide. Nucleoproteidele sunt prezente în citoplasmă şi în ribozomi, având rol în diviziunea celulară şi în sinteza proteidelor. Studiul acestor compuşi biochimici cu rol deosebit de important în organismele vii, impune
Componenta proteică
elucidarea structurii şi a proprietăţilor celor două componente: componenta proteică şi componenta prostetică (acizii nucleici). Dintre holoproteide mai frecvente sunt: protaminele, histonele, albuminele şi globulinele. Prin hidroliză totală, din componenta proteică vor rezulta aminoacizi, iar din componenta prostetică acizi nucleici (polinucleotide macromoleculare) vor rezulta, într-o primă etapă mononucleotide, apoi acid fosferic şi nucleozide care se scindează în acid fosforic, componente glucidice (pentoze) şi baze azotate (purinice şi pirimidinice). Nucleoproteide Componenta prostetică = acizi nucleici (polinucleotide) Mononucleotide Nucleozide Componente glucidice Baze azotate Pirimidinice purinice deoxiriboza riboza citozina uracil timina adenina guanina
H3PO4
Acizii nucleici (polinucleotide macromoleculare) Compoziţia şi structura acizilor nucleici. Acizii nucleici se caracterizează printr-un conţinut de aproximativ 15% azot şi prin procentul ridicat de acid fosforic (10%). Structura acizilor nucleici este complexă, macromoleculară, a cărei unitate structurală de bază este o mononucleotidă. Acizii nucleici sunt deci polimeri ai mononucleotidelor (polinucleotide). Mononucleotidele se pot scinda la hidroliză, cu eliberare de acid fosforic şi nucleozide, care sunt constituite dintr-o pentoză şi o bază azotată. Componentele acizilor nucleici a) Componentele glucidice ale acizilor nucleici sunt pentozele deoxiriboza şi riboza: H C O H C H
CH2OH
H C OH H C OH H2C OH
H
H
OH
H
H
H C O H C OH
H
CH2OH
H C OH H C OH H2C OH
deoxiriboza
OH
O
OH
O
H
H
OH
OH
H
H
riboza
După natura chimică a componentei glucidice nucleoproteidele se clasifică în: • deoxiribonucleoproteide (localizate în nucleul celulelor, cromozomi, mitocondrii); • ribonucleoproteide (răspândite în citoplasma celulară, ribozomi, nucleul celular).
b) Componentele baze azotate din structura acizilor nucleici sunt compuşi heterociclici derivaţi de la purină şi pirimidină, pe al căror nucleu sunt grefate grupe funcţionale: -NH2 şi OH. În clasa derivaţilor hidroxilici şi aminici ai pirimidinei este posibilă tautomeria lactam-
lactimică: • pentru derivaţi aminici:
H2N C N
HN C NH
• pentru derivaţi hidroxilici: O C NH
HO C N
În condiţiile de pH fiziologic, este favorizată în cazul hidroxipirimidinelor forma lactamică (O=C-NH-), iar în cazul aminopirimidinelor forma lactimică (N=C-OH). Grupele –NH2, respectiv –NH-, imprimă caracter bazic; grupele –OH imprimă caracter acid, ceea ce explică posibilitatea de a forma săruri prin înlocuirea atomului de hidrogen cu atomi de metale. Bazele azotate pirimidinice întâlnite frecvent în structura acizlior nucleici sunt: citozina, uracilul şi timina. Ele pot fi reprezentate prin următoarele forme izomere: NH2
NH2
NH
N
N
HN
citozina
N H
O
O
OH CH3
HN
N
N
HO
N H
O
OH CH3
N
CH3
N
timina
N H
O
N nucleu pirimidinic
N H
O
O
OH
OH
HN
N
HO
N
N
uracil
O
N H
O
N H
HO
N
Caracteristic celor trei baze azotate pirimidinice este faptul că la structura acizilor dezoxiribonucleici (ADN) participă citozina (C) şi timina (T), iar în structura acizilor ribonucleici (ARN) participă citozina şi uracilul (U), respectiv, în ARN uracilul înlocuieşte timina. Pe lângă bazele pirimidinice constituente universale ale ARN şi ADN, s-au identificat şi alte baze pirimidinice ocazionale: 5-metil-citozina în germenii de grâu şi în anumite bacterii, 5hidroximetil-citozina şi 5-hidroximetil-uracilul în acizii nucleici ai unor bacteriofagi. Bazele purinice care participă la structura acizilor nucleici sunt adenina (6-aminopurina) şi guanina (2-amino-6-hidroxipurina). Şi în cazul bazelor azotate purinice, tautomerii întâlniţi în acizii nucleici sunt cei în care atomul de oxigen se află sub formă cetonică, iar cel de azot sub formă amidică.
NH2 N
N
N
N
N H
N
OH
N H
N
nucleu purinic
N
N H2N
N H
N
adenina
guanina
În ADN-ul unor bacteriofagi a fost identificată şi 6-metil-amino-purina. Deoarece forma lactamică este predominantă la formarea de nucleotide, bazele azotate stabilesc legături covalente de tip N-glicozidic cu hidroxilul semiacetalic de la C1 al deoxiribozei sau ribozei. Acidul fosforic (H3PO4) esterifică componenta glucidică imprimând caracter acid mononucleotidelor şi acizilor nucleici. El contribuie la formarea macromoleculelor polinucleotidice ale acizilor fosforici prin legăturile fosfodiesterice pe care le formează, în urma reacţiei cu grupele –OH ale componentei glucidice de la două mononucleotide vecine. Esterificarea poate avea loc în poziţia 5’, 3’ sau 2’ din molecula ribozei sau în poziţia 5’ şi 3’ din molecula deoxiribozei. mononucleotida 1 mononucleotida 1 OH P OH
O
OH
O
O
OH + H O P OH + HO
HO
CH2
O P
- 2 H2O
HO
O
CH2 O
mononucleotida 2
mononucleotida 2
A. Nucleozide
Nucleozidele sunt componente structurale ale mononucleotidelor, constituite din componenta glucidică şi o bază azotată. Din punct de vedere structural, nucleozidele sunt Nglicozide, rezultate în urma reacţiei de condensare dintre atomul de hidrogen legat de atomul de azot al bazei azotate (N3 de la bazele pirimidinice şi N9 de la bazele purinice) şi hidroxilul – OH glicozidic de la C1, aflat în poziţia β a glucidei.
N NH2 N
NH2 N
N 3
O
N
O
OH
CH2OH
O
H OH
9
N
H citozină azotată
CH2OH
N H
adenină
glucidă
baza
Nucleozidele sunt compuşi intermediari rezultaţi la hidroliza acizilor nucleici şi se pot clasifica în nucleozide pirimidinice şi nucleozide purinice. Tinând seama şi de componenta
glucidică, se deosebesc: pirimidindeoxiribozide, pirimidinribozide, purindeoxiribozide şi purinribozide. Pentru formarea numelui nucleozidelor se utilizează terminaţia “idină” pentru nucleozide care conţin ca bază azotată o bază pirimidinică: citozina → citidina; timina → timidina; uracilul → uridina. Pentru nucleozidele care conţin o bază azotată purinică se utilizează terminaţia “ozină”: adenina → adenozina; guanina → guanozina. Deoxiribozidele atasează la denumire prefixul “deoxi” sau “d”: deoxicitidina, deoxiuridina, deoxitimidina, deoxiadenozina, deoxiguanozina. O
NH2
O CH3
HN
N
citozina N
O
CH2OH
CH2OH
O
H
H
H
CH2OH
N H
H
OH
OH
O O
H H
HN
uracil
citidina
O
H
H
OH
OH
OH
H
uridina
timidina
OH
NH2 N
N
N
N
adenina CH2OH
N
H
H OH
O
timina
N O
H
H
OH
OH
H
H
adenozina
N
guanina CH2OH
N O
H
H
OH
OH
H
N
NH2
H
guanozina
Nucleozidele se găsesc în natură şi în afara acizilor nucleici: guanozina în plantele tinere, adenozina în compoziţia unor coenzime (Co-dehidrogenaza, Co-fosforilaza, Co-fosforilaza, Coenzima A) iar uridina este componentă a coenzimei uridindifosfatglucoza (UDPG). B. Nucleotide
Nucleotidele sunt unităţile monomere, structurale ale acizilor nucleici (polinucleotide macromoleculare). Părţile componente ale mononucleotidelor sunt unite prin două tipuri de legături: • N-glicozidică - între pentoză şi atomul de azot din poziţia 3 sau 9 de la bazele azotate. • Tip ester, rezultate prin condensarea uneia dintre grupele –OH cu caracter acid de la acidul fosforic cu una dintre grupele –OH de la C3’ sau C5’ ale deoxiribozei, respectiv, C2’, C3’ sau C5’ ale ribozei. În structura organismelor vii sunt predominante nucleotidele care posedă radicalul fosforic în poziţia C5’. Din punct de vedere chimic, mononucleotidele sunt esteri mono-, di-, trifosforici ai nucleozidelor. În funcţie de componenta glucidică şi de baza azotată, se deosebesc ribonucleotide şi dezoxiribonucleotide (pirimidinice şi purinice).
Denumirea nucleotidelor se formează utilizând sufixul “ilic” ataşat numelui derivat de la baza azotată şi prefixul “acid” (care semnifică prezenţa restului de acid fosforic în moleculă). Un alt mod de denumire este cel care ataşează prefixului “acid” la numele nucleozidului şi indică numărul şi poziţia grupei (grupelor) fosforice legate de componenta glucidică (acid adenozin-5’trifosforic, acid citidin-3’-monofosforic etc.). NH2
NH2
NH2
N
N
N
O HO
P
O
O H
OH
CH2OH
N
O
CH2
H
H
N
H
H
OP
OH
H
H
CH2OH
acid citidin 5'-monofosforic acid citidilic
O
O
N
H
H
OH
OP
H
H
OH
OH
O O
acid citidin 3'-monofosforic acid citidilic
H
acid citidin 2'-monofosforic acid citidilic NH2
N O HO
P
O
~
O
OH
P
O
~
O
P
O
OH
OH
N
O
CH2
O H
H
OH
OH
H
H
acidul citidin 5'-trifosforic acid citidilic
Similar cu acizii citidilici, se denumesc acizii uridilici, acizii timidilici ca şi acizii adenilici şi guanilici, atât ca acizi monofosforici, cât şi ca produşi macroergici. NH2 N N
O HO
P
O
CH2
OH
NH2 N
N N HO
O H
H
OH
OH
H
N
O P
O
CH2
OH H
acid adenozin 5'-monofosforic acid adenilic
N N
O H
H
OH
H
H
H
acid deoxiadenozin 5'-monofosforic acid deoxiadenilic
NH2 N O HO
P OH
O
~
N O
P
N
O
~
OH
O
P
O
CH2
OH
N
O H
H
OH
OH
H
H
acid adenozin 5'-trifosforic acid adenilic
În afara de monofosfonucleozide sunt importante pentru metabolism şi difosfonucleozidele, rezultate din monofosfonucleozide prin condensarea unei grupe -OH libere a restului fosforic din ester cu o grupa -OH din altă moleculă de acid fosforic şi respectiv trifosfonucleozidele, rezultate din fosfodinucleozide prin mecanism analog, cu a treia moleculă de acid fosforic. Trebuie remarcat faptul că, a doua şi a treia legătură esterică sunt, spre deosebire de prima legătură (realizată între –OH glucidic şi prima moleculă de acid fosforic), legături chimice de tip anhidric, cu un conţinut mai ridicat de energie decât prima legătură esterică. Ele au fost denumite legături macroergice şi sunt simbolizate prin semnul “~” (Lipmann), spre a le deosebi de legăturile covalente obişnuite. La scindarea unei legături macroergice P~O~P se eliberează aproximativ 7000 cal/mol, comparativ cu aprox. 2000-3000 cal/mol în cazul legăturilor covalente obişnuite de tip baza azotată-O-P. De aceea, difosfonucleotidele şi trifosfonucleotidele prin formarea şi scindarea lor, joacă rolul unor acumulatori de energie chimică în organism, şi fac parte din clasa aşa-numitelor “substanţe (molecule) macroergice”. Importanţa biochimică a nucleotidelor Acidul citidilic a fost obţinut prin hidroliza acizilor nucleici din drojdii şi din germenii de grâu. Acidul uridilic este componentă a multor coenzime şi a fost separat prin hidroliza acizilor nucleici din drojdii şi germeni de porumb. Acidul adenilic (AMP) se găseşte în drojdia de bere, iar acidul guanilic intră în structura ARN din organismele vegetale şi animale. Hidroliza nucleotidelor în prezenţa enzimei 5’-nucleotidaza conduce la eliberarea acidului fosforic şi a unei cantităţi de energie corespunzătoare fiecărei legături macroergice, cu păstrarea legăturii N-glicozidice dintre baza azotată şi componenta glucidică. Unele difosfonucleotide acţionează drept coenzime, activând unele glucide participante la biosinteza diglucidelor şi poliglucidelor. De exemplu: • Adenozinmonofosfatul (AMP) este componentă a coenzimei NAD (nicotinamidadenindinucleotida) împreună cu nicotinamidnucleotida. • Nucleotida UTP (uridintrifosfatul) activează glucoza în vederea biosintezei diglucidelor maltoza şi zaharoza. • Acidul cidintrifosforic (CTP) activează bazele azotate participante la biosinteza lipidelor complexe. • ATP (acidul adenozintrifosforic) este unul dintre cei mai importanţi compuşi macroergici, care eliberează la hidroliză o mare cantitate de energie, necesară bunei desfăşurări a proceselor metabolice. Refacerea ATP este un proces endergonic, care se realizează cu aport de energie.
Energetica sistemului ATP → ADP + Pi implică două aspecte fundamentale: a) conservarea energiei chimice rezultate din metabolism prin formarea ATP din ADP şi fosfat anorganic (Pi): ADP + Pi → ATP
b) eliberarea şi utilizarea energiei chimice stocate în ATP pentru nevoile biologice ale organismului (procese chimice, electrice, osmotice, mecanice). ATP → ADP + Pi Sistemul ATP ↔ ADP + Pi poate fi considerat purtătorul material al mesajului energetic specific organismelor vii. Acidul adenozintrifosforic (ATP) reprezintă forma de captare şi utilizare treptată, controlată a energiei solare, acumulată sub forma legăturilor macroergice. C. Acizii nucleici
Acizii nucleici sunt biomolecule cu caracter informaţional, având rolul de a stoca şi transmite informaţia genetică. Acizii nucleici sunt componente importante ale tuturor celulelor, reprezentând aproximativ 15% din conţinutul în substanţă uscată a acestora. Din punct de vedere chimic, acizii nucleici sunt polinucleotide macromoleculare, respectiv, acizii ADN (DNA) sunt polideoxiribonucleotide, iar acizii ARN (RNA) sunt poliribonucleotide. Structura acizilor nucleici se aseamănă mult cu structura proteinelor datorită naturii macromoleculare. Spre deosebire de proteine, unde unitatea structurală o reprezintă aminoacizii uniţi prin legături peptidice, la acizii nucleici unitatea structurală este reprezentată de cele cinci tipuri de mononucleotide: acizii citidilic, uridilic, timidilic, adenilic, guanilic, unite prin legături fosfodiesterice, stabilite între o grupă -OH din poziţia C3 a deoxiribozei (în ADN sau ribozei în ARN) dintr-o mononucleotidă şi grupa -OH din poziţia C5’ a ribozei sau deoxiribozei dintr-o mononucleotidă învecinată. Secvenţa mononucleotidelor în lanţul polipeptidic este de o deosebită însemnătate, fiind suficiente (ca şi în cazul proteinelor), diferenţieri extrem de mici pentru a individualiza un anumit acid nucleic, cu caracteristici biologice diferenţiate. Deşi numărul bazelor azotate care participă la structura acizilor nucleici este de numai patru (A, C, T, G pentru ADN şi A, C, G, U pentru ARN), variaţia secvenţei celor patru mononucleotide (două pirimidinice şi două purinice) în macromolecula acizilor nucleici oferă suficiente posibilităţi de diferenţiere structurală pentru a asigura existenţa numeroşilor acizi nucleici prezenţi în natură, specifici fiecărei specii biologice. De exemplu, o catenă formată din 2500 de mononucleotide poate prezenta teoretic 101500 de izomeri care diferă prin secvenţa mononucleotidelor în macromolecula acidului nucleic respectiv. Acizii nucleici prezintă în moleculă: • o parte constantă, nespecifică (comună tuturor mononucleotidelor şi catenei polinucleotidice), reprezentată prin componenta glucidică şi legătura fosfodiesterică; • o parte variabilă, specifică, reprezentată prin bazele azotate (pirimidinice şi purinice) componente ale unităţilor structurale mononucleotidice. În Tabelul 4.1 sunt redate principalele deosebiri structurale şi funcţionale dintre acizii ADN şi ARN.
Tabelul 4.1. Elemente structurale ale acizilor nucleici ADN şi ARN Elemente de structură Acizii ADN Componenta glucidică Deoxiriboza Bazele azotate a) pirimidinice a) citozina şi timina b) purinice b) adenina şi guanina Masa moleculară 106
Structura generală a macromoleculei
Structură primară, secundară, terţiară
Funcţia biochimică
Sediul mesajului genetic
Acizii ARN Riboza a) citozina şi uracilul b) adenina şi guanina 3,5 ⋅ 104 rARN 25 ⋅ 106 mARN 20-30 ⋅ 103 tARN rARN - monocatenară, pliată mARN - monocatenară, liniară tARN - monocatenară, parţial elicoidală rARN - sediul sintezei proteinelor mARN - transmiterea mesajului ARN pe ribozomi tARN - transferul specific individual al aminoacizilor
Structura chimică a acizilor nucleici ADN
Acizii deoxiribonucleici sunt polinucleotide macromoleculare, constituente ale nucleului celular, reprezentând materialul genetic al cromozomilor. ADN extracelular a fost identificat în cantităţi mici în cloroplaste şi în mitocondrii. Nucleele celulelor animale conţin în jur de 2 mg ADN/gram de ţesut proaspăt, ceea ce revine la 4-8 ⋅ 10−12 g ADN/nucleu. Aceste valori sunt constante pentru fiecare tip de celulă şi sunt practic independente de starea fiziologică a animalului. Celulele bacteriene şi virusurile conţin cantităţi mult mai mici de ADN, de ordinul a 4 ⋅ 10−15 g, respectiv 2 ⋅ 10−18 g. Conţinutul în ADN al nucleelor celulelor este cu atât mai ridicat cu cât specia este mai evoluată filogenetic. • Structura primară a acizilor nucleici ADN Molecula acizilor deoxiribonucleici este un polimer liniar alcătuit din sute de mii, uneori milioane de mononucleotide, a căror secvenţă este caracteristică fiecărei specii, legate esteric prin intermediul acidului fosforic care esterifică grupările hidroxil din poziţiile C3’ şi C5’. Structura primară a acizilor ADN se referă la natura, proporţia şi secvenţa bazelor azotate constituente ale macromoleculei de ADN, respectiv succesiunea celor patru mononucleotide principale unite prin legături fosfodiesterice: dCMP ......................... dTMP ......................... dAMP .......................... dGMP deoxicitidinmonofosfat deoxitimidinmonofosfat deoxiadenozinmonofosfat deoxiguanozinmonofosfat
Cele patru mononucleotide constituente se găsesc în cantităţi şi proporţii care diferă în funcţie de specia de la care provin şi care nu se modifică de-a lungul vieţii unui individ. Dispunerea bazelor azotate în mononucleotide, într-o anumită secvenţă şi proporţie proprie fiecărui tip de acid ADN (evidenţiată de Chargaff), determină manifestarea anumitor particularităţi structurale şi funcţionale ale organismului (informaţia genetică). Datorită masei moleculare mari, macromoleculele de ADN conţin o cantitate uriaşă de informaţie genetică, în timp ce secvenţa diferită a mononucleotidelor constituente (respectiv a bazelor azotate) conduce la o impresionantă diversitate structurală a acizilor nucleici, ceea ce explică marea variabilitate genetică existentă în natură. Aranjarea bazelor azotate într-o anumită secvenţă proprie fiecărui tip de acid ADN
determină particularităţi structurale şi funcţionale. Astfel, un acid ADN care prezintă în structură secvenţe de mononucleotide bogate în guanină şi citozină, are o stabilitate mai mare comparativ cu un ADN în care predomină secvenţe de mononucleotide care conţin bazele azotate adenină şi timină. Această comportare se datorează numărului diferit de legături de hidrogen care se stabilesc între perechile de baze azotate complementare, în structura secundară a acizilor nucleici, respectiv câte trei legături de hidrogen între guanină şi citozină şi câte două între adenină şi timină. Succesiunea mononucleotidelor, cu bazele azotate corespunzătoare, în lanţul polinucleotidic al ADN este determinată ereditar, conferă acizilor nucleici ADN caracter de biomacromoleculă informaţională şi asigură exprimarea, păstrarea şi transmiterea caracterelor ereditare la urmaşi. În figura 4.1 este redată structura primară a acizilor nucleici ADN: CH2OH
Adenina
O
H
H
O
H
H O
H
P HO
O
Guanina
CH2
O
H
H
H
H
H
O O P HO O
Citozina
CH2
O
H
H
H H
O O P HO O
H
Timina
CH2 H
O H
H O O P HO O
H
H
Fig. 4.1. Structura primară a acizilor nucleici ADN
• Structura secundară a acizilor nucleici ADN
Structura secundară (nivelul secundar de organizare) a acizilor ADN se referă la dispunerea spaţială, tridimensională a macromoleculelor de ADN. Watson şi Crick (1953) au elaborat aşa-numitul model al dublei spirale, sau structură plectonemică (plectos = împletit, nema = fir), rezultată prin răsucirea unei perechi de catene polipeptidice (cu o anumită structură primară) sub forma unei spirale duble, în jurul unui ax comun imaginar, de la stânga la dreapta.
Această structură are forma unei scări în spirală, la care cele două părţi laterale sunt reprezentate de legăturile fosfodiesterice, iar treptele scării de legăturile de hidrogen care se stabilesc întotdeauna între aceleaşi perechi de baze azotate complementare: adenina- timina (legate prin două legături de hidrogen) şi guanina-citozina (legate prin trei legături de hidrogen). HNH
O H3C
NH N H
O
N
N N
O
NHH
N H
timina - adenina
N H
N
HN
N O
HHN
N
N H
citozina - guanina
Această regulă a complementarităţii, formulată de Watson şi Crick, condiţionează ca secvenţa bazelor azotate dintr-o catenă polinucleotidică să determine secvenţa bazelor azotate din cealaltă catenă polinucleotidică. Din punct de vedere structural, o bază azotată dintr-o catenă polinucleotidică trebuie să fie purinică, iar cealaltă bază, din catena polinucleotidică paralelă, pirimidinică. Datorită perechilor de baze azotate complementare, fiecare dintre catene este replica complementară a celeilalte, ceea ce asigură transmiterea informaţiei genetice nealterate de-a lungul generaţiilor. Complementaritatea bazelor azotate face ca raportul dintre bazele purinice si pirimidinice să fie egal A = T; G = C, respectiv, suma bazelor azotate purinice şi suma bazelor azotate pirimidinice să fie egală: A + G = C + T, respectiv A + G/C + T = 1. Acest raport, denumit raport de disimetrie este variabil în general, dar constant în cadrul aceleiaşi specii, indiferent de organ şi este utilizat pentru a caracteriza ADN. Cele două catene polinucleotidice au o dispoziţie antiparalelă, legăturile fosfodiesterice având într-o catenă sensul C3’-O-P-O-C5’, iar în cealaltă C5’-O-P-O-C3’ (Fig. 4.2). Orientarea bazelor azotate spre interiorul structurii dublei spirale, conferă structurii tridimensionale a acizilor ADN stabilitate fizico-chimică, care are drept consecinţă stabilitatea remarcabilă a informaţiei genetice, respectiv stabilitatea diferitelor specii şi organisme vegetale şi animale. Stabilitatea structurii spaţiale a acizilor ADN este asigurată şi prin posibilitatea formării de legături ionice între polianionul macromolecular (format prin disocierea grupelor OH din radicalul fosforic) şi proteinele bazice (histone), sau alţi cationi, cum ar fi Mg2+, ca şi prin formarea de legături intermoleculare (van der Waals, hidrofobe etc.). În cazul denaturărilor reversibile (produse de temperatură, scăderea pH-ului) structura secundară este dezorganizată, ca urmare a desfacerii legăturilor de hidrogen dintre bazele azotate. Revenirea la condiţiile iniţiale conduce la refacerea legăturilor de hidrogen şi deci la reîmperecherea lanţurilor polipeptidice. În cazul denaturărilor ireversibile (sub influenţa unui agent fizic sau chimic) se produce modificarea secvenţei mononucleotidelor sau chiar a raportului A + T/G + C, ceea ce determină apariţia unor caractere noi pentru specie sau individ (mutaţii genetice). • Structura terţiară a acizilor nucleici ADN Structura terţiară a acizilor ADN reprezintă modul de aranjare a macromoleculelor în cromozomi. Este o structură pliată şi răsucită în mod specific, în care legăturile de hidrogen au de asemenea un rol important, astfel încât, într-un cromozom să poată fi cuprinsă o cantitate cât mai mare de acid nucleic ADN.
O O
H NH N P
O CH2
A
OH
N
O
H
T N
H
H
O
H
H
H
O
H H NH
H
O
N
O
P
O
H
N
O
H
H
O
H
H
P
NH H
N
O
H
H O O
O N
H
O
N
H
N
HN
OH CH2 P
O
HN H
N
N
O
O
H H
H
C
CH2 OH
O
H
N
NH G
OH
CH2
P O
N
O
P
OH CH2
HNH
O
H
O
O
H
O
H
H
O
O
N
P O
HN
N
O
O CH3 H H
O
H
H O O
OH CH2 P
O
O
O
OH
Fig. 4.2. Structura secundară a acizilor nucleici ADN
Acizii ribonucleici ARN
Acizii nucleici ARN (acizii ribonucleici) sunt poliribonucleotide macromoleculare, localizate în protoplasmă. Structura primară a acizilor ARN este asemănătoare structurii primare a acizilor ADN fiind constituită dintr-un singur lanţ polinucleotidic. Deosebirea esenţială dintre ARN şi ADN, este structura primară a acestora, în care deoxiriboza (din ADN) este înlocuită cu riboza (în ARN), iar timina este substituită de uracil. Spre deosebire de ADN, în ARN legăturile fosfodiesterice sunt posibile şi la C2’, ca urmare a existenţei unei grupe -OH şi în această poziţie. Ca şi în cazul acizilor nucleici ADN, succesiunea diferită a mononucleotidelor constituente şi proporţia molară a bazelor azotate, conferă marea varietate de compoziţii chimice ale acizilor ARN. AMP …….....……. GMP …….....……. CMP …….....……. UMP adenozinmonofosfat
guanozinmonofosfat citidinmonofosfat uridinmonofosfat
În figura 4.3 este redată structura primară a acizilor nucleici ARN. Structura secundară a acizilor ARN este reprezentată de un lanţ polinucleotidic care, pe anumite porţiuni, prezintă structură dublu spiralată, ca rezultat al plierii lanţului monocatenar şi formării legăturilor de hidrogen între bazele azotate complementare (citozină-guanină şi adenină-uracil). Stabilitatea crescută conferită macromoleculeleor de ARN datorită formării porţiunilor dublu spiralate, este determinată de pH-ul soluţiei, de forţa ionică şi de temperatură. Deoarece în structura ARN, catena macromoleculară pereche lipseşte, raporturile bazelor azotate complementare (A/U şi C/G) nu vor mai fi egale cu unitatea ca în cazul ADN. Acizii nucleici ARN se clasifică după valorile maselor moleculare, structura chimică, funcţia biologică şi rolul lor în biosinteza proteinelor în trei clase: • acizi ribonucleici mesageri, matriciali sau informaţionali (mARN, iARN); • acizi ribonucleici de transport sau solubili (tARN, sARN); • acizi ribonucleici ribozomali (rARN). NH2 N
N
N HO
N O
O H O
H
H
O
H OH
P
N
NH
N
O-
O O
NH2
O H O
H
H
O
H OH
P
NH2
N
N N
O-
O O
O O
O H O
H
H
O
H OH
P
NH N
O-
O O
O H O
H
H
O
H OH
P
O-
OFig. 4.3. Structura primară a acizilor nucleici ARN
O
a) Acizii ribonucleici mesageri, matriciali sau informaţionali
Acizii mARN reprezintă o fracţiune mică (3-5%) din cantitatea totală de acizi ARN din celule. Au mase moleculare de ordinul a 20 000-300 000. Secvenţa bazelor azotate din structura polipeptidică monocatenară, liniară, a acizilor mARN este complementară cu cea a bazelor azotate din acizii ADN care au servit drept matriţă la formarea acizilor mARN. Pe baza respectării regulii complementarităţii se realizează transcrierea (transcripţia) mesajului genetic de pe ADN pe mARN. Acesta, la rândul sau, ca purtător al mesajului genetic (al informaţiei) din nucleu la suprafaţa ribozomilor (în citoplasmă), unde are loc biosinteza proteinelor, serveşte ca matriţă în procesul de biosinteză a proteinelor, determinând secvenţa aminoacizilor în lanţul polipeptidic. Într-un cromozom sunt mii de gene diferite. O moleculă de mARN este codificată pentru o singură genă (sau în procariote, pentru un mic grup de gene). De aceea, se formează în celule un mare număr de molecule de mARN diferite, puţin stabile, cu viaţa de la câteva minute (2 minute în bacterii) până la 20 de minute sau ore, în eucariote. Destrucţia mARN reprezintă cauza principală a încetinirii sintezei proteinelor. Odată îndeplinit rolul esenţial, de participant activ la biosinteza macromoleculelor proteice, mARN dispare printr-o reacţie de hidroliză, urmând a fi resintetizat. b) Acizii nucleici de transport sau solubili (tARN)
Cele mai mici molecule de ARN (cu cele mai mici grade de polimerizare) sunt reprezentate de acizii nucleici de transport sau solubili (tARN). Sunt localizaţi în citoplasmă, reprezentând 10-15% din cantitatea totală de acizi ARN şi au dimensiuni mici (73-93 de nucleotide) şi masa moleculară de ordinul 25 000-30 000. Rolul de bază al tARN este transportul specific al aminoacizilor la ribozomi şi identificarea codonului complementar de pe ARN, prin intermediul anticodonului, proces în urma căruia este poziţionat aminoacidul în catena polipeptidică. Fiecare acid tARN poate forma cu aminoacizii complexe aminoacid-tARN. Deoarece numărul speciilor de tARN (cca. 60) este mai mare decât numărul aminoacizilor proteinogeni (20), rezultă mai multe specii de acizi tARN (câte 2-3) pentru fiecare aminoacid. Astfel moleculele de tARN, având posibilitatea de a se combina specific cu diferiţi aminoacizi, sunt implicaţi în traducerea (translaţia) şi îndeplinirea mesajului genetic, respectiv alegerea şi includerea aminoacizilor în catena polipeptidică, în ordinea dictată de mARN. Acizii tARN au o structură monocatenară, parţial dublu elicoidală. Caracteristic este faptul că, deşi speciile de tARN diferă prin secvenţa bazelor azotate, toate conţin la capătul C5’ terminal al catenei polinucleotidice restul nucleotidic GMP (guanozin monofosfat), iar la capătul C3’ (la grpa -OH) al catenei polipeptidice, o aceeaşi secvenţă de trinucleotide: CCA (acid citidilic, acid citidilic, acid adenilic), după cum este ilustrat în figura 4.4. La această trinucleotidă terminală, se leagă fiecare aminoacid care urmează să fie transferat la nivelul ribozomilor, prin reacţia de esterificare a grupei carboxil (-COOH) a aminoacidului cu grupa hidroxil liberă (-OH) de la C3’ al acidului adenilic terminal din secvenţa CCA. Se formează astfel complexul aminoacil-tARN, care este transferat enzimatic la capătul catenei polipeptidice în curs de formare, de la suprafaţa ribozomilor.
Fig. 4.4. Structura spaţială tip „frunză de trifoi” a tARN
Locul de introducere a fiecărui aminoacid în catena macromoleculară, este dictat de anticodonul tARN (format din trei nucleotide) care recunoaşte un anumit codon mARN fixat pe ribozomi (format din trei nucleotide cu baze azotate complementare celor din anticodon). Diferitele tipuri de tARN se diferenţiază prin anticodon. Structura spaţială a tARN, care corespunde proprietăţilor şi funcţiilor sale, este cea “lobată”, tip “frunză de trifoi” (vezi figura 4.4). Acidul nucleic ARN are o structură parţial bicatenară, formată prin plierea în formă de ac de păr a unei catene macromoleculare şi formarea legăturilor de hidrogen între bazele azotate. Capătul C3’ terminal este monocatenar şi este situsul de legare a aminoacidului. Primul lob participă la legarea de enzimă a aminoacidului activat sub forma complexului AMP-aminoacid. Acest lob conţine 7 nucleotide nepereche şi constituie situsul de recunoaştere ribozomal, care asigură legarea tARN încărcat cu aminoacizi de ribozomi. Semnificaţia lobului II, cu dimensiuni variabile, nu este încă elucidată. Lobul III, reprezintă lobul anticodonului, constituit tot din 7 nucleotide, ale căror baze azotate sunt neîmperecheate. Aici se găseşte anticodonul între o purină la capătul C3’ şi uracil la capătul C5’. Lobul IV are rol în legarea complexului aminoacil-tARN la suprafaţa ribozomului. Un rol esenţial în structura tARN prezintă anticodonul, o tripletă de baze complementare unui codon de pe mARN. Astfel, dacă codonul de pe mARN este UUU (corespunzător fenilalaninei), anticodonul corespunzător acestuia pe molecula tARN va fi AAA. Important este că, molecula de tARN va accepta doar fenilalanina. Deoarece sunt cunoscuţi doar 61 de codoni, fiecare reprezentând câte un aminoacid, pentru a-i translata, este de aşteptat să existe 61 de molecule de tARN diferite, fiecare cu
anticodonul sau, complementar câte unui codon, corespunzător unui aminoacid. De fapt sunt mai puţin de 61 de specii de tARN, cel puţin câte una pentru fiecare din cei 20 de aminoacizi, deşi unele molecule de tARN pot recunoaşte mai mulţi codoni. Locul de introducere în catena polipeptidică este dictat de anticodonul t-ARN care recunoaşte un anumit codon de pe mARN fixat pe ribozomi. c) Acizii nucleici ribozomali (rARN)
Majoritatea acizilor ARN (până la 80%) este reprezentată de acidul ARN ribozomal (rARN), prezent în ribozomii citoplasmei celulare. Acidul nucleic rARN nu se găseşte în stare liberă, ci combinat cu proteine sub forma unor complexe ribonucleoproteice, constituind componente ale ribozomilor, la suprafaţa cărora are loc biosinteza proteinelor. Ribozomii sunt particule mici, prezente în număr mare în celule, implicaţi în biosinteza proteinelor. Numele lor provine de la conţinutul în acid ribonucleic ARN (60% din conţinutul în solide). Ribozomii se leagă reversibil atât de mARN cât şi de tARN. Acizii nucleici rARN au masă moleculară mare (600 000-1 200 000), datorită gradului de polimerizare ridicat şi o structură monocatenară, parţial dublu helicoidală (prin plierea catenei macromoleculare), caracterizată prin formarea de legături de hidrogen între bazele azotate complementare. Acizii rARN au aceeaşi compoziţie indiferent de celulele din care provin, vegetale sau animale. Virusurile
Virusurile sunt complexe cu structură nucleoproteidică constituite din acizi nucleici ADN sau ARN (ca material genetic) şi proteine specifice. Virusurile prezintă o structură extrem de simplificată, care nu le poate asigura un metabolism propriu, virusurile situându-se la limita dintre viu şi neviu. Din această cauză, un virus existent în stare pură (virion) nu se poate reproduce singur (autoreproducere). Pentru reproducere, virusurile trebuie să pătrundă în interiorul unei celule specifice a unui organism viu, şi să declanşeze mecanismul de a se autoreplica prin intermediul celulei gazdă. Virusurile se clasifică, în funcţie de tipul acidului nucleic conţinut în virusuri ADN şi virusuri ARN. Acidul nucleic specific fiecărui tip de virus prezintă două caracteristici: • este purtătorul potenţial al proprietăţilor infectante; • este purtătorul informaţiei genetice, deci este responsabil pentru autoreplicarea virusului în celula infectată. Pătrunse în celule, virusurile deturnează biosinteza celulară proprie, cu precădere spre sinteza componentelor moleculare ale virusului. Acizii ARN şi ADN virali se ataşează de ribozomii celulei gazdă manifestând prioritate faţă de acizii nucleici celulari şi astfel se biosintetizează acizii nucleici virali.
CURS 11 VITAMINE Vitaminele, alături de enzime şi hormoni se găsesc în organism în cantitate mică şi contribuie la biocataliza şi reglarea proceselor metabolice, prezenţa lor fiind esenţială pentru existenţa organismelor vegetale şi animale. Vitaminele au în organism un rol funcţional important, de factori coenzimatici, deoarece un număr însemnat de vitamine (mai ales dintre cele hidrosolubile) sunt coenzime, iar altele îndeplinesc rolul de activatori enzimatici. Unele vitamine sunt constituente ale unor importante sisteme de oxido-reducere, implicate în procesele metabolice ale glucidelor, lipidelor şi protidelor, reglează potenţialul redox celular, contribuie la transportul hidrogenului pe cale neenzimatică (vitaminele C, E, K etc.). Prima vitamină a fost descoperită de Funk (1911), care a izolat din tărâţele de orez o substanţă capabilă să vindece boala beri-beri (vitamina B1), pe care a numit-o vitamină (amină vitală). Vitaminele sunt răspândite în forme direct asimilabile în: frunze, fructe, seminţe (mai ales în stare de germinare), polen, drojdie de bere, ouă, carne, lapte; alte vitamine se găsesc în compuşi chimici cu structură premergătoare vitaminelor (provitamine) care acţionează că vitamine numai în urma unor transformări chimice. De exemplu, vitaminele A rezultă din provitaminele caroteni, vitamina D2 din provitamina ergosterol. Se cunosc şi compuşi naturali, care fără să fie vitamine, manifestă acţiune similară lor, şi poartă numele de substanţe vitagene, cum ar fi: diferiţi aminoacizi esenţiali, acizi graşi esenţiali, colina, betaina etc.). Pe de altă parte sunt cunoscuţi şi analogi structurali ai vitaminelor, dar cu acţiune antagonică, care anihilează total sau parţial acţiunea vitaminelor, substanţe denumite antivitamine. Vitaminele sunt substanţe organice care se găsesc în cantităţi mici în alimente şi sunt indispensabile pentru creşterea şi dezvoltarea normală a organismelor. Vitaminele sunt biosintetizate preponderent de organismele vegetale şi numai în mică măsură şi de cele animale, care preiau vitaminele din hrană, fie în stare liberă, fie sub formă de provitamine. Lipsa (carenţa) sau insuficienţa vitaminelor în organism determină tulburări metabolice şi apariţia unor boli carenţiale cunoscute sub numele de hipovitaminoze sau avitaminoze. Hipervitaminoza este mai rară şi se instalează doar în cazul unei dozări necorespunzătoare a vitaminelor (mai ales a celor liposolubile), în vitaminoterapie. Sub aspect chimic, vitaminele sunt substanţe micromoleculare cu structură chimică foarte heterogenă. Ca element comun se poate semnala prezenţa unor grupări funcţionale esterificabile în molecula lor. În prezent, se poate sintetiza majoritatea vitaminelor cunoscute, care se utilizează în medicină ca factori profilactici şi curativi.
NOMENCLATURĂ ŞI CLASIFICARE Denumirea de vitamine (amine vitale) atribuită de Funk acestei grupe de substanţe se menţine şi în prezent, deşi unele vitamine nu conţin în molecula lor azot. Nomenclatura vitaminelor se poate stabili după trei criterii:
• nomenclatura veche; • rolul fiziologic; • structura chimică. Conform vechii nomenclaturi, vitaminele continuă să se denumească şi în prezent cu ajutorul literelor mari din alfabetul latin (A, B, C, D, E, F etc.). În cadrul aceleiaşi clase, vitaminele se denumesc cu ajutorul indicilor (A1, A2, B1, B2, B6, D2, D3 etc.) După rolul fiziologic îndeplinit în organism, vitaminele se denumesc: vitamina antixeroftalmică (vitamina A), vitamina antiscorbutică (vitamina C), vitamina antirahitică (vitamina D) etc. După structura chimică se denumesc: tiamina (vitamina B1), riboflavina (vitamina B2), acid ascorbic (vitamina C), piridoxina (vitamina B6) etc. Deoarece, datorită structurii lor heterogene, nu există un criteriu structural de clasificare a vitaminelor, se recurge la clasificarea vitaminelor pe baza solubilităţii lor: • vitamine liposolubile, insolubile în apă, solubile în solvenţi organici, grăsimi; • vitamine hidrosolubile, solubile în apă, insolubile în solvenţi organici.
VITAMINELE LIPOSOLUBILE Vitaminele liposolubile sunt în cea mai mare parte substanţe termostabile, rezistente faţă de acţiunea acizilor şi bazelor şi care pot fi depozitate în organism, şi utilizate ulterior, în cazul în care cantitatea lor în alimente este mai mare decât cea necesară. Din categoria vitaminelor liposolubile fac parte vitaminele: A, D, E, K.
Vitaminele A Vitaminele A sunt din punct de vedere al structurii chimice alcooli primari nesaturaţi, care conţin în moleculă un nucleu β-iononic şi o catenă cu duble legături conjugate, pe care sunt grefaţi cinci radicali metil. Vitaminele A sunt biointetizate numai de către plante, sub formă de provitamine cu structură carotenoidică, în organismele animale fiind scindate hidrolitic, sub influenţa enzimei carotenază. Surse de vitamine A sunt: ficatul, gălbenuşul de ou, laptele, untul, precum şi salata, spanacul, ceapa verde, vegetale de culoare galbenă-portocalie (morcovi, tomate). Carotenii sunt sintetizaţi de toate plantele, cu excepţia plantelor parazite şi saprofite. Cele mai importante provitamine A sunt: α-carotenul, β-carotenul, γ-carotenul şi criptoxantina. β-Carotenul este cel mai bine reprezentat în masa carotenoizilor separaţi din frunzele plantelor, unde însoţeşte clorofilele. Vitamina A1 (retinol, vitamina antixeroftalmică, antiinfecţioasă, vitamina creşterii) se formează în organism prin scindarea oxidativă a carotenilor care conţin cel puţin un ciclu βiononic. Din β-caroten, principala provitamină A, se obţin două molecule de vitamină A1, pe când din restul carotenilor (care conţin un singur inel β-iononic), se obţine numai câte o moleculă de vitamină A1. Scăderea conţinutului de proteine din organism împiedică transformarea provitaminelor în vitamină. Se presupune că în faza primară produsul oxidării este o aldehidă a vitaminei A (retinalul),
care este redusă la alcoolul corespunzător, denumit retinol sau vitamina A1. Retinolul poate fi esterificat şi depozitat în ficat sub formă de ester retinol palmitat. Este probabil ca forma activă a vitaminei A să fie forma acidă, denumită acid retinoic. Funcţia specifică a vitaminei în procesul vederii este îndeplinită de forma aldehidică a vitaminei A1, denumită retinal. Vitamina A2 (care se găseşte frecvent în peştii de apă dulce) are în inelul β-iononic două duble legături şi se mai numeşte dehidroretinol. H3C
CH3
CH3
CH3
H3C
CH3
CH3
β-caroten H3C
CH3
CH3
CH3
CH3 H3C
CH3 CH2OH
2 CH3
vitamina A1 (retinol)
Conversia carotenilor la retinol este sub 100%, aşa încât conţinutul în vitamina A al diferitelor alimente este exprimat sub formă de echivalenţi de retinol (1 RE = 1 mg retinol, 6 mg β-caroten şi 12 mg alte carotenoide). Rolul biochimic al vitaminelor A este foarte complex: • β-carotenul are un rol antioxidant pronunţat, reducând riscul formelor de cancer, iniţiate de către radicalii liberi şi alţi oxidanţi puternici; • retinolul şi acidul retinoic, convertiţi în organism în retinil fosfat sunt implicaţi în sinteza unor glicoproteine şi mucoplizaharide care au acţiune protectoare asupra ţesuturilor epiteliale, prevenind keratinizarea lor, proces care favorizează, prin predispoziţia la fisuri, instalarea infecţiilor microbiene; • retinolul şi acidul retinoic stimulează eritropoieza (formarea globulelor roşii) prin participarea la biosinteza proteinelor transportoare de fier; • forma aldehidică a vitaminelor A (cis-retinalul) este legată reversibil de proteinele vederii (opsina şi rodopsina). Lumina iniţiază în retină schimbări biochimice complexe, cu generarea unui impuls nervos datorat transformării cis-retinalului în trans-retinal şi disocierea de pe proteina vederii (rodopsina). Regenerarea pigmenţilor vizuali necesită izomerizarea retinolului în forma cis. Hemeralopia nocturnă (pierderea acuităţii vizuale pe timp de noapte) este un simpton al deficienţei în vitamina A, forma severă conducând la keratinizarea corneei (xeroftalmie). Hipervitaminoza A (peste 50 000 RE/zi) conduce la acumularea ei în ficat, cu apariţia unor efecte toxice (mărirea volumului ficatului, splinei, dermatite etc.).
Vitaminele D Vitaminele D (calciferoli, vitamine antirahitice), dintre care cele mai importante sunt: vitaminele D2 şi D3 pot fi considerate datorită acţiunii biochimice, mai degrabă hormoni decât vitamine. În natură se găsesc atât libere cât şi sub formă de provitamine (steroli). În prezent se cunosc şase vitamine D (notate de la D2 la D7), care pot fi obţinute din diferite provitamine. Toate vitaminele D sunt înrudite prin structura chimică de sterol, pe care sunt grefate; o grupă hidroxil la C3, un ciclu deschis (B) cu trei legături duble conjugate, un nucleu indanic şi o catenă laterală caracteristică fiecărei vitamine. Catenele laterale se deosebesc între ele prin numărul atomilor de carbon şi prin prezenţa sau absenţa unei duble legături. Transformarea sterolilor în vitamine D se face sub acţiunea energiei solare, a radiaţiilor ultraviolete, printr-un proces fotochimic cu consum de energie. Din ergosterol, sub influenţa radiaţiilor UV, se formează ca produs intermediar lumisterol, şi apoi tahisterol şi ergocalciferol (vitamina D2). H3C
CH3
C
D
Tahisterol
CH3
CH3 CH3
CH3
H3C UV
B
A
CH2
ergosterol
HO
CH3
CH3
Lumisterol
CH3
CH3
vitamina D2 (ergocalciferol)
HO
Colecalciferolul (vitamina D3) este produs în piele prin iradierea cu raze UV a 7-dehidrocolesterolului, provenit din colesterolul preluat în organism prin alimentaţie. H3C CH3 CH3
H3C CH3
CH3
CH3
CH2
CH3
h ν
HO
HO
dehidrocolesterol
vitamina D3 (colecalciferol)
Atâta timp cât corpul este expus luminii solare nu se impune suplimentarea vitaminei D. Cea mai bună sursă de vitamine D o constituie peştii de apă sărată (sardine, heringi, somoni), ficatul, gălbenuşul de ou, laptele, untul, drojdia de bere. Vitaminele D se exprimă sub formă de mg de colecalciferol (1 mg colecalciferol sau de ergocalciferol = 40 UI). Acţiunea biochimică: vitaminele D reglează absorbţia intestinală a calciului şi fosforului. Nivelele ridicate ale calciului şi fosforului seric cresc viteza de mineralizare a oaselor (favorizează depunerea de calciu în sistemul osos). Când în organism, nivelul calciului şi fosforului sunt scăzute se produce demineralizarea oaselor pentru a menţine nivelul seric normal de calciu şi fosfor. Simptomele în cazul deficienţei de vitamine D sunt rahitismul (la
copii) şi osteomalacia (la adulţi). Hipervitaminoza (hipercalciurie) se manifestă prin formarea calculilor renali, hepatici. Vitaminele D sunt stabile în absenţa oxigenului şi a luminii (pot fi stabilizate cu antioxidanţi, de exemplu, cu tocoferoli.
Vitaminele E (tocoferoli) Vitaminele E se mai numesc tocoferoli (tokos = naştere; fero = a purta), vitaminele antisterilităţii sau vitaminele de reproducere. Ele sunt sintetizate numai de plante şi se găsesc în cantitate mare în plantele verzi (salată, legume), germenii cerealelor, uleiuri vegetale, ţesuturi de organe animale (ficat, rinichi, muşchi), ouă, lapte. Din punct de vedere chimic, vitaminele E reprezintă un amestec de compuşi chimici înrudiţi care au la bază tocolul, format dintr-un nucleu benzopiranic (cromanic) pe care sunt grefate o grupă hidroxil la C6, o catenă laterală derivată din fitol şi radicali metil în diferite poziţii (în funcţie de reprezentant: α, β, γ, δ, ε etc.). CH3 HO
H3C
O CH3
CH3
CH3
CH3
(CH2)3
CH (CH2)3
CH
CH3 (CH2)3
CH CH3
α-tocoferol
Tocoferolii sunt substanţe uleioase, termostabile, optic active, oxidabile uşor în prezenţa oxigenului din aer. Prin transformarea reversibilă a hidroxilului de la C6 în grupare cetonică, vitaminele E funcţionează în organism ca sisteme redox. Pe această proprietate se bazează rolul lor antioxidant, protectori ai altor substanţe uşor oxidabile (vitaminele: A, D, C, E, a biotinei, carotenilor, acizilor graşi etc.). Datorită caracterului lipofilic, se acumulează în lipoproteine, în membranele celulare şi depozitele de grăsimi, unde reacţionează rapid cu O2 şi radicalii liberi, protejându-le de reacţii de oxidare şi asigurând o absorbţie mai bună a grăsimilor. Vitaminele E joacă rol în respiraţia celulară (stabilizând coenzima Q sau transferând electroni pe aceasta) şi în sinteza hemoglobinei. Favorizează reacţiile de fosforilare şi formarea compuşilor macroergici. Fiind implicată în reducerea colesterolului seric, joacă rol benefic în controlul afecţiunilor cardiace (conform cercetărilor recente, o suplimentare a dietei cu 100 mg/zi de vitamina E, reduce riscul de infarct). Participă la diferite sisteme enzimatice, stimulează ritmul de creştere şi protejează organismul de infecţii. Fiind o vitamină liposolubilă, ar putea avea un potenţial toxic, care însă nu a fost pus până acum în evidenţă (este cea mai puţin toxică dintre vitaminele liposolubile).
Vitaminele K Vitaminele K se mai numesc vitamine antihemoragice sau vitaminele coagulării, menaftone, filochinone. Vitaminele K sunt sintetizate numai de plante (din fitol, componentă a clorofilei) şi microorganismele din tubul digestiv al animalelor. Sunt răspândite în cantitate mare în frunzele de lucernă, trifoi, spanac, soia, varză, cloroplaste şi în făina de peşte.
Din punct de vedere chimic sunt derivaţi ai 2-metil-para-naftochinonei, pe catena căreia se găseşte la C3 o grupă metil, iar la C2 o catenă laterală care diferă de la o vitamină la alta. O CH3 CH3 CH2 CH
C
CH3 (CH2)3 CH
O
CH3 3
vitamina K1
Vitamina K1 (R = radical fitil) este răspândită în plantele verzi, iar vitamina K2 (R = radical farnesil) este biosintetizată de bacteriile intestinale. Participă activ la procesele de oxidare celulară şi la procesele de fosforilare oxidativă. În organismele vegetale, vitaminele K au un rol important în procesele de oxido-reducere, în procesele de fosforilare şi în respiraţia tisulară. Datorită reacţiei reversibile dintre forma oxidată şi forma redusă, vitaminele K asigură transportul atomilor de hidrogen de la un substrat la altul, pe cale neenzimatică. OH
O
CH3
CH3 +2H -2H
R
R O vitamina K1 (forma oxidată)
OH vitamina K1 (forma redusă)
Vitaminele K determină coagularea sângelui prin transformarea fibrinogenului în fibrină. Carenţa de vitamine K conduce la creşterea timpului de coagulare a sângelui şi poate fi un factor favorizant al osteoporozei. Deoarece vitaminele K sunt sintetizate de bacteriile din intestine, deficienţele sunt rare, deşi recent s-a descoperit faptul că vitaminele K sintetizate intestinal nu sunt absorbite total. Deficienţa de vitamine K a fost semnalată în cazul malabsorbţiei grăsimilor ca şi după tratamentele îndelungate cu antibiotice, care pot distruge vitaminele K sintetizate intestinal.
Vitaminele F Vitaminele F se mai numesc vitamine antidermatitice, deoarece în lipsa lor apar tulburări metabolice la nivelul pielii. Vitaminle F sunt formate dintr-un amestec de acizi graşi esenţiali, care conţin mai multe duble legături în moleculă şi care sunt răspândiţi în organismele vegetale (în special uleiuri vegetale) şi nu sunt biosintetizaţi de animale. Dintre aceştia cei mai importanţi sunt acidul linolenic şi acidul arahidonic. Administrate omului, vitaminele F contribuie la procesul de vindecare a unor dermatite. Vitaminele F sunt implicate în procesul de biosinteză a lipidelor complexe.
VITAMINELE HIDROSOLUBILE Vitaminele hidrosolubile sunt substanţe foarte diferite din punct de vedere structural, reprezentate de vitaminele din aşa-numitul “complex B” (B1, B2, B6, B12 etc.), vitaminele PP, vitamina C, acidul lipoic, acidul pantotenic, acidul folic, vitaminele P etc. Ele diferă faţă de vitaminele liposolubile în multe aspecte importante, astfel ele sunt solubile în apă şi insolubile în solvenţi organici, sunt mai termolabile, dar mai fotostabile, stabile în mediu acid, dar instabile în mediu bazic etc. Multe dintre vitaminele hidrosolubile sunt rapid eliminate, (de aceea hipervitaminozele sunt rare), iar carenţele apar relativ rapid în cazul unei diete sărace în aceste vitamine. Deoarece vitaminele hidrosolubile sunt coenzime ale multor enzime cu rol important în metabolism, sunt implicate în etapele generatoare de energie sau în hematopoeză. De obicei, ele participă în atât de multe reacţii biochimice încât este imposibil de stabilit exact cauza biochimică a unui simptom anumit. Totuşi, se poate generaliza faptul că, datorită rolului important jucat de aceste vitamine în metabolismul energetic, deficienţele se observă prima dată în ţesuturile cu creştere rapidă. Simptomele tipice includ: dermatite, glosite (umflarea limbii), diaree, depresii, pierderea coordonării mişcării.
Vitamina B1 Vitamina B1 (tiamina, aneurina, vitamina anti beri-beri) este larg răspândită în regnul vegetal în seminţele cerealelor şi leguminoaselor, în cojile de orez, frunze, flori, polen, drojdie de bere etc. Din punct de vedere chimic, este constituită dintr-un nucleu pirimidinic şi unul tiazolic, legate printr-un radical metilen. CH2
N
N
H3C
N
NH2
tiamina
S
CH3
N
O H3C
CH2 CH2OH
CH2
N
CH3
N
NH2
S
CH2 CH2O P OH
O O
P OH OH
tiaminpirofosfat
Sub formă de clorhidrat, este o substanţă solidă, cristalină, solubilă în apă şi insolubilă în solvenţi organici. Este distrusă la fierbere şi sub acţiunea razelor ultraviolete. Tiamina este rapid transformată prin fosforilare în coenzima tiaminpirofosfat (TPP), care este implicată în: metabolismul căii pentozofosfat (singura sursă de biosinteză a ribozei necesară sintezei acizilor nucleici şi sursa majoră de NADPH pentru biosinteza acizilor graşi), decarboxilarea cetoacizilor etc. Avitaminoza, se manifestă la om prin tulburări ale sistemului nervos, iritabilitate, oboseală, depresie, tulburări gastro-intestinale, simptome neuromusculare asociate cu tulburări cardiace (boala beri-beri). Necesarul de tiamină este proporţional cu conţinutul caloric al dietei (1,0-1,5 mg/zi) şi poate fi mărit în cazul excesului de carbohidraţi sau al creşterii vitezei metabolice (datorită febrei, traumatismelor, gravidităţii). Vitamina B1 stimulează creşterea ţesuturilor şi a rădăcinilor plantelor cultivate în soluţii artificiale.
Vitamina B2 Vitamina B2 (riboflavina, lactoflavina), este sintetizată în plante, bacteriile de fermentaţie anaerobă şi drojdia de bere. Din punct de vedere al structurii chimice este formată dintr-un nucleu izoaloxazinic metilat (care conferă formei oxidate o culoare galben-verzuie), pe care este grefat un radical ribitil, provenit de la pentaalcoolul ribitol. CH2 H3C
N
H3C
N
(CHOH)3 N
CH2OH O
NH O O
O
N
H3C
NH N
N
H3C
N
NH
+2 H -2 H
H3C
H3C
H N
O
R
N H
O
R
vitamina B2 (forma oxidată)
vitamina B2 (forma redusă)
Vitamina B2 este sensibilă la acţiunea luminii, care în mediu bazic o transformă în compuşi fără activitate vitaminică. Vitamina B2 prezintă în organism rol complex. Ea intră în constituţia enzimelor dehidrogenaze FMN şi FAD, implicate în reacţiile de oxidoreducere din metabolism, deoarece poate fixa reversibil atomi de hidrogen. Stimulează creşterea organismelor tinere şi participă alături de vitamina A în procesul vederii. Alimentele bogate în riboflavină sunt: laptele, carnea, ouăle, cerealele. Doza recomandată este de 1,2-1,7 mg /zi pentru un adult (mai mare în cazul alcoolicilor şi a hipotiroidismului). Simptomele caracteristice deficienţei de riboflavină se manifestă prin: dermatite, căderea părului, glosită, slăbirea rezistenţei la infecţii.
Vitaminele B6 Vitaminele B6 (adermine, piridoxol, piridoxal, piridoxamina) sunt răspândite în: seminţe de cereale, drojdie de bere, unt, carne, lapte, ouă. Din punct de vedere structural sunt derivaţi ai 2-metilpiridinei, care apar de obicei împreună, şi se pot transforma una în alta. CH2OH HO
H3C
CHO CH2OH
N
piridoxol
HO
H3C
CH2NH2 CH2OH
N
piridoxal
HO
H3C
CH2OH
N
piridoxamina
Prin fosforilarea piridoxalului şi a piridoxaminei se obţin coenzimele piridoxalfosfat şi piridoxaminofosfat, care biocatalizează decarboxilarea şi transaminarea aminoacizilor. Piridoxalfosfatul este necesar sintezei neurotransmiţătorului serotonina şi a sfingolipidelor necesare formării mielinei. Vitaminele B6 constituie factori de creştere pentru unele microorganisme. Carenţa în vitamine B6 produce la om tulburări nervoase, iritabilitate, depresii, insomnii, astenie. Necesarul de vitamine B6, pentru un organism adult este proporţional cu conţinutul proteic al dietei (pentru 100 g proteine/zi sunt necesare 1,4-2,0 mg/zi).
Vitamina B12 Vitamina B12 (cianocobamida) este puţin răspândită în regnul vegetal. În organismele animale se găseşte în ficat, rinichi, sânge, lapte, reprezentând factorul absolut necesar creşterii unor microorganisme. Vitamina B12 este indispensabilă pentru viaţa organismelor vegetale şi animale, fiind implicată în procesul de creştere, hematopoeză şi buna funcţionare a celulei nervoase. Din punct de vedere a structurii chimice, vitamina B12 este formată dintr-un nucleu porfirinic care conţine central un atom de cobalt şi o grupă cian, grupe metilice şi amidice legate de nucleele pirolice, un nucleu dimetilbenzoimidazolic, riboză, acid fosforic şi alcool izopropilic. Vitamina B12 este o substanţă cristalină, de culoare roşie, solubilă în apă, insolubilă în solvenţi organici. Ea stimulează biosinteza nucleoproteidelor şi este un factor antianemic. In avitaminoză, se întrerupe diviziunea celulară şi se produce anemia pernicioasă. Deoarece este larg răspândită în alimentele de origine animală, iar ficatul păstrează timp de 6 ani suplimentul de vitamina B12, deficienţele sunt rare (la persoane în vârstă şi la cele vegetariene).
Vitamina PP Vitamina PP (niacina, nicotinamida, pelagropreventivă) este răspândită în embrioni de grâu, tărâţe, alune, drojdie de bere, lapte, carne (mai puţin în porumb, cartofi). Din punct de vedere structural, niacina (nicotinamida) este amida acidului nicotinic, componentă a coenzimelor oxidoreductaze anaerobe NAD şi NADP, implicate în reacţii redox prin transfer de atomi de hidrogen de la un substrat la altul, în condiţii anaerobe. O
O
C
C NH2
OH N
N
acid nicotinic
nicotinamida O
O
C
C NH2 N
nicotinamida (forma oxidată)
NH2
+2 H -2 H
N H
nicotinamida (forma redusă)
Niacina poate fi sintetizată din aminoacidul triptofan (1 mg de niacina din 60 mg de triptofan), dar biosinteza are loc numai după ce necesarul organismului în triptofan a fost asigurat şi cu aportul altor vitamine din complexul B. Carenţa pronunţată conduce la boala numita pelagra (pella agra = piele groasă) sau boala celor trei afecţiuni cu "d": dermatită, diaree şi demenţă). Simptomele neurologice sunt asociate cu degenerarea ţesutului nervos. Necesarul pentru un adult este de: 13-19 mg/zi de niacină.
Acidul folic (vitamina B9) Această vitamină este prezentă în frunzele plantelor verzi (spanac, salată), fructe verzi, drojdie de bere, carne, lapte, ouă. Din punct de vedere chimic este acidul pteroilglutamic, constituit din acid pteridinic, rest de acid p-aminobenzoic şi acid glutamic. CH2
COOH
OH O N N
H 2N
CH2
N
C
HN
CH2 H N
C H
COOH
N
nucleul pteridinic acid para-aminobenzoic 2-amino-4-oxo-6-metilpteridina
acid glutamic
Acidul folic îndeplineşte rol de coenzimă în biosinteza aminoacizilor (colina, serina, glicina), a bazelor azotate purinice, a nucleotidei dTMP. Cel mai pronunţat efect al deficienţei este inhibarea sintezei ADN datorită lipsei de purine şi dAMP, ceea ce cauzează forme grave de anemie.
Acidul paraaminobenzoic (PAB) Acidul paraaminobenzoic (PAB) se numeşte şi vitamina H şi este răspândit atât în organismele vegetale cât şi în cele animale. Este un factor de creştere pentru numeroase microorganisme. Este sintetizat de flora intestinală în cantităţi suficiente pentru om. PAB este componentă a acidului folic şi a coenzimei tirozinaza. Are o acţiune antiinfecţioasă generală, previne depigmentarea pielei şi a părului. H2N
COOH
Acidul lipoic Acidul lipoic (tioctic) este prezent în plantele verzi, sub forma de lipotiamidpirofosfat, coenzimă participantă la carboxilarea acidului piruvic (metabolismul glucidic). Trebuie evidenţiat de asemenea rolul de acceptor de atomi de hidrogen în prima fază a fotosintezei şi de activator al radicalului metil.
+2 H
CH (CH2)4 COOH
CH2 CH2
-2 H
S
S
CH2
CH2
SH
SH
acidul lipoic (forma oxidată)
CH (CH2)4 COOH
acidul lipoic (forma redusă)
Acidul pangamic Acidul pangamic (vitamina B15, D-gluconodimetilaminoacetat) a fost pus în evidenţă în organisme vegetale, sâmburi de caise, plantule de orez, levuri, sângele de bovine etc. Acidul pangamic este un compus sintetizat în organism din componente care sunt produse normale ale metabolismului: acidul D-gluconic şi dimetilglicina. Pe cale sintetică au fost obţinuţi şi derivaţi ai vitaminei B15 care conţin în moleculă 4, 8 şi 12 grupe metil. COOH (CHOH)3 CH2
O
CO
CH2
N(CH3)2
acidul pangamic vitamina B15
Acidul pangamic intervine în procesele de metilare şi transmetilare, datorită grupelor metil, labile, pe care le conţine. Este implicat în biosinteza unor substanţe biologic-active (donor de grupe metil), cum ar fi: metionina, colina, creatinina, adrenalina, metionina, ARN, hormoni steroizi, în activitatea respiratorie a celulei şi procesele de detoxifiere. Acidul pangamic este un factor lipotrop, fiind utilizat la vindecarea hepatitei şi tratamentul cirozelor hepatice.
Inozita Inozita (inozitolul, Bios I) sub forma izomerului mezoinozitol (hexahidroxiciclohexan) este un poliol ciclic, răspândit în toate ţesuturile vegetale (frunze, rădăcini, polen) şi animale, sub formă liberă sau ca ester fosforic (acidul fitinic), ca atare, sau sub forma sărurilor de calciu: OH
OH
OP
OP
OH
OP
OH
P
OP
OH
mezoinozitol
=
P
O OH
OP OH
OH
OP
acid fitinic
Acidul fitinic este principala sursă de fosfor din seminţe. In timpul germinării se eliberează prin hidroliză enzimatică: ioni de calciu, acid fosforic şi final mezoinozitol liber. În organismele animale (nu şi în cel uman) inozita este factor lipotrop, preîntâmpină fixarea grăsimilor). Aceeaşi acţiune manifestă şi colina.
Biotina Biotina (vitamina H, Bios II) este prezentă în: drojdie de bere, muguri de plante, ouă, alune, ciocolată. Se găseşte liberă sau combinată cu proteine, peptide, aminoacizi. Se cunosc două biotine: α-biotina şi β-biotina. Ambele au o structură biciclică, rezultată prin condensarea formală a unui nucleu tetrahidroimidazolic cu unul tiofenic, având drept catenă laterală un rest de acid valerianic sau izovalerianic. O HN
O NH
S
HN
CH2 CH2 CH
COOH
NH
S
CH2 CH2 CH2 COOH
CH3 biotina a
biotina b
Biotina constituie gruparea prostetică a unor enzime, de exemplu a piruvatcarboxilazei implicată în reacţii de carboxilare a cetoacizilor (sinteza acidului oxalilacetic din ciclul Krebs), a acetil-coenzimei A, (biosinteza acizilor graşi) şi a propionil-coenzimei A (biosinteza aminoacizilor). Biotina stimulează creşterea ţesuturilor merismatice prin intensificarea diviziunii celulare. Biotina poate fi sintetizată de bacteriile intestinale. Avitaminoza se manifestă prin descuamarea pielei, căderea părului, lipsa poftei de mâncare, oboseală etc.
Acidul pantotenic Acidul pantotenic (Bios III) este răspândit în toate organismele vegetale şi animale. În cantitate mare se află în lăptişorul de matcă, fasole, soia, drojdia de bere etc. Acidul pantotenic este format din β-alanină şi acid α,γ-dihidroxi-β-dimetilbutiric. COOH CH2 OH
CH3 OH
O
CH2
CH2
C
C
NH
CH
CH3
Acidul pantotenic este o substanţă uleioasă, de culoare galbenă, solubil în apă şi sensibil la acţiunea oxidanţilor în mediu bazic. Intră în structura coenzimei A, implicată în metabolismul glucidic şi lipidic. Este un factor de creştere pentru numeroase microorganisme şi factor de stimulare a metabolismul celular. Cu toată importanţa acestor reacţii, nu există deficit de acid pantotenic, deoarece acesta este foarte răspândit (panthotem = peste tot) în alimentele de origine vegetală şi animală, iar simptomele deficienţei sunt vagi, asemănătoare, în general, deficienţei de vitamine B.
Vitamina C (acidul ascorbic) Vitamina C (acidul ascorbic) este una dintre vitaminele cele mai răspândite în regnul vegetal în fructe de cătină, măceş, coarne, coacăze, mere, citrice etc.), atât în stare liberă cât şi asociată cu proteinele sub forma de ascorbinogen. Din punct de vedere al structurii chimice este lactona unui acid cetohexonic, acidul 2,3endiol-L-gulonic. COOH HO
C
HO
C
H
C
OH
HO
C
H
H2C
OH
O
C
O
C
O
C
HO
C
O
C
HO
C
H
C
H
C
HO
C
HO
C
H2C
O
+2 H -2 H
H OH
acid gulonic acid dehidroascorbic
H2C
O
H
O
H2C
OH
H
C
OH
H
C
OH
+
COOH COOH
COOH
OH
acid ascorbic
acid treonic
acid oxalic
Datorită structurii endiolice, acidul ascorbic aparţine sistemelor redox biochimice; el poate, prin oxidare, trece reversibil în acid dehidroascorbic. Este un activator general al metabolismului celular fiind implicat în sinteza protocolagenului şi deci în menţinerea stării de sănătate a ţesuturilor, în vindecarea rănilor, în combaterea fragilităţii capilare. Rolul sau reducător (enzimatic) se manifestă în absorbţia fierului în stomac (prin reducerea Fe3+ la Fe2+ ) precum şi la protejarea altor vitamine (A, E, D) faţă de procesul de oxidare. Rolul său important de antioxidant biologic recomandă vitamina C, alături de ß-caroten în dieta preventivă a cancerului. Este necesar un aport continuu de vitamina C (60 mg/zi), deoarece organismul uman nu sintetizează şi nu acumulează această vitamină, care este sensibilă la lumină, temperatură, O2 din aer, contactul cu metalele (Fe, Cu). Avitaminoza se manifestă sub forma bolii numită scorbut (anemie pronunţată, hemoragii, osteoporoză).
Vitaminele P Vitaminele P (citrine, bioflavonoide, vitaminele permeabilităţii) se găsesc în cantităţi apreciabile în citrice, ardei etc. Sunt substanţe cu activitate vitaminică, cu rol asupra pereţilor vaselor capilare. Din punct de vedere chimic sunt amestecuri de glicozide (conţin o componentă glucidică şi un aglicon). Agliconii sunt reprezentaţi de: pigmenţi din clasa flavonelor reprezentaţi de: hesperitină, rutină, quercetină. Prin oxidare formează flavochinone, funcţionând ca sisteme redox. Acţionează sinergic cu vitamina C în prevenirea şi combaterea scorbutului, măresc tonusul miocardului, măresc rezistenţa la rupere a vaselor sanguine, scad tensiunea arterială.
OH
O
O
O
GLUCOZA
RAMNOZA
O
HO
OH
O
OCH3
O
OH
OH
quercitina
hisperitina
OH
O O
HO
GLUCOZA - RAMNOZA OH
O
OH rutina
Antivitamine Antivitaminele sunt substanţe cu structură chimică asemănătoare vitaminelor, dar cu acţiune opusă acestora. Diferenţa de comportare este consecinţa diferenţelor structurale, chiar dacă acestea nu sunt mari. Antivitaminele prezintă în general o structură moleculară asemănătoare vitaminelor, sau cu unele fragmente din molecula lor. Efectul antivitaminic se explică prin afectarea activităţii enzimatice, datorită modificării structurii enzimei prin înlocuirea coenzimei (vitaminei) cu antivitamina corespunzătoare, sau prin inhibiţie competitivă a acţiunii biocatalitice enzimatice de către noua structură a antivitaminei. In prezent se cunosc numeroase antivitamine care au o structură analoagă riboflavinei, piridoxinei, tiaminei, biotinei, acidului foilc, precum şi vitaminelor K şi E. Se cunosc de asemenea, în afară de antivitamine, substanţe cu au o structură chimică diferită mult de cea a vitaminelor, de natură proteică, care au proprietatea de a se combina cu vitaminele, anihilându-le astfel activitatea vitaminică. De exemplu, în albuşul de ou s-a identificat proteina avidina, care se combină cu biotina, anihilându-i activitatea vitaminică. Acţiunea antivitaminelor se explică prin perturbarea unor procese metabolice care sunt stimulate de acţiunea vitaminelor. În tabloul sintetic de mai jos, sunt prezentate în paralel, structurile unor vitamine şi cele ale antivitaminelor corespunzătoare.
VITAMINE CH2
N H 3C
N
ANTIVITAMINE
N
N CH2 CH2OH
S
NH2
N
H3C
S
Piritiamina
O
C
O
O S
CH3
NH2
Nicotinamida (Vitamina PP) COOH
NH2 O
N
N
CH2 CH2OH
N
Tiamina (Vitamina B1)
C
CH3
H2 C
CH3
N
Acetilpiridina
Piridinsulfonamida
COOH
SO2
NH2
OH
NH2
NH2
Acidul para-aminobenzoic (PAB)
NH2
Acidul para-aminosalicilic (PAB) Sulfanilamida
COOH
SO3H
CH2
CH2
OH
CH3 OH O
CH2
OH
CH3 OH O
CH2
CH2
C
NH
CH2
C
NH
CH
C
CH3
CH
C
CH3
Acid pantotenic
Pantoiltaurina O
C
O
C
HO
C
HO
C
HO
C
HO
C
H
C
H
C
HO
C
H
HO
C
H
C
OH
H2C
O
H OH
Acidul ascorbic (Vitamina C)
H 2C
O
OH
Acidul glucozascorbic
CURS 12 si 13 ENZIME Enzimele sunt compuşi macromoleculari de natură proteică, produşi şi prezenţi numai în organismele vii, cu rol de biocatalizatori ai tuturor transformărilor biochimice caracteristice metabolismului. Necesităţile plastice şi energetice ale organismelor vii sunt acoperite, pe de o parte, din substanţele nutritive, relativ stabile chimic, iar pe de altă parte de o serie de reacţii “de ardere” la care participă oxigenul. Apariţia şi evoluţia fiinţelor vii organizate a fost însoţită de selecţionarea şi perfecţionarea unor mecanisme capabile să asigure o viteză mare de desfăşurare a proceselor biochimice, în condiţii de activitate relativ menajate (soluţii apoase, temperaturi joase, mediu neutru etc.). Această problemă, a fost rezolvată în decursul evoluţiei, prin apariţia catalizatorilor biologici care sunt enzimele. Enzimele au rol esenţial în biosinteza şi biodegradarea substanţelor din materia vie. In lipsa enzimelor, majoritatea reacţiilor chimice din organism nu s-ar putea produce şi deci nu ar mai exista procese metabolice şi nici fenomene de viaţă. Bogate în enzime sunt plantulele, frunzele tinere, ţesuturile meristematice, seminţele în stare de germinaţie, fructele. In general, plantele tinere au un conţinut mai ridicat de enzime decât plantele adulte. Activitatea catalitică a enzimelor din organismele în creştere este mai mare decât a celor din organismele adulte. După locul unde acţionează, se pot evidenţia: • endoenzime (enzime intracelulare); • exoenzime (enzime extracelulare). Endoenzimele, acţionează în celulele în care s-au sintetizat. Ele sunt lioenzime (legate mai slab în celulă) şi desmoenzime (legate mai puternic în celule). Exoenzimele, după etapa de formare în celule, sunt eliminate în lichidele din organism, unde îşi exercită activitatea catalitică. Astfel, acţionează de exemplu, enzimele din lichidele interstiţiale, din diferite cavităţi, din seva elaborată etc. Substanţa asupra căreia acţionează enzimele se numeşte substrat.
STRUCTURA CHIMICĂ GENERALĂ A ENZIMELOR Enzimele se pot clasifica, din punct de vedere chimic în două clase: • enzime monocomponente (holoproteice); • enzime bicomponente. a) Enzimele monocomponente (holoproteice, proteine biocatalitice) sunt constituite numai din proteine. Acţiunea lor biocatalitică se datorează anumitor fragmente din catena polipeptidică, care includ grupe funcţionale componente ale catenelor laterale ale aminoacizilor (-OH, -NH2, -SH, -COOH etc.), constituind centrul activ sau situsul catalitic. Prin acest centru activ enzima fixează substratul (îl recunoaşte) sub forma unui complex enzimă-substrat, simbolizat E-S, şi biocatalizează transformarea substratului. Pentru recunoaşterea şi formarea complexului E-S, geometria centrului activ trebuie să fie complementară cu cea a substratului. Blocarea sau inactivarea centrului activ (de exemplu denaturarea proteinei) conduce la pierderea activităţii catalitice a enzimei holoproteice. In schimb, denaturarea unei părţi a proteinei, care nu cuprinde centrul activ, nu modifică activitatea catalitică a enzimei.
b) Enzimele bicomponente (heteroproteice) sunt constituite din: • componenta proteică (apoenzimă, apoferment), care determină specificitatea enzimei (o anumită secvenţă a aminoacizior prin care enzima recunoaşte substratul şi îl fixează), este caracterizată prin masă moleculară mare, termolabilitate etc.; • componenta neproteică (prostetică, coenzimă, cofactor), care determină mecanismul şi viteza reacţiei enzimatice poate fi: o vitamină, un hormon, un colorant, nucleotide, metale. Ea este caracterizată prin masă moleculară mică, termostabilitate. În majoritatea cazurilor, acţiunea catalitică a enzimelor se manifestă numai în prezenţa unor substanţe speciale, denumite cofactori, care se clasifică în trei grupe: • coenzime sau cofermenţi specifici, sunt substanţe organice cu masă moleculară mică, termostabile şi care dializează uşor din soluţiile enzimei. Coenzimele se caracterizează prin însuşirea lor de a reacţiona reversibil cu proteina care intră în structura enzimei (apoenzima sau apofermentul); • grupările prostetice, substanţe combinate mult mai strâns cu apoenzima, se disociază greu şi, în general, rămân fixate pe o singură apoenzimă; • activatorii, denumiţi uneori şi cofactori anorganici, sunt substanţe nespecifice (diferite metale, agenţi reducători etc.), care mediază trecerea enzimei într-o stare catalitică activă. Este greu de precizat o demarcaţie clară între cele trei grupe de cofactori, clasificaţi după natura şi raportul lor faţă de apoenzimă. Multe dintre coenzime şi grupări prostetice sunt de fapt derivaţi ai vitaminelor hidrosolubile. O mare parte dintre coenzime şi grupări prostetice identificate în componenţa unor enzime sunt nucleotide sau derivaţi ai acestora. Deşi în cazul enzimelor bicomponente, componenta care participă efectiv la realizarea procesului biocatalitic enzimatic este coenzima, totuşi, pentru manifestarea activităţii enzimatice, prezenţa apoenzimei de natură proteică este absolut obligatorie, deoarece gruparea prostetică luată separat are slabe proprietăţi catalitice. In complexul format de apoenzimă şi coenzimă (holoenzimă) activitatea catalitică creşte de 1000 de ori, comparativ cu activitatea catalitică a coenzimei libere. Legăturile dintre apoenzimă şi coenzimă sunt de natură diferită, variind de la o enzimă la alta şi pot fi: legături covalente, legături van der Waals etc. Datorită structurii proteice macromoleculare, enzimele au o masă moleculară mare şi formează soluţii coloidale. Starea coloidală a enzimelor preîntâmpină difuzia lor dintr-o celulă în altă celulă, condiţionând o localizare strictă a reacţiilor biochimice în organism la nivelul diferitelor organe, ţesuturi, celule.
CARACTERISTICI ALE ACTIVITĂŢII ENZIMATICE Enzimele, asemănător catalizatorilor chimici obişnuiţi, biocatalizează numai acele reacţii metabolice posibile din punct de vedere termodinamic (care se desfăşoară spontan, având energia liberă ∆G < 0). Rolul enzimelor, ca şi al catalizatorilor chimici, este de a reduce energia de activare (nu modifică echilibrele chimice, dar grăbeşte atingerea lor). Energia de activare în cazul enzimelor este însă mult mai mică. De exemplu, energia de activare la descompunerea apei oxigenate conform reacţiei: 2 H2O2 = O2 + 2 H2O este diferită, în funcţie de tipul de catalizator utilizat: • fără catalizator: 18 kcal/mol; • cu catalizatorul chimic FeCI3: 11,7 kcal/mol; • cu biocatalizatorul catalază: 5,5 kcal/mol
¾ Viteza reacţiei enzimatice este mult mai mare decât în cazul reacţiei catalizată de catalizatori chimici. De exemplu, enzima catalaza realizează descompunerea H2O2 de 10 miliarde de ori mai repede decât FeCI3 (ambii catalizatori au în structură cationul Fe3+). ¾ Sensibilitatea reacţiei enzimatice este foarte mare, astfel o moleculă de catalază descompune 5 milioane de molecule de H2O2 într-un minut, la 0 0C şi la pH = 6,8. ¾ Enzimele catalizează reacţii de desfacere şi formare de legături în condiţii fiziologice compatibile cu viaţa. Aceleaşi reacţii ar necesita în laborator condiţii de temperatură, presiune, pH, improprii vieţii. ¾ Spre deosebire de catalizatorii chimici, enzimele se caracterizează prin specificitate (absolută sau relativă) de substrat sau de acţiune. Specificitatea de substrat absolută este proprietatea enzimelor de a acţiona asupra unui singur substrat (de exemplu, ureaza catalizează numai descompunerea ureei). Acest tip de specificitate este determinat de o anumită secvenţă a aminoacizilor componenţi ai apoenzimei. Specificitatea de substrat relativă este proprietatea enzimelor de a acţiona asupra unui grup de substraturi cu structură chimică apropiată. De exemplu, maltaza catalizeaza hidroliza poliglucidelor în care componentele glucide sunt legate α-glicozidic. Specificitatea de substrat poate fi: stereochimică, dacă enzima catalizează transformarea doar a unui singur izomer din mai mulţi posibili (de exemplu: a izomerului trans, sau a izomerului cis; a izomerului dextrogir, sau a celui levogir). Specificitatea de substrat poate fi specificitate de legătură, dacă enzima catalizează formarea sau scindarea unui anumit tip de legătură (peptidică, glicozidică, eterică, esterică etc.), indiferent de natura substanţei care o conţine. De exemplu: lipazele catalizează hidroliza gliceridelor indiferent de natura acidului gras component. Specificitatea de acţiune absolută este caracteristica enzimelor de a cataliza o singură reacţie, dintre multiplele reacţii posibile. Specificitatea de acţiune relativă este proprietatea enzimelor de a cataliza un anumit tip de reacţie, dată de un grup de substraturi înrudite. Acest tip de specificitate a enzimelor este determinat mai ales de natura cofactorilor (gruparea prostetică, coenzima) şi mai rar de natura apoenzimei.
MECANISMUL DE ACŢIUNE A ENZIMELOR. CINETICA REACŢIILOR ENZIMATICE Mecanismul de acţiune a enzimelor este analog cu cel al catalizatorilor chimici. Enzimele sunt capabile să accelereze viteza de desfăşurare a diferitelor reacţii (micşorează energia de activare), absolut necesare pentru menţinerea şi reproducerea materiei vii. Enzimele catalizează numai reacţii termodinamic posibile, care se pot produce şi fără participarea lor, dar într-un timp mai îndelungat şi uneori în condiţii incompatibile cu materia vie. Spre deosebire de catalizatorii nebiologici, enzimele au un randament mult mai ridicat, care asigură mersul reacţiei biochimice, în majoritatea cazurilor într-un singur sens, fără reacţii secundare. Ele preîntâmpină descompunerea unor substanţe instabile în anumite condiţii şi permit realizarea unor procese chimice complexe, cu o cantitate minimă de energie. Enzimele participă activ la procesele catalitice, parcurgând următoarele etape: • activarea moleculelor substratului (S), prin scăderea energiei de activare a acestuia, şi formarea complexului intermediar disociabil, enzimă-substrat (ES), mai activ decât substratul ca atare; • transformarea complexului enzima-substrat (ES) în produsul de reacţie (procesul catalitic
efectiv), mai întâi legat de enzimă (EP), şi în final, prin eliberarea enzimei, obţinerea produsului de reacţie, (P). Schematic, mecanismul catalizei enzimatice, conform teoriei etapelor intermediare, poate fi reprezentat astfel: E + S = ES ;
ES
EP ;
EP
P+E
sau considerat ca echilibru:
E+S
k1
ES
k -1
k2
PE
k -2
k3
P+E
k -3
Ţinând cont că transformarea ES → EP este practic instantanee iar reacţia de transformare P + E → EP este nulă (enzima fiind specifică pentru substrat nu şi pentru produs), sistemul de ecuaţii de mai sus devine:
E+S
k1
ES
k2
P+E
k-1
şi poartă denumirea de echilibrul Michaelis-Menten.
Factorii care influenţează viteza reacţiilor enzimatice Reacţiei de formare şi de descompunere a compusului enzimă-substrat i se poate aplica legea acţiunii maselor şi se poate determina astfel constanta de echilibru. Viteza reacţiilor enzimatice depinde în mare măsură de concentraţia enzimei şi de concentraţia substratului. a) Influenţa concentraţiei enzimei asupra vitezei reacţiei enzimatice
Viteza reacţiei enzimatice este direct proporţională cu concentraţia enzimei prezente în mediul de reacţie (figura 6.1):
v mol/s
[E] mol/L Fig. 6.1. Influenţa concentraţiei enzimei asupra vitezei reacţiei enzimatice
În unele cazuri, de obicei când sunt prezenţi în sistem şi alţi factori, curba care reprezintă
dependenţa vitezei de concentraţia enzimei, este deviată faţă de cea normală. Abaterile de la această comportare se pot datora prezenţei inhibitorilor, folosirea unei concentraţii de substrat sub limita de saturare a enzimei etc. b) Influenţa concentraţiei substratului asupra vitezei reacţiei enzimatice
S-a constatat că dacă se pleacă de la o cantitate fixă de enzimă şi se măreşte treptat concentraţia substratului, se va forma o cantitate mai mare de complex enzimă-substrat, viteza reacţiei va creşte treptat, până când toată enzima s-a combinat cu substratul. Acest stadiu reprezintă momentul de saturare a enzimei, iar viteza va fi maximă (vmax). Dacă se măreşte în continuare concentraţia substratului, viteza de reacţie nu se va mări, deoarece nu există enzimă liberă care să intre în reacţie cu substratul. Momentul de saturare a enzimei este dificil de stabilit, deoarece acesta variază în funcţie de concentraţia enzimei şi de concentraţia substratului. În practică, activitatea enzimatică se apreciază după concentraţia substratului, când jumătate din cantitatea de enzimă este combinată cu substratul sub formă de complex enzimă-substrat. în acest caz, viteza reacţiei este jumătate din valoarea sa maximă. Acest punct reprezintă constanta Michaelis (KM) şi reprezintă concentraţia substratului pentru care viteza de reacţie este jumătate din viteza maximă. Deci, pentru v = vmax/2, rezultă KM = [S] (vezi figura 6.2). v mol/s vmax
vmax/2
KM
[S] mol/L
Fig. 6.2. Influenţa concentraţiei substratului asupra vitezei reacţiei enzimatice
Constanta Michaelis are valorile unor concentraţii şi se exprimă în moli/L. Constanta Michaelis se poate utiliza pentru a determina afinitatea enzimei faţă de substrat. Cu cât KM va avea o valoare mai mare, cu atât afinitatea enzimei faţă de substrat va fi mai mică şi invers. Relaţia cantitativă dintre viteza reacţiei enzimatice, concentraţia substratului şi valoarea KM, care exprimă viteza reacţiei enzimatice în fiecare moment, este dată de ecuaţia MichaelisMenten:
v=
v max ⋅ [S] K M + [S]
Constanta lui Michaelis este o mărime importantă nu doar din punct de vedere al cineticii enzimatice ci şi pentru măsurătorile cantitative ale activităţii enzimatice din ţesuturi. Cercetări recente au pus în evidenţă importanţa medicală a constantei KM. Unele cazuri de leucemie (în
care are loc o creştere enormă a numărului de leucocite) pot fi regresate prin administrarea intravenoasă a enzimei asparaginaza care catalizează reacţia de hidroliză a asparaginei la acid aspartic şi amoniac. Prin injectarea intravenoasă a asparaginazei (factor de creştere a leucocitelor), fenomenul de creştere a leucocitelor este stopat. Cercetările asupra surselor de asparaginază au demonstrat ca enzima are valori diferite ale KM în funcţie de provenienţă (bacterii, plante, animale). Deoarece concentraţia de asparagină din sânge este foarte mică, cantitatea de asparaginază injectată va avea efect terapeutic, doar dacă valoarea KM va fi suficient de mică pentru a hidroliza rapid asparagina aflată în concentraţii mici în sânge. Activitatea enzimatică se exprimă prin unitatea enzimatică, respectiv cantitatea de enzimă care poate cataliza transformarea unui micromol de substrat în timp de un minut. Activitatea enzimatică în cazul enzimelor pure se determină prin numărul de molecule de substrat care pot fi metabolizate într-un minut de o singură moleculă de enzimă. Această mărime se numeşte raport de transformare (turnover number). c) Influenţa temperaturii asupra vitezei reacţiei enzimatice
Activitatea enzimelor este foarte mult influenţată de temperatură. Asemănător celor mai multe dintre reacţiile chimice, viteza reacţiei enzimatice creşte cu creşterea temperaturii (se dublează la creşterea temperaturii cu 10 0C). Pentru fiecare enzimă există o temperatură la care activitatea enzimatică este maximă, numită temperatură optimă (în general, cuprinsă între 20-40 0C. Până la atingerea temperaturii optime, activitatea enzimatică creşte proporţional cu creşterea temperaturii. După atingerea acestei temperaturi, activitatea enzimatică scade rapid cu creşterea temperaturii, datorită denaturării părţii proteice a enzimei, acelaşi fenomen având loc la scăderea temperaturii sub cea optimă (fenomene utilizate în practică la păstrarea alimentelor prin fierbere sau congelare). Cele mai multe enzime sunt inactivate la temperaturi peste 55-60 0 C, cu excepţia enzimelor din bacteriile termofile (din izvoarele termale), active şi peste 85 0C. Influenţa temperaturii asupra vitezei reacţiei enzimatice este redată în figura 6.3.
Temperatura optimă
v mol/s
40
Temperatura 0C
Fig. 6.3. Influenţa temperaturii asupra vitezei reacţiei enzimatice
Unele enzime, cum ar fi ribonucleazele, îşi pierd activitatea la încălzire, dar şi-o regăsesc rapid la răcire, fapt care indică refacerea conformaţiei iniţiale a catenelor polipeptidice desfăcute. Temperatura critică a unei enzime este temperatura la care enzima pierde jumătate din activitatea sa, în timp de o oră. Temperatura optimă a enzimelor variază cu durata de expunere a acestora la o anumită temperatură. Pentru o durată de timp mai scurtă, temperatura optimă are valori mai mari decât pentru o perioadă de timp mai lungă. Această comportare este importantă deoarece reprezintă un mod de adaptare a enzimelor la condiţiile de mediu.
Legarea enzimei de substrat măreşte rezistenţa acesteia la temperaturi ridicate. Enzimele în stare uscată sau sub formă cristalină rezistă la încălzire până la temperaturi de 100 0C (bobul de cereală uscat suportă temperaturi mai ridicate decât acelaşi bob în stare umedă). Temperaturile joase nu distrug activitatea enzimelor ci numai o micşorează sau o opresc în mod reversibil. Soluţiile enzimatice diluate (1%) prin congelare, urmată de topire, îşi măresc activitatea enzimatică, datorită eliberării de noi centri activi din molecula enzimei, în urma proceselor de îngheţ-dezgheţ. În cazul soluţiilor concentrate, activitatea enzimatică se micşorează după îngheţ, datorită formării unor agregate moleculare care blochează centrii activi. Fiecărei enzime i se poate stabili o temperatură minimă (începând cu 0 0C) la care începe activitatea enzimatică, o temperatură optimă, la care activitatea enzimatică este maximă, şi o temperatură maximă la care activitatea enzimatică încetează. d) Influenţa valorii pH asupra activităţii enzimatice
Activitatea enzimelor este influenţată în mod accentuat şi de concentraţia ionilor de hidrogen din mediul de reacţie, deci de pH. Enzimele îşi manifestă activitatea numai între anumite limite de pH (limite inferioare şi limite superioare). Cele mai multe enzime manifestă activitate maximă la valori caracteristice ale pH-ului (pH optim). Valoarea pH-ului optim depinde de natura şi de originea enzimei, de mediul de reacţie, de proprietăţile acido-bazice ale enzimei şi de factorii biologici. Influenţa valorii pH asupra activităţii enzimatice este redată în figura 6.4.
Interval de pH optim
v mol/s
pH
Fig. 6.4. Influenţa valorii pH asupra activităţii enzimatice
În general, pH-ul optim coincide cu pH-ul lichidelor din organism, unde enzimele îşi exercită activitatea. Astfel, pH-ul optim al pepsinei din stomac este cuprins între 1,4-1,5; pH-ul optim al tripsinei din pancreas între 7,8-8,7; al amilazei din malţ între 4,7-5,2 etc. Majoritatea enzimelor vegetale au un pH optim cuprins între 5,3-7,6. În afara limitelor de pH stabilite, enzimele devin inactive. Valori prea mari ale pH-ului (alcalinitate mărită) sau prea mici (aciditate mărită), afectează activitatea enzimatică prin denaturarea părţii proteice sau perturbarea echilibrelor de disociere ale grupelor funcţionale ale centrului activ al enzimei, ca şi modificarea geometriei centrilor activi. Valoarea pH-ului optim este influenţată de temperatură, de ionii din soluţie, de natura şi de concentraţia substratului, de originea enzimei, de factorii biologici etc. Acţiunea pH-ului asupra activităţii enzimatice se explică prin influenţa ionilor de hidrogen asupra gradului de ionizare a enzimei şi a substratului. Unele enzime au activitate maximă sub formă nedisociată, altele sub formă disociată.
e) Influenţa activatorilor enzimatici
Activatorii sunt compuşi chimici care măresc activitatea enzimelor (intervin în mecanismul acţiunii enzimatice), fie prin stimularea directă a acestora, fie prin îndepărtarea unor inhibitori din sistem. Activatorii se clasifică după efectul produs în: • Activatori care acţionează prin deblocarea centrilor activi din molecula enzimelor. Unele enzime, denumite proenzime, sunt secretate sub formă inactivă, cu grupările active blocate (mascate) de polipeptide sau de alte substanţe. Proenzimele se transformă în enzime active sub influenţa unor enzime kinaze, care îndepărtează substanţele inhibitoare. • Activatori care acţionează asupra enzimei prin înlăturarea din sistem a unor inhibitori ai enzimei. Substanţele, adăugate unei soluţii enzimatice pentru protejarea enzimei împotriva factorilor care o inactivează sau o denaturează, se numesc protectori. De exemplu, proteinele activează ureaza prin captarea ionilor inhibitori din sistem (de exemplu, ionul cianură (CN−) înlătură efectul inhibitor al Cu2+ asupra ureeazei, prin formarea cianurii complexe de cupru, stabilă). • Activatori care sunt componente ale enzimelor sau care stimulează direct activitatea acestora. Sunt activatori specifici pentru anumite enzime o serie de cationi metalici şi anioni, astfel, fosforilaza este activată de Mg2+, fosfoglucomutaza de Mg2+, şi de Mn2+, fosfataza de Ca2+ şi de Mn2+, amilaza salivară este activă numai în prezenţa ionilor de clor, proteazele vegetale sunt activate de glutationul redus etc.
f) Inhibitori ai enzimelor Inhibitorii sunt substanţe care acţionând asupra enzimelor, influenţează negativ desfăşurarea activităţii enzimatice până la anularea ei, reversibilă sau ireversibilă. Studiul inhibitorilor furnizează informaţii utile asupra specificităţii de substrat, tipului de grupe funcţionale şi mecanismului de acţiune enzimatică. • Inhibitorii ireversibili modifică profund structura moleculelor enzimatice, provocând denaturarea proteinei şi deci anularea activităţii catalitice a enzimei. Complexul enzimă-inhibitor format, este nedisociabil, iar prin îndepărtarea inhibitorului, enzima nu-şi mai recapătă funcţia catalitică, partea proteică fiind distrusă. Astfel de inhibitori ireversibili sunt: compuşii cu Pb2+, Hg2+, CN−, cu CO, compuşii cu arsen etc. • Inhibitorii reversibili acţionează asupra cineticii reacţiei enzimatice, fără a produce modificări la nivelul structurii enzimei. Inhibiţia produsă de aceşti inhibitori poate fi (în funcţie de natura şi de specificul ei) de tip: competitiv, necompetitiv şi alosteric. • Inhibiţia competitivă rezultă dintr-o competiţie (pentru ocuparea situsului activ al enzimei), între substrat şi inhibitorul care are o structură moleculară asemănătoare cu a substratului. Deoarece o parte din enzimă se combină cu inhibitorul, se micşorează cantitatea de enzimă care se combină cu substratul şi scade astfel viteza de reacţie. Influenţa inhibitorului se poate micşora prin mărirea concentraţiei substratului. Exemple de inhibiţie competitivă: acidul malonic HOOC-CH2-COOH, care prezintă analogie structurală cu acidul succinic HOOC-CH2-CH2-COOH, poate fi inhibitor competitiv în reacţia de dehidrogenare a acestuia cu succinatdehidrogenaza (reacţie din ciclul Krebs):
HOOC CH CH COOH + FADH2
HOOC CH2 CH2 COOH + FAD acid succinic
acid fumaric
În afară de acidul malonic, şi alţi acizi dibazici (acidul oxalic, acidul oxalilacetic, acidul pirofosforic) pot fi inhibitori competitivi ai succinatdehidrogenazei. Inhibiţia competitivă se produce şi în cazul vitaminelor de către antivitamine, hormoni-antihormoni, enzime-antienzime. • Inhibiţia necompetitivă se caracterizează prin faptul că inhibitorul nu are o structură asemănătoare cu substratul. În inhibiţia necompetitivă, inhibitorul reacţionează cu enzima, cu complexul enzimă-substrat şi foarte rar cu substratul, formând complexe inactive enzimă-inhibitor (EI), sau enzimă-substrat-inhibitor (ESI). Prin formarea acestor complexe inactive (EI, ESI), care nu conduc la formare de produs de reacţie (P), viteza reacţiei enzimatice este micşorată, deoarece chiar dacă se măreşte concentraţia substratului (S), inhibitorul nu poate fi înlăturat din complexul EI. S E
ES
P+E
I S EI
ESI
Inhibiţia necompetitivă se poate realiza în mai multe moduri: • Inhibiţia prin blocarea sau transformarea grupelor funcţionale tiolice (-SH), centrii activi ai enzimelor, prin reacţii cu metale grele (Hg, Pb, Ag, As etc.) cu formare de mercaptide, prin reacţii de oxidare sau reacţii de alchilare. • Inhibiţia prin blocarea metalului din componenţa enzimei sau a activatorilor din mediul de reacţie. De exemplu, fluorurile şi oxidanţii extrag ionii de Mg2+ şi de Ca2+ din molecula enzimei, iar cianurile, H2S şi CO scot fierul din enzimele feroporfirinice. • Inhibiţia prin combinarea inhibitorului cu substratul se datorează scăderii concentraţiei substratului. Tipul de inhibiţie se poate determina dacă se menţine constantă concentraţia inhibitorului şi se modifică concentraţia substratului. Dacă se constată creşterea vitezei de reacţie cu creşterea concentraţiei substratului, are loc o inhibiţie competitivă, în caz contrar inhibiţia este necompetitivă. Inhibarea enzimelor se produce şi prin agitare îndelungată, sub acţiunea diferitelor radiaţii ionizante (UV, X etc.), la presiuni ridicate şi sub influenţa substanţelor care determină precipitarea proteinelor (acid tricloracetic, tanin etc.).
NOMENCLATURA ŞI CLASIFICAREA ENZIMELOR Denumirea enzimelor s-a acordat iniţial, ţinând cont de numele substratului asupra căruia acţionează, sau de numele reacţiei catalizată, la care se adaugă sufixul aza. De exemplu, enzima care biocatalizează descompunerea amidonului se numeşte amilaza cea care acţionează asupra zaharozei se numeşte zaharaza etc., enzimele care biocatalizează reacţii de hidroliză se numesc hidrolaze, cele care catalizează reacţii de oxido-reducere se numesc oxido-reductaze etc. Odată cu creşterea numărului de enzime izolate şi caracterizate, pentru prevenirea confuziilor în stabilirea numelui enzimelor, ţinând cont că ele pot manifesta specificitate relativă (pot acţiona asupra mai multor substraturi) şi că asupra unui substrat pot acţiona enzime
diferite, a fost adoptată noua nomenclatură şi sistemul de clasificare (Congresul Internaţional de Biochimie, Moscova, 1961). Sistemul de clasificare şi numerotare a enzimelor, precum şi noua nomenclatură sistematică se bazează pe reacţia chimică catalizată de enzimă, unicul criteriu care permite deosebirea enzimelor între ele. În acest sistem enzimele sunt împărţite în clase, după tipul reacţiei catalizate, iar acestea sunt împărţite în subclase care definesc mai exact caracterul reacţiei enzimatice respective. Numele fiecărei enzime se defineşte printr-un termen alcătuit din trei părţi: • denumirea substratului asupra căruia acţionează enzima; • denumirea tipului de reacţie catalizată de enzimă; • sufixul “aza”. De exemplu, enzima care catalizează dehidrogenarea acidului lactic se numeşte lactatdehidrogenaza, cea care catalizează decarboxilarea acidului piruvic se numeşte piruvatdecarboxilaza. Denumirea transferazelor se formează din prefixul trans, numele substratului şi sufixul aza (transaminaze, transmetilaze, transfosfataze etc.). Noua clasificare prin sistemul zecimal prezintă avantajul că reacţiile chimice catalizate de enzime pot fi grupate într-un număr mic de tipuri de reacţii. Conform acestui sistem zecimal de clasificare, fiecare enzimă este caracterizată printr-un cod format din patru cifre. Prima cifră precizează clasa din care face parte enzima. Enzimele cunoscute în prezent sunt grupate în 6 clase principale: 1. Oxidoreductaze 2. Transferaze 3. Hidrolaze 4. Liaze 5. Izomeraze 6. Ligaze (Sintetaze). A doua cifră a codului defineşte subclasa, furnizând informaţii asupra tipului de grupă funcţională, respectiv asupra tipului de legătură chimică implicată în reacţie. De exemplu, din clasa hidrolazelor fac parte subclasele esteraze (hidrolizează legătura esterică), glicozidaze (hidrolizează legătura glicozidică), amidaze (hidrolizează legătura amidică) etc. În cazul transferazelor, a doua cifră indică natura grupelor funcţionale transferate; la ligaze şi liaze, tipul de legături chimice care se formează şi se degradează; la oxidoreductaze se specifică natura chimică a grupei funcţionale supusă oxidării (alcoolică, aldehidică, cetonică etc.) iar la izomeraze se indică tipul reacţiilor de izomerizare. Cifra a treia precizează subdiviziunile din cadrul unei subclase (de exemplu, natura unei grupe funcţionale transferate, natura acceptorului etc.). Astfel, în subclasa esterazelor există mai multe grupe de enzime care acţionează asupra anumitor substraturi. De exemplu: fosfolipazele acţionează numai asupra fosfolipidelor, clorofilazele numai asupra cloroglobinelor etc. În cazul oxidoreductazelor, cifra a treia indică natura acceptorului care ia parte la reacţie (NADPH+, citocromi, oxigen molecular etc.). Cifra a patra din cod reprezintă numărul de ordine al enzimei în subdiviziunea din interiorul subclasei. De exemplu: enzima “ATP: D-fructozo-6-fosfotransferaza”, are cifrul 2.7.1.4. după care se identifică drept o transferază (2, clasa 2), care transferă reziduu fosfat (cifra 7, subclasa 7), la gruparea alcoolică (cifra1, subdiviziunea 1 a subclasei 7) şi are numărul de ordine 4. Pentru unele dintre enzime se mai păstrează denumirile vechi, conferite cu mult înainte de stabilirea regulilor referitoare la noua nomenclatură (pepsina, tripsina, papaina, emulsina, chimozina etc.). Este prezentată în continuare, la nivelul clasificării în clase şi subclase:
¾ Cheia codului de numerotare şi clasificare a enzimelor
1. OXIDOREDUCTAZE 1.1. Acţionează asupra grupărilor CH-OH ale donorilor 1.2. Acţionează asupra grupărilor aldehidice sau cetonice ale donorilor 1.3. Acţionează asupra grupărilor CH-CH ale donorilor 1.4. Acţionează asupra grupărilor CH-NH2 ale donorilor 1.5. Acţionează asupra grupării C-NH a donorilor 1.6. Acţionează asupra NAD+ şi NADP+ în formă redusă, ca donori 1.7. Acţionează asupra altor compuşi cu azot, ca donori 1.8. Acţionează asupra grupărilor sulfurice ale donorilor 1.9. Acţionează asupra grupărilor hemului ca donor 1.10. Acţionează asupra difenolilor şi substanţelor asemănătoare lor 1.11. Acţionează asupra H2O2 ca acceptor 1.12. Acţionează asupra H2 ca donor 1.13. Acţionează asupra unui singur donor cu încorporare de oxigen (oxigenaze) 1.14. Acţionează asupra unei perechi de donori cu încorporarea oxigenului într-un singur donor (hidrolaze) 2. TRANSFERAZE 2.1. Transferă grupări care conţin un singur atom de carbon 2.2. Transferă resturi aldehidice sau cetonice 2.3. Aciltransferaze 2.4. Glicoziltransferaze 2.5. Transferă grupări alchil sau înrudite 2.6. Transferă grupări cu azot 2.7. Transferă grupări care conţin fosfor 2.8. Transferă grupări care conţin sulf 3. HIDROLAZE 3.1. Acţionează asupra legăturilor esterice 3.2. Acţionează asupra compuşilor glicozilici 3.3. Acţionează asupra legăturilor eterice (tiolice) 3.4. Acţionează asupra legăturilorilor peptidice (peptidhidrolaze) 3.5. Acţionează asupra legăturilor C-N, altele decât cele din legăturile peptidice 3.6. Acţionează asupra legăturii acidoanhidridice din acizi 3.7. Acţionează asupra legăturii C-C 3.8. Acţionează asupra legăturii halogenilor 3.9. Acţionează asupra legăturii P-N 4. LIAZE 4.1. C-C liaze 4.2. C-O liaze 4.3. C-N liaze 4.4. C-S liaze 4.5. C-halogen liaze 5. IZOMERAZE 5.1. Racemaze şi epimeraze 5.2. Cis-trans izomeraze
5.3. Oxidoreductaze intramoleculare 5.4. Transferaze intramoleculare 5.5. Liaze intramoleculare 6. LIGAZE (SINTETAZE) 6.1. Participă la formarea legăturilor C-O 6.2. Participă la formarea legăturilor C-S 6.3. Participă la formarea legăturilor C-N 6.4. Participă la formarea legăturilor C-C
REPREZENTANŢI AI PRINCIPALELOR CLASE DE ENZIME Oxidoreductaze Oxidoreductazele sunt enzime care biocatalizează reacţiile de oxidoreducere din organismele vegetale şi animale. Ele au un rol important deoarece, prin reacţiile de oxidoreducere, organismele îşi procură cea mai mare parte din energia necesară activităţilor fiziologice. Reacţiile de oxidoreducere se realizează prin transfer de electroni şi prin transfer de atomi de hidrogen. După mecanismul de acţiune, oxidoreductazele se clasifică în trei subgrupe: • dehidrogenaze; • transelectronaze; • oxidaze. Dehidrogenaze
Oxidările biologice decurg preponderent în absenţa oxigenului, fiind de fapt dehidrogenări, care au loc prin transfer de atomi de hidrogen de pe o moleculă (care se oxidează) pe altă moleculă (care se reduce). Enzimele care catalizează transferul atomilor de hidrogen de la un substrat la altul sunt dehidrogenazele. Coenzimele lor participă continuu la oxidări şi reduceri, fără să se consume în timpul reacţiei. Atomii de hidrogen nu rămân legaţi în mod permanent pe molecula coenzimei, ci sunt transferaţi printr-o nouă reacţie redox pe o altă moleculă. După natura acceptorului de atomi hidrogen, dehidrogenazele pot fi: • dehidrogenaze anaerobe; • dehidrogenaze aerobe. a) Dehidrogenaze anaerobe Dehidrogenazele anaerobe sunt oxidoreductaze care transportă hidrogenul în interiorul celulelor, de la un substrat donor la altul acceptor (cu excepţia O2 atmosferic). Coenzimele care realizează această transformare sunt codehidrazele de natura piridinnucleotidică: • codehidraza I (Co I): NAD nicotinamidadenindinucleotida; • codehidraza II (Co II): NADP nicotinamidadenindinucleotida fosfat.
Structura chimică a NAD Codehidrazele piridinnucleotidice au o structură dinucleotidică. În compoziţia lor intră nicotinamida (vitamina PP), două molecule de riboză, acid pirofosforic şi adenină. NADP-ul are în plus faţă de NAD un rest de acid fosforic la atomul C2 al ribozei legate de adenină.
O C NH2
NH2 N
N
N
N
N CH2 O P P O CH2
+2H
O
-2H
O NAD+
O
NH2
C NH2
N
N
N
N CH2 O P P O CH2
N
O
O NADH
În condiţii anaerobe mecanismul transferului de hidrogen este următorul: S
H2
substrat donor forma redusã
NADH + coenzima forma redusã
NAD+
+
S
coenzima forma oxidatã
H+
+
+
substrat donor forma oxidatã
S'
NADH
H+
coenzima forma redusã
NAD+ +
substrat acceptor forma oxidatã
+
S'
H2
substrat acceptor forma redusã
coenzima forma oxidatã
Ambele coenzime (NAD şi NADP) se pot prezenta în două forme: o formă redusă şi o formă oxidată. Mecanismul reacţiei de oxidoreducere implică transformarea reversibilă a structurii bazei azotate nicotinamidice (NAD, respectiv NADP) din forma oxidată în forma redusă, prin transferul reversibil al atomilor de hidrogen, astfel: H2 C
H2 C
+2 H+ + 2 e-
NAD+
N R
- 2H - 2 e-
NADH + H+
N R
H
N + H+ R
În transportul hidrogenului, rolul principal revine nucleului piridinic. Codehidraza oxidată preia de pe substrat doi atomi de hidrogen, pe care îi fixează unul la C4 şi unul la atomul de N1 (structură de ion cuaternar de amoniu). Se formează un produs instabil, care prin eliminarea unui proton de la N1 se transformă în forma redusă. Deoarece formele oxidate au la atomul de azot sarcina pozitivă, este corect să se scrie formula acestor coenzime NAD+ şi NADP+, iar pentru formele reduse NADH+H+ (nu NADH2 şi NADPH2). Codehidrazele I şi II pot suferi reacţii de interconversiune în prezenţa ATP-ului şi sub acţiunea fosfatazei: +
+
NAD + ATP
NADP + ADP
Exemple de enzime dehidrogenaze anaerobe care au în structură NAD+ sau NADP+: alcooldehidrogenaza (implicată în fermentaţia alcoolică), aldehiddehidrogenaza, izocitricdehidrogenaza (implicată în ciclul Krebs) etc.
b) Dehidrogenaze aerobe Dehidrogenazele aerobe sunt enzime oxidoreductaze care transportă hidrogenul de la un substrat donor la oxigenul liber (acceptor), formând apa oxigenată, care va fi descompusă ulterior de peroxidaze sau catalaze. Coenzimele componente care realizează acţiunea biocatalitică sunt de natură flavinnucleotidică: • FMN flavinmononucleotida • FAD flavinadenindinucleotida. Ambele coenzime au ca şi componentă principală vitamina B2 cu structură izoaloxazinică. Componenta proteică (apoenzima) este de obicei o albumină. Legătura dintre apoenzimă şi coenzimă se desface uşor în mediu acid şi în prezenţa sulfatului de amoniu. Flavinmononucleotida (FMN) este formată dintr-un nucleu izoaloxazinic, din ribitol şi acid fosforic. O H3C
N
H3C
N
NH N
O
CH2 HC OH HC OH HC OH O H2C O
P OH OH
Legătura dintre FMN şi apoenzimă se poate realiza la nivelul nucleului izoloxazinic şi la nivelul acidului fosforic. Dintre flavinenzimele mononucleotidice se pot menţiona: fermentul galben respirator, L-aminoacidoxidaza etc.
Flavinadenindinucleotida (FAD) este formată dintr-un nucleu izoloxazinic, ribitol, acid pirofosforic şi adenină. FAD are o structură de dinucleotidă, fiind formată prin unirea a două mononucleotide: FMA şi AMP. O H3C
N
H3C
N
NH2 N
NH N
CH2
N
N
CH HC OH
HC OH
HC OH
HC OH O
O
O
NH2 N
NH N H
N
O
N N
CH
+ 2H
HC OH
HC OH
- 2H
HC OH
HC OH
HC OH O
HC
P O P O CH2 OH
O
CH2
HC OH
H2C O
H3C
N
N
O
H3 C
H N
H2C O
O
O
HC
P O P O CH2
OH
OH
OH
În condiţii aerobe mecanismul transferului de hidrogen este următorul: S
H2
+
substrat donor forma redusã
FADH2 coenzima forma redusã
+
+
FAD
S
coenzima forma oxidatã
substrat donor forma oxidatã
FADH2 coenzima forma redusã
FAD + H2O2
O2
coenzima forma oxidatã
substrat acceptor
catalaza
H2O + 1/2 O2
Mecanismul transferului de atomi de hidrogen în condiţii aerobe este posibil datorită transformării reversibile a structurii nucleului izoaloxazinic (vitamina B2) din structura FAD. Nucleul izoaloxazinic se poate prezenta sub o formă oxidată, cu duble legături conjugate şi o formă redusă, fără legături duble la atomii de azot N1 şi N10. Forma oxidată a flavinenzimelor este colorată, iar forma redusă este incoloră. O H3C
H3C
O
N NH N
R
H3C
N
NH
+2 H -2 H
N
H3C
H N
O
N H
O
R
Dintre flavinenzimele cu FAD se pot menţiona: xantinoxidaza, D-aminoacidoxidaza, succindehidrogenaza, glucozoxidaza, aldehidoxidaza etc. • Glucozoxidaza acţionează asupra substratului glucoză, pe care o oxidează la acid gluconic: R−CH=O + FAD
R−COOH + FADH + H+
FADH + H+ + O2
FAD + H2O + ½ O2
• Aldehidoxidaza acţionează asupra acetaldehidei, pe care o oxidează la acid acetic:
CH3−COOH + FADH + H+
CH3−CH=O + FAD + H2O
FADH + H+ + O2
FAD + H2O + ½ O2
Transelectronaze
Transelectronazele sunt enzime care catalizează reacţii de oxido-reducere care decurg prin transfer de electroni de pe un donor pe un acceptor. Dacă donorul este: • Oxigenul, enzimele sunt transelectronaze aerobe; • Nu este oxigenul, enzimele sunt transelectronaze anaerobe. Transelectronazele sunt reprezentate prin cromoproteidele citocromi, constituiţi dintr-o parte proteică (apoenzima cu caracter bazic) şi o coenzimă cu structură feriporfirinică (citocromul propriu-zis). Transportul de electroni se realizează prin modificarea cifrei de oxidare a fierului: Fe
2+
-e +e
Fe
3+
Fierul porfirinic se leagă prin două legături coordinative de atomul de azot imidazolic al aminoacidului histidina din catena polipeptidică a enzimei. Citocromii sunt prezenţi numai în celulele aerobe şi participă la realizarea procesului de respiraţie. Cantitatea lor în celule depinde de capacitatea respiratorie a celulei. Se cunosc mai multe tipuri de citocromi care se deosebesc între ei prin substituenţii nucleelor pirolice, potenţialul redox etc. Eliberarea şi transportul de electroni se realizează prin trecerea citocromului din starea feroasă (Cit. Fe2+) în starea ferică (Cit. Fe3+), în prezenţa O2 şi a citocromoxidazei. Citocromii deţin, ca transportori de electroni, un rol important în catena de respiraţie celulară (lanţul respirator). Ei participă, ca intermediari, la procesul de formare a apei, produs final al metabolismului glucidic. Energia eliberată în procesele de oxidare (H - e− = H+) este stocată în moleculele de ATP care se sintetizează. Transferul de electroni de la un tip de citocrom la altul se face în ordinea potenţialelor redox: citocrom b → citocrom c1 → citocrom c → citocrom a → citocrom a3 În toate organismele vegetale şi animale s-au identificat citocromii a1, a3, b, b1, b5, c1 etc. Citocromii b3, b6, b7, f, s-au identificat numai în plante, iar citocromii c2, c3, b4 numai în microorganisme. Oxidaze
Oxidazele sunt enzime oxidoreducătoare care catalizează reacţiile dintre diferite substraturi şi oxigenul molecular sau cel peroxidic. Oxidazele se clasifică în: • oxigenaze;
• hidroxilaze; • oxidaze transportoare de electroni. a) Oxigenazele determină combinarea directă a substratului cu oxigenul molecular. Ele catalizează reacţii de tipul:
AH + O2
AOOH
sau
A + O2
AO2
Exemple de enzime oxigenaze: lipoxidaza, care catalizează oxidarea acizilor nesaturaţi din ţesuturilor vegetale, indoloxidaza, triptofanoxidaza etc. b) Hidroxilazele (monooxigenaze) sunt enzime care catalizează oxidarea substratului cu formarea concomitentă a apei. Din oxigenul molecular, un atom va servi la oxidarea substratului iar celălalt la formarea apei:
AH2 + O2 + S
H2O + SO + A
sau
AH2 + 1/2 O2
A + H2O
Reacţiile au loc în prezenţa unui donor de hidrogen (AH2) care poate fi: NADH + H+, NADPH + H+, FADH2 etc. Cele mai importante dintre enzimele hidroxilaze sunt: fenilalaninhidroxilaza, lizinhidroxilaza, steroidhidroxilaza etc.
c) Oxidazele transportoare de electroni conţin în moleculă ioni metalici (Cu, Fe) şi catalizează reacţia de oxidare a substratului cu ajutorul oxigenului atomic foarte reactiv. Enzimele care conţin atomi de cupru se numesc cuproxidaze, cele care conţin atomi de fier se numesc feroxidaze. Dintre cuproxidaze fac parte fenolazele (fenoloxidaze, răspândite în regnul vegetal), enzime care catalizează oxidarea fenolilor la chinone, ascorbicoxidaza, care catalizează oxidarea acidului ascorbic la acid dehidroascorbic, tirozinaza etc. Dintre feroxidaze, cele mai importante sunt peroxidazele şi catalazele. Peroxidazele descompun apa oxigenată numai în prezenţa unui acceptor de oxigen sau a unui donor de hidrogen: H2O2 + AH2 H2O2 + A
2 H2O + A AO + H2O
Peroxidazele catalizează şi reacţii de polimerizare, cum ar fi, formarea melaninei şi a ligninei. Ele sunt răspândite preponderent în plante, în organite denumite peroxizomi. Catalazele descompun apa oxigenată cu degajare de oxigen:
H2O2
H2O + 1/2 O2
Ca şi peroxidazele, catalazele sunt răspândite în celulele vegetale unde acţionează prin descompunerea apei oxigenate, substanţă toxică pentru organismele vii, care se formează sub acţiunea unor flavinenzime sau a radiaţiilor. Ca donatori de atomi de hidrogen pot funcţiona: metanolul, etanolul, fenolii, aminoacizii etc.
Transferaze Sunt enzime care biocatalizează reacţiile de transfer de atomi sau grupe de atomi de la o moleculă donor la una acceptor. Coenzimele care realizează acţiunea catalitică a transferazelor sunt foarte diferite din punct de vedere chimic, iar energia de legătură a grupării transferate este păstrată. În funcţie de natura grupării transferate deosebim următoarele tipuri de enzime transferaze: • metiltransferaze (transmetilaze), enzime care transferă grupe metil (-CH3); • transaminaze, care transferă grupa amino (-NH2); • transfosfataze, care transferă resturi de acid fosforic (-H2PO3); • transaldolaze, transferă grupe carbonil aldehidice (RCH=O); • transcetolaze, transferă grupe carbonil cetonice (R2C=O); • transacilaze, transferă grupe acil (R-C=O) etc. Dintre substanţele donatoare de grupe metil se pot menţiona: colina, diferite betaine, nicotina etc. Aceste substanţe donatoare au, în general, grupa metil legată de un atom de azot sau de sulf. Dintre acceptorii de grupări metilice fac parte: colamina, cisteina, nicotinamida, glicina. Dintre coenzimele transaminazelor importanţă deosebită au piridoxalfosfatul şi piridoxaminfosfatul. CH2OH CH2 O PO3H2 HO
HO H3C
CHO
N
piridoxolfosfat
H3C
CH2NH2
CH2 O PO3H2 HO N
piridoxalfosfat
H3C
CH2 O PO3H2 N piridoxaminfosfat
Transferul diferiţilor radicali acil (proveniţi din acizi organici) este catalizat de coenzima A (HS~CoA), care participă la numeroase procese biochimice. Coenzima A este un precursor important în biosinteza colesterolului, a acizilor graşi, de care se leagă printr-o legătură macroergică (~). Partea activă a coenzimei A este gruparea tiolică (-SH) din cisteamină, de aceea coenzima se notează prescurtat HSCoA. Formarea acil-CoA din acizii organici, se realizează cu consum de energie şi decurge în prezenţa ATP-ului şi a enzimelor tiokinaze: R−COOH + HS~CoA + ATP
R−CO~S−CoA + AMP + P − P
Coenzima A este formată din adenină, riboză fosforilată, acid pirofosforic, acid pantotenic şi cisteamină. Structura chimică a coenzimei A este:
NH2 N
N
N
N
HC
COENZIMA A (HSCoA)
O cisteamina
HC OH HC O
P
HC
OH O OH
O
CH2
O
SH CH2 O
P
O
P
OH
O
CH2
OH
CH3
OH
O
C
CH
C NH
CH2
CH2
O
CH2
C
NH
CH3 acid pantotenic
adenozin-3,5-difosfat
Legătura dintre coenzima A şi radicalul acil este o legătură macroergică, care eliberează la hidroliză 8 Kcal/mol. Coenzima A şi acetilcoenzima A (CH3-CO~SCoA) apar frecvent, în organismele vii, la încrucişarea unor căi biochimice, contribuind la stabilirea unor corelaţii metabolice între glucide şi lipide. Este un precursor important în biosinteza acizilor graşi, a fitolului (component al clorofilei), în biodegradarea aerobă a glucidelor etc. • Transfosfatazele (fosfotransferaze) sunt enzime care catalizează transferul de radicali fosfat -H2PO3 de pe un donor pe un acceptor, fără formare de acid fosforic liber (H3PO4). Transfosfatazele poartă denumiri caracteristice, în funcţie de natura donorului şi a acceptorului: - fosfomutaze (transfosfataze), dacă transferul grupei fosfat se produce în aceeaşi moleculă, de la o poziţie la alta: 6
6
CH2O
CH2OH H 4
OH
5
O OH
3
H
O
P
1
H
H
2
OH
H
P
5
O
OH
H
1
fosfomutaza 4
OH
OH 3
H
glucozo-1-fosfat
H 2
OH glucozo-6-fosfat
- fosfokinaza catalizează transferul restului de acid fosforic sau pirofosforic de pe ATP pe un acceptor A, conform reacţiei: ATP + A ATP + A
A- P + ADP AMP + A- P - P
6
6
1
H2C OH
CH2O
P
O 5
H
H
OH
4
fosfokinaza + ATP
2
H
OH
4
P
2
OH
3
H
OH
H
OH
CH2O
H
5
OH
3
1
P O
H2C O
fructozo-1-fosfat
fructozo-1,6-difosfat
• Transglicozidazele catalizează biosinteza şi biodegradarea oligoglucidelor, poliglucidelor şi a unor glicozide, reacţii care decurg cu transfer de radicali glicozil. - Nucleozidfosforilazele catalizează reacţiile reversibile de biosinteză, respectiv biodegradare a nucleozidelor prin transferul bazelor purinice pe riboză sau deoxiriboză. - Nucleotidfosforilazele catalizează reacţiile de biosinteză şi biodegradare a nucleotidelor. - Polizaharidfosforilazele catalizează reacţiile de transfer de resturi glicozil de pe un ester fosforic pe o poliglucidă acceptoare, cu formarea unei poliglucide superioare.
Hidrolaze Sunt enzime care catalizează scindarea legăturilor chimice din compuşii biochimici cu implicarea ionilor apei. Hidrolazele au un rol important în procesul de germinare a seminţelor şi în procesul de digestie. Ele determină hidroliza unor substanţe compuse care conţin în moleculă legături covalente: C-O, C-N, C-S, C-C, P-N etc. În general, reacţiile de hidroliză sunt reversibile, însoţite de variaţii de energie, mai ales în cazul hidrolizei tioesterilor cu coenzima A. Unele dintre cele mai importante hidrolaze sunt: • C-O hidrolazele (esteraze şi glicozidaze); • C-N hidrolazele (amidaze şi peptidaze). a) Esterazele sunt enzime care scindează legături esterice şi anume: • fosfoesteraze, care catalizează scindarea hidrolitică a monoesterilor şi diesterilor acidului fosforic cu formarea acidului ortofosforic şi a unui alcool: O
O R CH2 O
OH + HOH
P
R CH2 OH + HO P
OH
OH
OH
Fosfodiesterazele scindează hidrolitic legătura fosfodiesterică dintre nucleotide. Din clasa esterazelor fac parte şi lipazele, lecitinazele, colesterolesterazele, clorofilazele, pectinazele, sulfatazele etc. • carboxilesterazele scindează legăturile din esterii acizilor carboxilici: O R
O +
C O
'
R
ester carboxilic
HOH
R
C
+
OH acid carboxilic
R'
OH
Din această subclasă a hidrolazelor fac parte: - lipazele (glicerolesterhidrolazele), care catalizează hidroliza gliceridelor cu formare de glicerol şi acizi graşi superiori; - fosfolipazele, care eliberează acizii graşi superiori din α- şi ß-glicerofosfatide; - tioesterazele, enzime care catalizează scindarea moleculelor tioesterilor. R CO S R' + HOH
R COOH + R' SH
De exemplu, acil-SCo A hidrolazele scindează legătura tioesterică din acil-coenzima A:
R CO~SCoA + HOH
R COOH + HS CoA
b) Glicozidazele (carbohidrazele) sunt hidrolaze care catalizează scindarea legăturilor glicozidice din oligo- şi poliglucide, conform reacţiei generale:
G1 O G2
+ HOH
diglucidă
G1 OH monoglucidă 1
+
G2 OG
monoglucidă 2
Glicozidazele prezintă specificitate faţă de: tipul de glucid (glicozidaze, galactozidaze etc.), natura legăturii (α-sau β-glicozidică), tipul de stereoizomer (D sau L). Exemple de glicozidaze: Substrat maltoza celobioza zaharoza amidon
Enzima maltaza (oligoglucozidaza) celobiaza (oligoglucozidaza) zaharaza (oligofructozidaza) amilaza (poliglicozidaza)
Legătura scindată
Produs de reacţie
glicozidică C1-C4 glicozidică C1-C4 fructozidică C1-C2 glicozidică C1-C4 şi C1-C6
glucoza glucoza glucoza + fructoză dextrine; maltoză; glucoză
c) Amidazele sunt hidrolaze care scindează legătura C-N din amide. De exemplu, ureeaza catalizează descompunerea ureei în CO2 şi amoniac: O
C
NH2 NH2
+ HOH
2NH3 + CO2
Amidazele catalizează şi transformarea amidelor în amoniac şi acizii corespunzători; de exemplu, amidaza glutaminaza catalizează scindarea glutaminei în acid glutamic şi amoniac. d) Peptidazele sunt hidrolaze care acţionează asupra legăturilor peptidice -CO-NH- din interiorul moleculelor peptidice sau proteice (endopeptidaze), sau de la capetele catenelor peptidice (exopeptidaze), eliberând aminoacizii componenţi. Endopeptidaze mai importante sunt: pepsina, tripsina, catepsina, chimozina etc. Exopeptidazele (enzimele care eliberează aminoacizii terminali din catena peptidelor sau proteinelor) se clasifică în: • aminopeptidaze, sunt exopeptidaze care catalizează scindarea hidrolitică a legăturii peptidice de la extremitatea catenei care posedă un aminoacid terminal cu grupa -NH2 liberă; • carboxipeptidaze, sunt exopeptidaze care catalizează scindarea hidrolitică a legăturii
peptidice de la extremitatea catenei care posedă un aminoacid terminal cu grupa -COOH liberă.
Liaze Liazele sunt enzime care catalizează reacţiile de scindare de legături chimice şi îndepărtarea unor grupe din substrat, printr-un mecanism care decurge fără implicarea proceselor redox sau hidrolitice. Liazele determină scindarea legăturilor C-C, C-N, C-O, C-S, C-X etc. Dintre liazele mai importante fac parte: • decarboxilazele (C-C liaze); • dehidratazele (C-O liaze); • dezaminazele (C-N liaze); • desulfhidrazele (C-S liaze). a) Decarboxilazele sunt liaze care catalizează reacţiile de decarboxilare a substraturilor cetoacizi şi aminoacizi, conform reacţiilor: O R C COOH
O
NH2
decarboxilaza
R C H
R C COOH H
- CO2
cetoacid amină
NH2 decarboxilaza
aldehidă
R CH2
- CO2
aminoacid
Enzima liaza implicată în decarboxilarea aminoacizilor are drept grupare prostetică piridoxalfosfatul (derivat al vitaminei B6), iar liaza care catalizează decarboxilarea cetoacizilor are drept grupare prostetică tiaminpirofosfatul (derivat al vitaminei B1). b) Aldehidliazele catalizează scindarea legăturii C-C cu formare de produşi carbonilici. De exemplu, o enzimă implicată în metabolismul glucidic este aldolaza (fructozo-1,6-difosfatliaza), care scindează fructozo-1,6-difosfatul în două trioze: aldehida fosfoglicerică şi hidroxoacetonfosfatul. c) Dehidratazele catalizează scindarea legăturilor C-O cu formare de apă. Exemple de dehidrataze sunt: aconitaza, fumaratdehidrataza care catalizează transformarea acidului malic în acid fumaric (reacţie din ciclul Krebs de biodegradare aerobă a glucidelor): HO
CH H2C
COOH COOH
HOOC - H2O
CH HC
COOH
acid malic
Dehidrataza enolaza catalizează transformarea acidului fosfoenolpiruvic (vezi biodegradarea anaerobă a glucidelor).
acid fumaric
2-fosfogliceric
în
acid
d) Dezaminazele sunt liaze care catalizează reacţiile de dezaminare intramoleculară cu formarea acizilor nesaturaţi. De exemplu, aspartaza, catalizează dezaminarea acidului aspartic cu formare de acid fumaric:
HOOC CH CH2 COOH NH2
aspartaza
HOOC CH
- NH3
CH COOH
acid aspartic
acid fumaric
Izomeraze Izomerazele sunt enzime care catalizează reacţiile de izomerizare ale diferitelor substraturi. După natura reacţiei de izomerizare catalizată se pot clasifica astfel: • racemaze; • epimeraze; • izomeraze cis-trans; • oxidoreductaze intramoleculare. a) Racemazele acţionează asupra substraturilor cu un singur centru de simetrie, catalizând interconversia formelor D şi L ale aminoacizilor, hidroxiaminoacizilor, monoglucidelor etc. De exemplu, alaninracemaza izomerizează izomerul steric L-alanina la D-alanina:
CH3 H2N
C
CH3 H
H
C
COOH
NH2
COOH
L-alanina
D-alanina
b) Epimerazele acţionează asupra substraturilor cu mai multe centre de simetrie, catalizând reacţiile de epimerizare ale monoglucidelor. Importanţă biologică au racemazele şi epimerazele care intervin în metabolismul glucidic. De exemplu, epimerizarea UDP-glucozei în UDP-galactoză sub acţiunea UDPglucozoepimerazei: 6
6
CH2OH
CH2OH H
5
4
O H
OH OH
3
2
H
UDP-glucoza
OH
O UDP 1
H
OH
epimeraza
5
4
O OH
H
3
H 2
H
O UDP 1
H
OH
UDP-galactoza
c) Izomerazele cis-trans catalizează interconversia celor doi stereoizomeri. Izomerazele cis-trans sunt larg răspândite în natură, la procesul de interconversie participând şi glutationul. De exemplu, maleatcistransizomeraza catalizează transformarea acidului maleic în acid fumaric:
HC HC
COOH
HOOC
CH HC
COOH
acid maleic izomer cis
COOH
acid fumaric izomer trans
d) Oxidoreductazele intramoleculare catalizează reacţiile de interconversiune a aldozelor şi cetozelor, care implică reducerea concomitentă a grupei aldehidice la alcool primar şi oxidarea grupei alcool secundar la cetonă. De exemplu, sub acţiunea fosfotriozizomerazei, aldehida 3fosfoglicerică se izomerizează la hidroxoacetonfosfat: H
C
O
H
C
OH
H2C
OP
H2C
aldehida 3-fosfoglicerică
H
C H2C
OH O OP
hidroxoacetonfosfat
e) Transferazele moleculare catalizează reacţiile de transfer intramolecular a unor grupe acil, fosfat, amino etc. De exemplu, transferul grupei fosfat de la un atom de carbon al unei glucide la alt atom de carbon din molecula glucidei respective.
Ligaze Ligazele sunt enzime care catalizează formarea de legături chimice noi între două substraturi. Deoarece formarea noilor legături se realizează cu consum de energie, aceste reacţii sunt cuplate cu hidroliza unor legături din compuşii macroergici (în special din nucleotidele trifosforilate, ATP, UTP, CTP, GTP):
S1 + S2 + ATP
ligaza
S1
S2 + AMP + P - P
substrat
În funcţie de tipul de legături chimice noi formate liazele pot fi: • carboxilaze (C-C ligaze); • aminoacilsintetaze (C-O ligaze); • aminoacidamidsintetaze (C-N ligaze); • acilcoenzima A sintetaze (C-S ligaze). a) Carboxilazele sunt enzime care catalizează fixarea CO2 pe un substrat. De exemplu: piruvatcarboxilaza catalizează transformarea acidului piruvic în acid oxalilacetic (vezi biodegradarea aerobă a glucidelor): H CH2 CO COOH + ATP + CO2 (activat)
HOOC CH2 CO COOH + ATP + H2PO4
Carboxilazele au ca şi coenzimă vitamina biotină şi sunt răspândite în regnul vegetal.
b) Aminoacidsintetazele catalizează activarea aminoacizilor din citoplasmă în vederea participării lor la biosinteza proteinelor, prin intermediul tARN (vezi biosinteza proteinelor). c) Aminoacidamidsintetazele catalizează formarea legăturilor C-N în reacţia de sinteză a amidelor unor aminoacizi. De exemplu: asparaginsintetaza catalizează formarea asparaginei din acidul asparagic (aspartic):
O
O
asparaginsintetaza
HOOC CH CH2 C OH + NH3
HOOC CH CH2 C NH2 + H2O NH2
NH2 acid aspartic (asparagic)
asparagina (amida)
d) Acil-CoA-sintetazele catalizează reacţiile de activare a acizilor graşi din metabolismul lipidic: O R
CO OH + HS~ CoA + ATP
R
C ~SCoA + AMP + P
P
SISTEME MULTIENZIMATICE În organism, alături de enzimele bine individualizate, cu structură specifică, care prezintă specificitate de substrat şi de acţiune, sunt prezente şi sisteme enzimatice sau complexe multienzimatice constituite din două sau mai multe enzime, care catalizează reacţii succesive sau cuplate, a căror acţiune catalitică este interdependentă. Reacţiile succesive se pot reda prin următoarea schemă de reacţii: A
E1
B
E2
C
E3
D
Enzimele E1, E2, E3, care acţionează asupra substraturilor A, B, C, sunt dependente funcţional, se intercondiţionează. Produsul de reacţie obţinut prin acţiunea enzimei E1 formează substratul de acţiune pentru enzima E2, iar asupra produsului său de reacţie va acţiona enzima E3 etc. Interdependenţa funcţională a sistemelor enzimatice se bazează pe un suport morfologic comun, respectiv, enzimele au o distribuţie spaţială dependentă de structura organitelor celulare. Un asemenea sistem multienzimatic este cel din mitocondrii, care catalizează reacţiile care decurg în procesul de respiraţie, sistemul format din enzimele participante la biosinteza şi biodegradarea acizilor graşi, sistemul multienzimatic format din cinci componente: hexakinaza, izomeraza, fosfohexokinaza, aldolaza, glicofosfodehidrogenaza, care acţionează în metabolismul glucidic, în procesul glicolizei etc.
ENZIMELE ALOSTERICE (EFECTUL ALOSTERIC) Enzimele alosterice sunt constituite din mai multe unităţi proteice, care pe lângă situsul catalitic, mai posedă şi un situs alosteric la care se poate lega efectorul alosteric (activator sau inhibitor). Controlul alosteric al enzimelor este foarte important în reglarea metabolismului. Prefixul alo se referă la existenţa pe moleculele enzimelor a unuia sau mai multor centrii de legătură (situs alosteric), alţii decât cei ai situsului activ, de care se leagă efectorii alosterici, modificând structura spaţială a enzimei. Pentru o concentraţie de substrat dată, un efector pozitiv creşte activitatea enzimatică, când se leagă la centrul alosteric, pe când un efector negativ scade activitatea enzimatică. O enzimă poate, datorită unui efector alosteric, să se modifice atât de mult, încât să nu mai poată cataliza o reacţie decât în prezenţa activatorului alosteric (efectul vitezei maxime). Un exemplu îl constituie piruvatcarboxilaza care este practic inactivă în absenţa efectorului acetilcoenzima A. Se poate concluziona că, în general, un efector alosteric stabilizează o anumită conformaţie a unei enzime (fie ea cea activă sau cea inactivă). Inhibiţia alosterică are o importanţă fiziologică deosebită şi se desfăşoară prin mecanism de inhibiţie feed-back sau retroinhibiţie), aflat sub control genetic. De exemplu, la biosinteza ferporfirinelor sau a colesterolului, produsul final al reacţiei enzimatice acţionează ca inhibitor alosteric asupra produsului de la începutul lanţului de reacţii. Creşterea concentraţiei lui stopează practic reacţia; dacă produsul este utilizat în întregime, sinteza se reia, deoarece efectul alosteric este reversibil. Enzimele alosterice reflectă capacitatea organismelor vii, vegetale şi animale, de a coordona activităţile lor celulare, astfel încât să se realizează un echilibru între procesele anabolice şi catabolice esenţiale pentru viaţă.
CURS 14 BIOCHIMIA DINAMICĂ Biochimia dinamică studiază ansamblul transformarilor chimice şi fizico-chimice ale substanţelor constituente ale materiei vii, însoţite de schimbări în conţinutul de energie (metabolism). Metabolismul, cu cele două laturi, anabolismul şi catabolismul, constituie alături de alte caracteristici esenţiale (ereditatea, variabilitatea, autoreproductibilitatea, etc.), trăsătura esenţială a materiei vii. Anabolismul cuprinde procesele de sinteză şi creştere a complexităţii biomoleculelor şi este asociat cu consumul de energie (reacţii endergonice). In organismele autotrofe (celule clorofiliene, bacterii nitrificante, organisme vegetale superioare), substanţele organice sunt sintetizate (prin fotosinteză) din substanţe minerale (în primul rand CO2), folosind ca sursă de energie, energia luminoasă. Organismele heterotrofe nu-şi pot sintetiza substanţele organice din cele de natură minerală, ci trăiesc pe seama substanţelor sintetizate de organismele autotrofe, folosind ca sursă de energie, energia chimică. Catabolismul cuprinde reacţiile de biodegradare a biomoleculelor cu structură complexă în biomolecule cu structură simplă (CO2, NH3, H2O), procese biochimice care decurg cu eliberare de energie (reacţii exergonice). Transformările metabolice se desfăşoară în organismele vii (vegetale şi animale) în condiţii fiziologice (la temperatură normală, pH caracteristic fiecărei părţi a organismului), în mod continuu, într-o strânsă interdependenţă, sub acţiunea biocatalizatorilor enzime, şi prin reglarea fină, mediată de hormoni.
METABOLISMUL GLUCIDELOR Biosinteza (anabolismul) glucidelor Biosinteza monoglucidelor Biosinteza monoglucidelor poate fi exprimată printr-o reacţie globală, pornind de la CO2 şi H2O, substanţele precursoare, practic inepuizabile în natură: n CO2 + m H2O
CnH2mOm + n O2
Energia necesara biosintezei poate fi realizata prin: (a) chimiosinteză, (b) fotosinteză. a) Chimiosinteza furnizează energia necesară biosintezei compuşilor organici prin oxidarea unor compuşi anorganici: H2, H2S, FeCO3, NH3, etc., cu ajutorul hidrogenobacteriilor, sulfobacteriilor, ferobacteriilor, bacteriilor nitrificante, etc. Importanţa biologică a chimiosintezei constă în faptul că se demonstrează posibilitatea eliberării energiei necesare sintezei materiei vii, de către celulele autotrofe, în medii minerale. b) Fotosinteza, procesul de asimilare a CO2 de către plantele verzi, este calitativ si cantitativ, cel mai important proces biochimic de pe planetă, deoarece reprezintă: • principala sursă de materie organică (se transformă C mineral din CO2 în C organic); • unica sursă de oxigen • singurul proces celular care foloseşte drept sursă energetică lumina, pe care o transformă în energie chimică.
Locul de desfăşurare a fotosintezei îl reprezintă cloroplastele, produse de organite specializate ale celulelor plantelor verzi. Acestea posedă ADN propriu, care codifică partea proteică şi un tip special de membrană, denumită tilacoidă, care conţine pigmenţii clorofilieni şi sistemele transportoare de electroni. In cloroplaste, se găsesc alături de clorofile (a, b, c, d) şi pigmenţi carotenoidici, care absorb energia luminoasă şi o cedează clorofilei a, singura capabilă să o transforme în energie chimică. Moleculele clorofilelor sunt dispuse în plantele verzi sub forma unor unităţi funcţionale denumite fotosisteme, astfel încât, la absorbţia luminii să se producă rapid un transfer de energie de rezonanţă. Fotosinteza reprezintă în esenţă, un proces biologic de oxido-reducere, în care lumina este direct implicată în transferul electronilor şi în generarea de ATP. Fotosinteza se realizează în două etape greu de delimitat, datorită rapidităţii cu care se succed foarte rapid: • fotoreacţia (etapă care necesită prezenţa luminii) • scotoreacţia (etapă care nu necesită implicarea luminii la transformarea CO2 şi H2O în moleculele de glucide) Fotoreacţia, prima etapă a fotosintezei, este condiţionată de prezenţa energiei luminoase, necesară fotoactivării pigmenţilor (clorofile, carotenoide) din cloroplaste. Fotosistemele în care decurge absorbţia luminii, reacţia cu clorofila şi eliberarea electronilor, deci a poteţialului reducător, sunt implicate în două procese foarte importante: • fotoliza apei şi reducerea NADP • depozitarea energiei chimice în compusul macroergic ATP. Schematic acest proces complex, poate fi reprezentat astfel: a) fotoactivarea pigmenţilor din cloroplaste (reacţie de oxidare) clorofila + hν (cuante de lumină) → clorofila fotoactivată+ + eb) fotoliza apei 2H2O
2H+ + 2OH-
2H+ + 2e-
2H 2H + S
CH2
HS
CH2 CH2
CH2 S
C H
(CH2)4
COOH
HS
C H
acid lipoic (tioctic) - forma oxidată -
(CH2)4
COOH
acid lipoic (tioctic) - forma redusă –
c) fotooxidarea 2 HO- + clorofila fotoreactivata+ (fotooxidare)
2 OH + clorofila dezactivata 1/2 O2 + H2O 2 OH
d) fosforilarea fotosintetică a ADP (transformarea energiei luminoase în energie chimică) ADP + H3PO4 + energie luminoasa
ATP
Însumând reacţiile parţiale, se poate scrie ecuaţia globală a fotoreacţiei (ecuaţia lui Hill): 2H2O + 2NADP+ + ADP + H3PO4 = 2NADPH + H+ + 1/2O2 + ATP produsele fotoreacţiei
Scotoreacţia, a doua etapă a fotosintezei, poate decurge şi în absenţa luminii şi cuprinde: • reacţia de asimilare fotosintetică a CO2 absorbit prin frunze din atmosferă, sau rezultat din alte procese biochimice • obţinerea celor mai simple monoglucide (triozele aldehida fosfoglicerică şi hidroxoacetonfosfatul), prin participarea produselor fotoreacţiei, ATP ca activator energetic, NADPH +H+ ca agent reducător. • obţinerea primei hexoze (fructozo-1,6-difosfat) de la care se pot biosintetiza oligoglucide şi poliglucidele, sau care poate participa la regenerarea ribulozei-1,5- difosfat, necesară asimilării CO2. Succesiunea de reacţii ale scotoreacţiei constituie ciclul Benson-Calvin. Dacă aspectul fundamental diferit al fotosintezei, faţă de alte procese biochimice, îl constituie folosirea energiei luminoase pentru a scinda fotolitic apa, a reduce NADP şi pentru a stoca energia luminoasă sub formă de energie chimică în ATP, reacţiile scotoreacţiei începând de la metabolitul acid-3-fosfogliceric sunt asemănătoare celor produse în ficatul organismelor animale. Singura etapă caracteristică organismelor vegetale este formarea metabolitului acid 3fosfogliceric, care implică asimilarea CO2 de către pentoza ribulozo-1,5-difosfat, prin intermediul celei mai răspândite proteine de pe planeta-ribulozo-1,5-difosfatcarboxilaza. Şase molecule de ribulozo-1,5-difosfat (30 de atomi de C în total) şi şase molecule de CO2 (6 atomi de C) reacţionează formând 12 molecule de acid 3-fosfogliceric (36 de atomi de C). Dintre acestea, 2 molecule (2 C3) sunt utilizate pentru a stoca glucide hexoze (C6). Cele 10 molecule de acid fosfogliceric rămase (30 atomi de C) produc 6 molecule de ribulozo-1,5difosfat (30 atomi de C). Secvenţa de reacţii este complexă şi implică glucide pentoze, trioze, hexoze, care se transformă prin reacţii de aldolizare, de transcetolizare, etc, biocatalizate de enzime specifice.
OH
P
P
P
O OH OH OH O
C
HC
HC
HC
H2C
P HC
HC
HC
CH
C
H2C
O
OH
HC CH2
H
C
O
OH
OH
OH
OH
O
OH
CH2
C
HC
- ATP
ADP
O
OH
O
O
P
O
CH2 O
HC OH
C
P
CO2
HC OH HOOC
H2C
O
OH
O
CH2 O
HC OH
C
C
H2C
P
P
HC
O OH
OH
COOH COOH
HC
CH2
P
P
+
HO
P
O
OH
OH
O
P
H
H
HC
HC
HC
C
C
H2C
OH
OH
OH
H
O
O
P
O
O
C CH2
OH
H2C
Eritrozo-4-fosfat
H2C
CH
CH
HC
P
H2C
C
C
O
OH
O
P
O
OH
OH
P
ATP
Fructoza
Fructoza 6-fosfat
CH2
HC
HC
CH
O
OH
C
O
OH
O
P
HC
HC
CH
OH
OH
O
O
P
Glucoza
Glucoza 6 fosfat
Zaharoza
OH
O
O
Dihidroxiacetonfosfat
H2C
C
CH2
CH2 O P Fructoza 1,6-difosfat
ADPHO
C
H2C
Aldehida 3-fosfoglicerica
H
HC
CH2
Ciclul BENSON CALVIN
HO
C
H2C
O P Acidul 2-carboxi- H2C Esterul 3-cetopentozo 1.5-difosfat 3-ceto pentozo- Acidul 3-fosfo1.5 difosfat gliceric (APG)
Xilulozo-5-fosfat
H
HO
C
H2C
P
P
forma dienolica
O
OH
HC CH2
OH
OH
O
C
C
CH2
H2C O P H2C O P Sedoheptulozo - 7-fosfat Sedoheptulozo - 1,7-fosfat
HO
Ribulozo-5-fosfat
O
OH
HC
CH2
OH
C
O
OH
Ribozo -5-fosfat
H
H
C
H2C
RIBULOZA A Esterul ribulozoAT DP 1.5-difosfat P
HC
CH2 O
O
O
H2C
C
H2C
HC
O
OH
OH ATP HC OH -ADP OH HC OH
C
H2C
P
Biosinteza pentozelor Pentozele, glucide deosebit de importante pentru organismele animale şi vegetale (riboza este componentă a acizilor nucleici şi a multor coenzime, iar ribuloza este acceptorul primar la asimilarea fotosintetică a CO2), se pot forma prin două căi metabolice: • calea (ciclul) pentozofosfaţilor (degradarea glucozo-6-fosfatului rezultat prin izomerizare din fructozo-6-fosfat) • combinarea triozelor cu aldehida acetică sau aldehida glicolică. H H
C
O
C
OH
C
O
ADP
P
C
OH
H
C
OH
H
C
OH
H
C
OH
H2C
OH
H
C
C
aldolaza H2C
H2C
O
Aldehida 3-fosfoglicerică
O
OH
OH
H
C
OH
OH
H
C
OH
H2C
OH
OH
H
C
H
C
ATP ADP
O
P
Ester ribozo-5-fosfat
C
P
O
OH
H2C
O
H
C
ADP OH
H
C
OH O
Ester ribulozo-5-fosfat
P
OH
C
O
H
C
OH
H
C
OH
H2C
OH
ATP
P
H2C
Hidroxiaceton-3-fosfat
Riboza
C O
+ H2C
H2C
C
C
OH O
H
H
H2C
C
O
O
OH
P
H
Deoxiriboza C
C
H2C
H2C
P
H
H
O
+
OH
O
Ester deoxirobozo-5-fosfat
O H
CH2
CH2
Aldehida 3-fosfoglicerică
C
O
H
H2C
H
C
ATP
O
+ H
H2C
H
O
CH2 H
H
C
Ribuloza
Biosinteza oligoglucidelor Biosinteza oligoglucidelor reprezintă un proces secundar al fotosintezei, respectiv transformarea hexozelor formate în diglucide, triglucide, etc. Legăturile glicozidice dintre moleculele de monoglucide pot fi realizate enzimatic prin două reacţii diferite: • transglicozilare (cazul biosintezei amilopectinei şi glicogenului) • cuplarea unor resturi de glucide activate în prealabil cu compuşi macroergici (UTP, GTP).
Zaharoza (zahărul) este prima diglucidă apărută în procesul de fotosinteză şi este uşor asimilată de plante. Zaharoza se poate biosintetiza în cantităţi mici din ester glucozo-1-fosfat şi fructoză, sub influenţa biocatalitică a enzimei zaharozofosforilazei, prin elimi-narea unei molecule de acid fosforic. În cantităţi mari, zaharoza se biosintetizează prin activarea uneia dintre componente (glucoza) cu compusul macroergic acid uridintrifosforic (UTP). OH CH2OH
N O
H H OH
H O
H O
OH H
OH + HO
P OH
OH
O
O
O
O
P~O
P~O
P
OH
OH
OH
O
CH2 H
Glucozo-1-fosfat
N O
H
H
OH
H OH
Acid uridintrifosforic (UTP) OH
CH2OH
N O
H H OH
H
H
O
P ~O
P
OH
OH
O
OH H
OH
O
O
O
CH2 H
N
+
O
H
H
OH
H OH
O
O HO
P
O
P
OH
OH
OH
Uridin difosfatglucoza (UDPG) OH CH2OH
N O
H H OH
H
H O
OH H
O
O
P~O
P
OH
OH
O O
CH2
OH H
N
HO
CH2
+
O
H
H
OH
H OH
OH O
H
OH
OH
H
H
Uridin difosfatglucoza (UDPG)
O
H
N
H
OH OH
HO CH2 H
P
OH
H OH H
O
Fructozo-1-fosfat
CH2OH H
CH2
O
H OH
Zaharoza
O + HO
H
O
O
O
P~O
P~O
P
OH
OH
OH
O O
N
CH2 O H H H H OH OH
H OH
Acid uridindifosfat (UDP)
Diglucida maltoza se biosintetizează după un mecanism asemănător zaharozei, în care esterul glucozo-1-fosfat este transformat în uridindifosfatglucoza (UDPG) pentru a reacţiona cu glucozo-1-fosfat, cu formarea maltozei-1-fosfat.
Biosinteza poliglucidelor Biosinteza poliglucidelor de rezervă glicogen (regnul animal) şi amidon (regnul vegetal) decurge cu mare viteză şi începe cu transformarea glucozo-6-fosfat în glucozo-1-fosfat, reacţie catalizată de enzima fosfoglucomutaza. Primul pas în sinteza glicogenului în organismele animale este reacţia cu compusul macroergic UTP, cu formarea uridindifosfatglucozei (UDPG), care este apoi transferată pe resturile de glucoză sau pe un fragment poliglucidic cu formarea glicogenului, sub influenţa enzimei glicogensintetaza. Glicogensintetaza necesită drept starter o catenă poliglucidică de cel puţin 4 resturi de glucoză, la care să se lege succesiv alte molecule de UDPG. Ramificarea prin legături C1 - C6 pe catena glicogenului este catalizată de o enzimă de ramificare denumită glucanaza. În plante şi în multe bacterii, sinteza amidonului decurge asemănător glicogenului, fiind catalizată de enzima amidonsintetaza. CH2O P CH2O P
O
CH2O P
CH2O P
CH2OH
O
O
OH
OH
OH
Fructozo-1,6-difosfat
Fructozo-6-fosfat
Glucozo-6-fosfat
CH2OH O AMILOZA AMILOPECTINA O
AMIDON
P
Glucozo-1-fosfat
Biodegradarea (catabolismul) glucidelor Biodegradarea glucidelor în organismele vii, vegetale şi animale, este un proces oxidativ, generator de energie (exergonic), care constă în transformarea moleculelor de glucide (poliglucide, oligoglucide, monoglucide) în compuşi mai simpli, cu masă moleculară mai mică. Biodegradarea glucidelor poate decurge, în funcţie de condiţii, în două etape: • biodegradarea (catabolismul) anaerobă • biodegradarea (catabolismul) aerobă Catabolismul anaerob decurge în organismele vii în absenţa oxigenului, pe două căi metabolice: • biodegradarea glicolitică (glicoliza), un ciclu de reacţii prin care glucoza este transformată în acid piruvic şi se formează ATP. • Biodegradări fermentative: (a) fermentaţia anaerobă de diferite tipuri (alcoolică, lactică, butirică, etc.) având ca produs final: alcoolul etilic, acidul lactic, acidul butiric şi CO2, respectiv, fermentaţia aerobă. Biodegradarea glicolitică a glucidelor (glicoliza)
Glicoliza, una dintre căile metabolice care demonstrează universitalitatea proceselor biochimice, a fost complet elucidată până în anul 1940 (mai ales datorită savanţilor G. Embden, O. Meyerhoff, J, Parnas, de unde şi denumirea ciclului de transformări ciclul Embden - Meyerhoff - Parnas. Toate reacţiile glicolizei decurg în citosolul celulelor. Procesul de biodegradare a poliglucidei amidon decurge prin parcurgerea următoarelor etape: • scindarea legăturilor C1 –C6 glicozidice din amiloză pe cale hidrolitică (sub acţiunea enzimei amilaza), sau pe cale fosforolitică (sub acţiunea enzimei transglucozidaza), cu eliberarea unei molecule de ester glucozo-1-fosfat; • legăturile C1–C6 glicozidice din amilopectina sunt scindate hidrolitic de către enzima amilo-1,6-glucozidaza; • în cazul în care glicoliza porneşte direct de la glucoză este necesară fosforilarea prealabilă cu ATP în prezenţa enzimei hexokinaza (activată de prezenţa ionilor de Mg2+ sau Mn2+) cu formarea esterului glucozo-1-fosfat; • esterul glucozo-1-fosfat (ester Cori) este izomerizat la ester glucozo-6-fosfat (ester Robinson) sub acţiunea fosfoglucomutazei; • următoarea etapă a glicolizei constă în izomerizarea glucozo-6-fosfatului la fructozo-6fosfat (ester Neuberg). Aceasta este o reacţie de conversie a unei aldoze într-o cetoză, sub acţiunea enzimei fosfohexozizomeraza; • are loc a doua reacţie de fosforilare (sub acţiunea ATP şi a fosfofructokinazei) a fructozo-6-fosfatului cu formarea fructozo-1,6-difosfatului (ester Harden-Young), ultima glucidă cu şase atomi de carbon din ciclul glicolizei; • sub acţiunea biocatalitică a enzimei aldolaza, esterul fructozo-1,6-difosfat este scindat în aldehida 3-fosfoglicerica şi dihidroxiacetonfosfat. Toate celelalte etape ale glicolizei decurg numai cu unităţi formate din câte 3 atomi de carbon; • glicoliza decurge în continuare prin intermediul aldehidei-3-fosfoglicerice, la care este convertit şi dihidroxiacetonfosfatul, sub acţiunea fosfotriozizomerazei.In etapele precedente, glicoliza a decurs cu scindarea unei molecule de glucoză în două molecule de aldehidă 3-fosfoglicerică, cu consumarea a doi moli de ATP: • urmează o etapă foarte importantă din punct de vedere al producerii de energiefosforilarea oxidativă a aldehidei-3-fosfoglicerice în acid 1,3-difosfogliceric, care decurge în prezenţa enzimei fosfogliceroaldehiddehidrogenazei având drept coenzimă NAD. Energia eliberată în această reacţie de oxido-reducere se înmagazinează în ATP prin legătura macroergică apărută între ADP si H3PO4; • în ultima etapă a glicolizei se formează acidul piruvic şi o a doua moleculă de ATP printr-o secvenţă de reacţii care implică: - o reacţie de defosforilare (în prezenţa ADP, a fosfoglicerokinazei şi a ionului Mg2+) a acidului 1,3-difosfogliceric la acid 3-fosfogliceric (ester Nilson). - izomerizarea acidului 3-fosfogliceric la acid 2-fosfogliceric, reacţie catalizată de enzima fosfogliceromutaza. - transformarea acidului 2-fosfogliceric în acid 2-fosfoenolpiruvic, sub acţiunea enolazei. - defosforilarea acidului 2-fosfoenolpiruvic sub acţiunea piruvatkinazei, în prezenţă de ADP, Mg2+ şi K+, cu formarea acidului piruvic şi a ATP. Acidul piruvic este unul dintre cei mai importanţi metaboliţi, finalul biodegradării anaerobe şi compusul de la care începe biodegradarea aerobă a glucidelor. El reprezintă, de asemenea, o punte de legătura cu protidele şi cu lipidele. Reacţia totală care reprezintă transformarea glucozei în acid piruvic şi 2 moli de ATP este: Glicoliza este reprezentată în schema de reacţii următoare:
OH
OH
H
O
+
H
O
H
O
CH2
C
COOH
ADP
ADP
P
10 - H2O
P
HC
C
OH
O
O
CH2 O
H
CH2OH
P
9
HC
C
H2C
O
O
OH
OH
ester fructozo 6-fosfat
OH
ATP
3
H2C
O
OH
P
ADP
4
P
O
H
CH2 O
H
CH2 O
O
H2C
8
P
P
S Enz OH
C
O
H2C
HC
O
OH
HC
H2C
HC
HC
OP
OH
O
O
CH2 C
6 H2C
C
H2C
O
CH2O P
5
OH
OP
O
OH
P
P
1 Fosforilaza 2 Glucokinaza 3 Fosfohexozizomeraza 4 Fosfofructokinaza 5 Aldolaza 6 Fosfotriozizomeraza 7 HS - Enzima 8 Fosfoglicerokinaza 9 Fosfogliceromutaza 10 Enolaza 11 Piruvatkinaza
ENZIME:
acidul 1,3-difosfogliceric
O
H2C
O OH
C HC
O H3PO4 HSEnz
aldehida 3-fosfoglicerica dihidroxiacetanfosfat
HS-Enz
7
P
SCHEMA EMBDEN - MEYERHOF - PARNAS (EMP)
ADP
NADPNH+
NADP
+
Enz
HC
OH
ALDOLAZA
P
ester fructozo 1,6-difosfat
acidul 2-fosfoenolpiruvic acidul 2-fosfogliceric acidul 3-fosfogliceric
11
H OH
CH2
OH H ester glucozo 6-fosfat
Acid piruvic
acid enolpiruvic
CH2
C
COOH
CH3
O
NADP
+
NADPNH
COOH
C
2
P
OH Acid lactic
CH3
HC
COOH
GLUCOZA
1
AMIDON
Biodegradarea aerobă a glucidelor (ciclul acizilor tricarboxilici, ciclul acidului citric sau ciclul Krebs) Biodegradarea aerobă a glucidelor reprezintă etapa de desăvârşire a biodegradării glucidelor şi decurge prin transformarea acidului piruvic, produsul final al glicolizei, în acetilcoenzima A, care va fi, în final, oxidată total la CO2 şi H2O. Ciclul acidului citric (sau ciclul Krebs, sau ciclul acizilor tricarboxilici) reprezintă calea metabolică comună de descompunere oxidativă a glucidelor, lipidelor şi aminoacizilor. Principiul de funcţionare a metabolismului poate fi enunţat astfel: • moleculele organice complicate sunt scindate în unităţi C2 (acid acetic activat) • biodegradarea unităţilor C2 conduce la formarea a doi moli de CO2 şi 2 atomi de H • produsul final H2O apare în lanţul respirator din atomii de hidrogen de pe coenzime şi oxigen, cu depozitarea unei părţi din energie sub forma compusului ATP • spre deosebire de glicoliză, care decurge în citosol, reacţiile ciclului Krebs decurg în mitocondrii • biodegradarea aerobă a glucidelor este precedată de 2 reacţii importante: o decarboxilarea acidului piruvic cu formarea acetilcoenzimei A, compus macroergic o carboxilarea acidului piruvic la acid oxalilacetic, care prin reacţia cu acetilcoenzima A va forma acidul citric. Decarboxilarea acidului piruvic reprezintă etapa de legătura între glicoliză şi ciclul acidului citric. Reacţia este catalizată de enzima piruvatdehidrogenaza şi poate fi reprezentată astfel : O CH3
C
O COOH + HSCoA
H3C NAD+
C ~SCoA + CO2
NADPH
Decarboxilarea se produce printr-o succesiune de reacţii intermediare, catalizate fiecare de câte o enzimă din sistemul multienzimatic al piruvatdehidrogenazei, cu participarea coenzimelor specifice: tiaminpirofosfatul (TPP), NADP+, HSCoA, acidul lipoic, Mg2+. Prima etapă constă în decarboxilarea acidului piruvic, cu producerea CO2 şi a unei grupe hidroxietil ataşată tiaminpirofosfatului. Grupa hidroxietil este transformată în acetilcoenzima A, cu reducerea NAD+, proces denumit decarboxilare oxidativă. Conversia acidului piruvic la acetilcoenzima A este ireversibilă, ca urmare acizii graşi superiori nu pot fi transformaţi în glucoză în organismele animale, deşi bacteriile şi plantele o pot face, printr-un mecanism special. Atomii de H fixaţi de NADP+ si FAD în etapa de decarboxilare oxidativă şi rezultaţi şi din alte etape ale ciclului, se vor combina cu oxigenul, cu formarea apei (în aşa numitul ciclu respirator). Carboxilarea acidului piruvic este o etapă în care are loc fixarea CO2 activat cu biotinilenzima şi cu ATP la acidul piruvic, cu formarea acidului oxalilacetic. O
C
COOH
H2CH
Acid piruvic
+ CO2 activat
C
COOH
H2C
COOH
O
Acidul oxalilacetic
+
biotinilenzima AMP
Biosinteza acidului citric decurge ireversibil, prin condensarea aldolică a acetilcoenzimei A cu acidul oxalilacetic, sub influenţa enzimei citratsintetaza. Energia necesară reacţiei este furnizată prin hidroliza legăturii macroergice din acetilcoenzima A. • deshidratarea acidului citric la acid cis-aconitic şi hidratarea la acid izocitric (ambele etape ) sunt catalizate de enzima aconitaza. • urmează prima din cele patru reacţii de oxido-reducere din ciclul Krebs şi anume, dehidrogenarea acidului izocitric cu ajutorul enzimei izocitricdehidrogenaza, având drept coenzima NADP+ şi formarea acidului oxalilsuccinic. • prima decarboxilare din ciclu, decurge la acidul oxalilsuccinic, un ß-acid instabil, care se decarboxilează cu ajutorul izocitricdehidrogenazei, cu formarea acidului cetoglutaric. • a doua decarboxilare oxidativă din ciclu, a acidului cetoglutaric la succinilcoenzima A, care prin hidroliză formează acidul succinic, decurge cu participarea aceluiaşi sistem enzimatic întâlnit la etapa de decarboxilare a acidului piruvic la acetilcoenzima A (αcetoglutaricdehidrogenaza) • ultimele reacţii ale ciclului constau în transformarea în trei etape a acidului succinic în acid oxalilacetic: o oxidarea (dehidrogenarea cu FAD) a acidului succinic la acid fumaric o hidratarea acidului fumaric la acid malic o oxidarea (dehidrogenarea cu NAD+) a acidului malic la acid oxalilacetic Acidul oxalilacetic regenerat poate asigura continuarea aceleiaşi succesiuni de reacţii, cu eliberare de energie stocata sub forma de FADH şi NAD+. Bilantul general al ciclului Krebs poate fi reprezentat astfel : CH3
CO~SCoA + 3H2O + 3NADP+ + FAD + ADP + P = 2CO2 + 3NADPH + 3H+ + FADH2 + ATP + HSCoA
Sensul metabolic al ciclului constă în : • oxidarea restului acetil (CH3CO-) din acetilcoenzima A rezultată din acid piruvic, la CO2 , substanţă în care carbonul este complet oxidat la C4+ . • din cele patru reacţii de oxidare rezultă 8 atomi de H, legaţi de coenzimele NAD+ şi FAD, care sunt participanţi la lanţul respirator, unde de-a lungul unui sistem enzimatic specific, suferă reacţii de oxidare la H+, formă sub care reacţionează cu O2-, formând H2O şi eliberând energie. Procesul de respiraţie tisulară ( lanţul respirator ) poate fi reprezentatat, sumar, astfel: 2RH
sistem enzimatic
2H+ + 2e- + 2R(substrat oxidat) 2e- + 1/2O2 2H+ + O2-
O2H2O + energie
Ciclul Krebs operează în sens unic datorită celor trei reacţii care decurg ireversibil: • sinteza acidului citric din acetilcoenzima A şi acid oxalilacetic • decarboxilarea acidului izocitric la acid α-cetoglutaric • dehidrogenarea acidului α-cetoglutaric Energia eliberată treptat, în cursul reacţiilor este înmagazinată sub forma legăturilor macroergice ale compuşilor macroergici GTP, ATP şi eliberată treptat în funcţie de nevoile organismului (procese de biosinteză, energie osmotică, electrică, mecanică, calorică, etc.). În următoarea schemă este reprezentată succesiunea reacţiilor din ciclul Krebs.
H3C
acetil - CoA
O
C
COOH
H2C
COOH
HO
C
COOH
HC
COOH
HO
Co~SCoA + HOH
C
H2C
COOH
C
COOH
H2C
COOH
COOH HO
HC
COOH
forma enolica
forma cetonica
acid citric
acidul oxalilacetic O CH3
CO2 COOH + HSCoA
C
O C ~SCoA
H3C NAD+
O
C
COOH
CH2H
O
+
CO2
HO
COOH
H2C
COOH
HSCo H2C HO
1
Acidul oxalilacelic
11 H C
C
C
COOH
H2C
COOH
Acidul citric
COOH NADP
H2C
COOH
NADPH
2
COOH
HC
COOH
C
COOH
H2C
COOH
Acidul malic - H 2O
+ H 2O
10 HOOC
CH
Acidul cisaconitic HC
COOH
Acidul fumaric
3 H
9 H2C
COOH
H2C
COOH
CICLUL KREBS
C
COOH
HC
COOH
H2C
COOH
HO
Acidul succinic HSCoA
8 O
Acidul izocitric
H2O
NADP
C ~SCoA
NADPH
4 CH2 C
COOH
HC
COOH
H2C
COOH
O H2C
COOH
Succinil CoA NADPH
Acidul oxalilsuccinic
NADP
5 7 O
6 HSCoA
C
COOH
CO2
CH2
CO2 H2C COOH Acidul alfa-cetoglutaric
Enzime: 1-citrat sintetaza, 2-acinitaza, 3-cisaconitaza, 4-izocitricdehidrogenaza, 5-oxalilsuccincarboxilaza, 6,7-complex enzimatic (α-cetoglutaricdehidrogenaza), 8-complex enzimatic, 9-succindehidrogenaza, 10-fumaraza, 11-L. Maliccodehidrogenaza.
Importanţa ciclului Krebs decurge din faptul că, constituie o cale comună de biodegradare a glucidelor, a lipidelor si protidelor (prin substanţele intermediare provenite din acestea). Cetoacizii rezultaţi în ciclul citric, pot servi la biosinteza aminoacizilor (corelaţie între glucide şi protide), iar prin intermediul acetilcoenzimei A se stabileşte corelaţia metabolică dintre glucide şi lipide. Se poate concluziona că, prin interrelaţiile metabolice stabilite între glucide-lipide-protide, ciclul Krebs reprezintă o sursă de substrat şi de energie necesară tuturor proceselor metabolice. Biodegradarea fermentativă a glucidelor Biodegradările fermentative sunt procese de descompunere, predominant anaerobă, ale glucidelor datorate activităţii fiziologice a unor microorganisme. Au o importanţă practică deosebită, contribuind la circuitul elementelor în natură, la fertilizarea solului, la obţinerea unor compuşi utilizaţi în industria alimentară, chimică, farmaceutică.
Fermentaţiile anaerobe (în absenţa oxigenului ) Se pot clasifica, după natura substanţelor finale în: - fermentaţia alcoolică - fermentaţia lactică - fermentaţia butirică - fermentaţia propionică a) Fermentaţia alcoolică a glucidelor decurge sub influenţa drojdiilor Saccharomices cerevisiae. Mecanismul este identic cu cel al glicolizei, până la acidul piruvic. În continuare, acidul piruvic este decarboxilat la acetaldehidă, (în prezenţa catalizatorului piruvatdecarboxilaza, având drept coenzimă tiaminpirofosfatul. Acetaldehida este apoi redusă la etanol cu enzima alcooldehidrogenaza şi NADH + H+. CH3
CO
COOH - CO2
Acid piruvic
CH3
CHO
NADPH + H+ - NADP+
CH3
Acetaldehidă
CH2
OH
Etanol
În decursul fermentaţiei alcoolice rezultă şi produşi secundari: acetaldehidă, acid lactic, alcool amilic, acid succinic, etc., care trebuiesc separaţi prin distilare fracţionată. b) Fermentaţia lactică este întâlnită în mod normal în diferite microorganisme, dar şi în muşchi la efort intens depus in condiţii de concentraţii de reduse de oxigen. Mecanismul fermentaţiei lactice este analog glicolizei, până la acidul piruvic. Mai departe, acidul piruvic se transformă printr-un proces de reducere enzimatică în acid lactic sub acţiunea enzimei lactatdehidrogenaza având drept coenzima NADH+H+. CH3
CO
COOH
NADPH + H+ - NADP+
CH3
CH
COOH
OH
Acid piruvic
Acid lactic
Fermentaţia lactică se aplică în industria alimentară la prepararea iaurtului, murăturilor, panificaţie, etc.).
c) Fermentaţia propionică este un proces de degradare anaerobă a glucidelor, care decurge sub acţiunea unor bacterii specifice, în urma căruia se obţine, comparativ cu fermentaţia alcoolică şi cea lactică, o cantitate mai mare de ATP, respectiv, câte 2 moli de ATP/mol de glucoză. 3 C6H12O6
4 H3C
CH2
COOH + 2 CH3
COOH + 2CO2 + H2O
Fermentaţia propionică este utilizată, alături de fermentaţia lactică, în industria alimentară la fabricarea brânzeturilor, pentru activarea unor procese biochimice din sol, etc. d) Fermentaţia butirică constă în bioegradarea glucidelor de către anumite microorganisme, cu formarea acidului butiric. C6H12O6
CH3
CH2
CH2
COOH + CO2 + H2O
Decurge cu descompunerea unei mari cantităţi de substanţă organă, în soluri mlăştinoase, în nămoluri, în bălţi, cu degajare de miros neplăcut.
Fermentaţia aerobă (în prezenţa oxigenului) Fermentaţia aerobă este un proces biochimic care decurge în prezenţa oxigenului. Mecanismul de reacţie este similar cu cel al fermentaţiei alcoolice, până la etapa de formare a aldehidei acetice, după care, în urma procesului de oxidare, se formează acid acetic. Acidul acetic poate fi biodegradat până la CO2 şi H2O. hexoze
EMP
acid piruvic
aldehida acetica
[O]
CH3
COOH
CO2 + H2O
etanol
METABOLISMUL LIPIDELOR Biosinteza (anabolismul) lipidelor simple gliceride Biosinteza lipidelor (simple şi complexe) reprezintă procese metabolice importante în organism, deoarece lipidele (sub forma trigliceridelor) prezintă importanţă biologică ca substanţe de înmagazinare a energiei în organism (căldura de ardere = 39 kcal/g, în comparaţie cu cea a glucidelor = 17 kcal/g), iar lipidele complexe (fosfolipide, glicolipide, lipoproteine) intră în structura membranelor celulare sau au importanţă biologică deosebită, de reglare a funcţiilor celulare, reglarea colesterolului, a steridelor etc. Biosinteza (anabolismul) lipidelor începe în cea de-a doua etapă a fotosintezei, scotoreacţia, prin formarea acidului 3-fosfogliceric, compus implicat atât în biosinteza lipidelor simple gliceride, cât şi a celor complexe Pentru biosinteza gliceridelor se biosintetizează în prezenţa enzimelor caracteristice elementele componente, glicerol şi acizii graşi superiori, etapă urmată apoi de biosinteza propriu-zisă a lipidelor simple gliceride. Biosinteza glicerolului Biosinteza glicerolului decurge în strânsă corelaţie cu metabolismul glucidic. Aldehida 3fosfoglicerică şi hidroxoacetonfosfatul, cele două trioze fundamentale rezultate la glicoliză
(biodegradarea anaerobă a glucidelor), sau la plante, în a doua etapă a fotosintezei (scotoreacţia) sunt reduse la 3-fosfoglicerol, din care, prin defosforilare rezultă glicerolul liber. H H
C C
O
O
H2C
OH
H2C
NADPH
H
OH
H2C
ATP
NADP
P
C
OH OH
H2C
O
H2C
OH
O
H2C
O
Triozofosfaţi
H P
ATP
NADP
H P
C H2C
OH
C
OH
H2C
OH
H2C
OH
ADP
NADPH
C
H2C
ADP
H
OH O
3-Fosfoglicerol
P
C
OH
H2C
OH
Glicerol
Biosinteza acizilor graşi superiori Principalele locuri de biosinteză a acizilor graşi în organism sunt ficatul şi celulele adipoase. Urmărind etapele metabolismului (relaţiile dintre reacţiile de oxidare a glucidelor, lipidelor, aminoacizilor pentru producerea de energie) se poate observa că precursorul biogenetic al acizilor graşi superiori este acetilcoenzima A (CH3CO~SCoA). Transformarea acizilor graşi în acetilcoenzima A poate fi parcursă şi în sens invers, ca transformare a acetilcoenzimeiA în acizi graşi. Faptul că acizii graşi sunt biosintetizaţi din acetilcoenzima A, explică numărul par de atomi de C din catena lor. Excesul de glucide conduce la depunerea de grăsimi, deoarece glucoza este transformată în acid piruvic, iar acesta, în final în acetilcoenzima A. Deoarece această etapă este însă ireversibilă, acetilcoenzima A nu se poate transforma în acid piruvic, deci grăsimile nu pot fi convertite în glucoză în organismele animale (spre deosebire de plante şi bacterii). Biosinteza acizilor graşi superiori are loc atunci când necesarul energetic al organismului este acoperit şi acetilcoenzima A nu mai intră în ciclul Krebs, furnizor de energie. Biosinteza acizilor graşi se poate realiza pe două căi metabolice : a) calea malonilcoenzimei A (calea citoplasmatică) b) calea mitocondrială
Biosinteza acizilor graşi superiori pe calea mitocondrială (calea elongaţiei) Biosinteza acizilor graşi pe această cale decurge la nivelul mitocondriilor, pornind de la acizi graşi cu catena scurtă. Drept partener de reacţie al componentei iniţiale - radicalul hidrocarbonatcoenzima A, este în acest mecanism acetil-coenzima A (în locul malonil-coenzimei A). Reacţiile sunt aceleaşi ca la procesul de ß-oxidare, cu o singură excepţie, reducerea legăturii duble decurge cu NADPH + H+ în loc de FADH+H+. Se pare că această cale de biosinteză este mai scurtă pentrul acidul acetic, comparativ cu calea malonil-coenzimei A. Etapele prin care se realizează creşterea catenei acizilor graşi sunt aceleaşi cu cele ale căii malonil - coenzimei A, respectiv, (a) formarea cetoacidului gras activat, (b) formarea
hidroxoacidului gras activat, (c) biosinteza acidului gras nesaturat activat, (d) biosinteza acidului saturat cu doi atomi de carbon in plus în catenă. O R
CH2
CH2
O
C~SCoA
+ H3C
CH2
C~SCoA - HSCoA
Acid saturat activat (Cn)
Acetil-coenzima A (C2) O
R
CH2
CH2
O CH2
C
NADPH + H+
C~SCoA
NADP
Cetoacid activat (Cn+2) OH NADPH + H+
R
CH2
NADP
CH2
C H
O CH2
C~SCoA
Hidroxiacid activat (Cn+2) O
- H2O
R
CH2
CH2
H C
C H
C~SCoA
NADPH2
Acid nesaturat activat (Cn+2) O NADPH2
R
CH2
CH2
H2 C
H2 C
C~SCoA
Acid saturat activat (Cn+2)
Biosinteza acizilor graşi nesaturaţi Organismul are nevoie de acizi graşi nesaturaţi pentru producerea lipidelor polare constituente ale membranelor celulare şi pentru alte necesităţi. Aceştia rezultă din acizi graşi saturaţi, prin dehidrogenare catalizată de enzime specifice. De exemplu, un sistem enzimatic din ficat poate introduce o singură legătură dublă, în mijlocul catenei acidului stearic, generând acidul oleic. Sistemul enzimatic nu poate introduce şi alte legături duble, de aceea acidul linoleic cu două duble legături şi acidul linolenic (cu trei duble legături) nu pot fi sintetizaţi în organism ci sunt preluaţi numai prin alimentaţie. CH3
(CH2)7
CH2
Acid stearic
CH2
(CH2)7
COOH
CH3
(CH2)7
C H
C H
(CH2)7
COOH
Acid oleic
În plante, creşterea indicelui de iod, odată cu avansarea spre coacere, dovedeşte posibilitatea transformării acizilor graşi saturaţi în acizi graşi nesaturaţi. Biosinteza acizilor fosfatidici şi a gliceridelor (acilglicerolilor) Acizii graşi rezultaţi prin biosinteză vor fi stocaţi în organism sub formă de esteri cu glicerina, sub forma aşa numitelor grăsimi neutre, sau gliceride.
Legătura esterică nu se formează pornind de la glicerol, ci de la glicerolfosfat, forma activată energetic (cu ATP) şi implicând acizii graşi activaţi cu acetil-coenzima A. Enzima care biocatalizează procesul este glicerinkinaza din ficat, care reacţionează rapid cu acizii graşi, dar care lipseşte practic în ţesuturile grase şi în muşchi. În prima etapă rezultă acizi fosfatidici (monoacil- şi diacilfosfatidici). Prin defosforilare cu o enzimă fosfatază şi esterificare cu un alt mol de acil-coenzimă A, se formează triacilglicerol (triglicerida), care se depozitează ca grăsime neutră. H2C HC
O
OH OH
2R
H2C
O
HC
OH
CO
R
H2C
O
CO
R
C~SCoA
2 HSCoA CH2O P
HC
CH2O P
O
CO
R
CH2O P ADP
ADP
ATP
ATP
H2C
O
HC
OH
CH2
CO
H2C
R
RCO~SCoA
O
HC
O
CO
CH2
OH
CO
R R
OH
Diglicerida
Monoglicerida
RCO~SCoA
H2C
O
HC
O
CH2
CO CO
O
R R
CO
R
Triglicerida
Biosinteza lipidelor complexe Lipidele complexe sunt componente de bază ale membranelor celulare. Din punct de vedere chimic sunt gliceroaminfosfatide, compuşi care prezintă o legătură esterică la radicalul fosforil formată cu un alcool polar (bază azotată), conform formulei generale: H2C
O
HC
O
CO
H2C
O
P
CO
R R O O OH
Serinfosfatide
NH2 CH2
CH
COOH
H2C
O
CO
R
HC
O
CO
H2C
O
P
R O O
CH2
OH
Colaminfosfatide (cefaline)
CH2
NH2
H2C
O
HC
O
H2C
R
CO CO
O
R O O OH
P
CH3 CH2
CH2
N
CH3 CH3
Colinfosfatide (lecitine)
Biosinteza bazelor azotate (serina, colamina, colina) Biosinteza bazelor azotate se realizează pornind de la acidul 3-fosfogliceric, după următoarea schemă de reacţii: H2C
O
P
NADH
H2C
O
C
O
NAD
H
C
OH
COOH
P
H2C
H2C H
C
P
H2C
ATP
H
C
NH2
H
C
COOH
Ester al acidului hidroxipiruvic
OH
ADP
transaminare
COOH
Ac. 3-glicerofosforic
O
NH2
COOH
Ester fosforic al serinei
Serina
OH H2C
OH
H2C
NH2
NH2 - CO2
CH3I
H2C
OH
H2C
+ N
COOH
CH3 CH3 CH3
Serina
Colamina
Colina
Biosinteza gliceroaminfosfatidelor Lipidele cele mai răspândite în membranele celulelor eucariote sunt colaminfosfatidele şi colinfosfatidele. Biosinteza lor se realizează prin parcurgerea următoarelor etape: - biosinteza acizilor fosfatidici - activarea bazei azotate cu compuşii macroergici ATP şi CTP - esterificarea acizilor fosfatidici (sau a gliceridelor) cu baza azotată activată. H2C
O
H2C
NH2
P-P-P
P
O
citozina
CH2
O
+
Fosfocolamina
CTP
H2 N
CH2
CH2
O
P-P
O
citozina
CH2
O
+ P-P diglicerida 1
2 acid fosfatidic
- CMP
- CDP
H2C HC
O O
CH2
CO
R
CO O
R
P
CH2
CH2
NH2
Colaminfosfatida (Cefalina)
Biodegradarea (catabolismul) lipidelor Biodegradarea gliceridelor Hidroliza enzimatică a trigliceridelor (triacilgliceroli) decurge sub acţiunea enzimelor lipaze, care le scindează în etape, în diacil-, monoacilgliceroli (di- şi monogliceride). Aceste enzime sunt controlate hormonal de către adrenalină şi glucagon, care actionează lipolitic. Hidroliza grăsimilor alimentare decurge în intestinul subţire biocatalizată de lipaza pancreaza, activată de sărurile acizilor biliari. Produşii hidrolizei grăsimilor, glicerolul şi acizii graşi superiori, urmează în metabolism căi diferite. Biodegradarea lipidelor complexe Catabolismul lipidelor complexe se realizează în etape, prin hidroliză enzimatică, cu eliberarea tuturor componentelor structurale: baze azotate, acizi fosfatidici, acid ortofosforic. Cu exceptia acidului fosforic (ortofosforic) fiecare dintre componente se biodegradează specific. a) Biodegradarea bazelor azotate Decurge sub acţiunea enzimelor specifice : H2C HC
OH NH2
-CO2
H2C
OH
H2C
NH2
CH3I HI
H2C
OH
H2C
N(CH3)3
[O]
HC
O
[O]
N(CH3)3
H2C
COOH
Serina
[O]
Colamina HO
C
O
Colina HO
C
Aldehida betainei O CO2
H2C
N(CH3)3
Betaina
H2C
+
H3C
NH2
NH2
Glicină
Metilamină
b) Biodegradarea acizilor fosfatidici decurge sub acţiunea enzimelor din clasa hidrolazelor, numite lipaze (fosfolipaze), care eliberează acidul fosforic, di- şi monogliceridele, iar în final glicerolul. H2C
O
HC
O
CO CO
R
H2C H2O
R
O
HC
CO
O
R
CO
H3PO4 CH2
O
Lipaza
R
H2C
OH
HC
OH
H2C
OH
- 2 RCOOH
P
CH2
Acid Fosfatidic
OH Digliceridă
Glicerol
c) Biodegradarea glicerolului este corelată cu metabolismul glucidic. Glicerolul poate fi fosforilat sub acţiunea fosfokinazei şi a ATP (în ficat) la fosfoglicerol, care prin oxidare (cu fosfogliceroldehidrogenaza şi ATP) se transformă în aldehida fosfoglicerică. Aceasta poate participa la biosinteza poliglucidelor sau se poate biodegrada de-a lungul ciclului E.M.P (până la acid piruvic) şi ciclului Krebs până la CO2 şi H2O, cu eliberare de energie. H2C HC
OH OH
H2C Fosfokinaza ATP
HC
OH
HC NADP+
OH
NADPH2 H2C
OH
Glicerol
H2C
O
P
3- Fosfoglicerol
HC
CH3
O OH
Glicoliza
Krebs
C
O
CO2
+ H2O
H2C
O
P
COOH
Aldehida fosfoglicerica
H2C
Acid piruvic
OH
C
O
H2C
O
Fructoza 1,6-difosfat P
Oligo-, Poliglucide
d) Biodegradarea acizilor graşi superiori Biodegradarea acizilor graşi superiori decurge în mitocondrii, în prezenţa sistemelor enzimatice specifice. Deoarece acizii graşi sunt relativ inerţi chimic, ei trebuie activaţi prin transformare în tioesteri, cu ajutorul coenzimei A, a compusului macroergic ATP, a Mg2+ şi a enzimei acil-coenzima A-sintetaza (tiokinaza). Printr-o succesiune de reacţii inverse celor de la biosinteza acizilor graşi superiori, catena de acid gras superior este scindată în unităţi de 2 atomi de C, sub formă de acetil-coenzime A (CH3 –CO~SCoA). Deoarece reacţiile decurg la atomul de carbon din poziţia ß (faţă de grupa carboxil, descompunerea se numeşte calea ß-oxidării (spirala Knoop-Lynen). Acizii graşi saturaţi cu număr impar de atomi de C se biodegradează după acelaşi mecanism al ß-oxidării, după o prealabilă reacţie de carboxilare în prezenţa coenzimei A, a biotinei, a ATP şi Mg2+ (conversie la acid gras cu număr par de atomi de carbon).
Produsul biodegradării acizilor graşi superiori cu număr impar de atomi de carbon este însă acidul propionic, nu acetil-coenzima A. O R
CH2
CH2
O
C
HSCoA
ATP
OH
R
P-P
CH2
CH2
C
O
PMA
AMP
Acid gras superior neactivat O
O
HSCoA AMP
R
CH2
CH2
NADP+ NADPHH+
C~SCoA
Acid gras superior saturat activat
R
C H
CH2
NADP+ NADPHH+
R
β - Hidroxiacil coenzima A
C
C~SCoA
HOH
O CH2
C~SCoA
β - Cetoacil coenzima A O
CH2
C H
O
C~SCoA
R'
C H
Acid gras superior nesaturat activat
O
OH HOH
R
C
O OH
+
H3C
C~SCoA
Biodegradare ciclica O H3C
C~SCoA
Biodegradare aeroba ciclul Krebs
CO2
+ H2O
METABOLISMUL PROTIDELOR Cele mai multe dintre protidele organismelor superioare sunt continuu biodegradate şi biosintetizate. La om si animale, timpul de înjumătăţire biologică a albuminelor din plasmă este de 20-25 de zile, când jumătate din cantitatea de albumină este biodegradată şi înlocuită cu una nou sintetizată. Chiar şi proteinele intracelulare (enzimele) sunt supuse unor procese de biodegradare şi biosinteză continuă în perioade de timp de la câteva ore la mai multe zile. De aceea, pentru un adult, necesarul de aminoacizi este de 1 g/zi/kg corp, deoarece organismul uman nu poate sintetiza decât jumătate din cei 20 de aminoacizi proteinogeni. Biosinteza (anabolismul) protidelor Etapa de biosinteză a protidelor (anabolismul) începe cu biosinteza aminoacizilor, urmată de biosinteza protidelor, în ordinea complexităţii lor: aminoacizi → peptide → peptone → albumoze → proteine → proteide (holoproteide) (heteroproteide) Biosinteza aminoacizilor Biosinteza aminoacizilor se realizează în principal pe două căi metabolice:
• •
aminare reductivă a cetoacizilor transaminare
• Aminarea reductivă a cetoacizilor reprezintă o cale principală de biosinteză a aminoacizilor, direct din amoniac şi cetoacizii formaţi în organism prin degradarea aerobă a glucidelor (ciclul Krebs). Aminarea cetoacizilor decurge în prezenţa enzimei glutamatdehidrogenaza care are drept coenzimă NAD+ sau NADP+. Reacţia decurge cu formarea intermediară a unui iminoacid, care va fi redus enzimatic, conform reacţiei: NAD
R C
R
+
O
NH3
R
NADH + H+
NH
C
HC
- H2O
COOH
COOH
α - Cetoacid
NH2
COOH
Iminoacid
Aminoacid
Se biosintetizează prin acest mecanism aminoacizii: alanina, acid aspartic, acid glutamic din cetoacizii respectivi: acid piruvic, acid oxalilacetic, acid cetoglutaric. CH3 C
CH3 O
HC
COOH
Acid piruvic
NH2
O
;
COOH
α - Alanina
O
C
COOH
H2C
COOH
Acid oxalilacetic
C
COOH
H2N
COOH
H2C
COOH
Acid aspartic
CH
COOH
CH2
CH2 H2C
H2C
COOH
Acid α - cetoglutaric
•
H C
H2N
COOH
Acid Glutamic
Transaminarea
Transaminarea constă în transferul grupei amino -NH2 de la un aminoacid la un cetoacid, după un mecanism care cuprinde ca etape intermediare formarea unor baze Schiff: R1 HC
R2 NH2
COOH
+
C
R1 O
COOH
C
R2 O
COOH
+
HC
NH2
COOH
R1 HC
R1
R2 NH2
O
COOH
Aminoacid 1
C
HC
- H2O
+ 2[H]
C
COOH
Cetoacid 2
R2 H N
HC
COOH
CH
COOH
COOH
Baza Schiff 1 R2
R1 - 2[H]
N
R1
- 2[H]
COOH
C
R2
N
COOH
CH
R1
R2
+ H2O
COOH
Baza Schiff 2
C
O
COOH
Cetoacid 1
+
HC
NH2
COOH
Aminoacid 2
Transaminarea este catalizată de o enzimă specifică transaminaza care are drept coenzimă piridoxalfosfatul (vitamina B6). Importanţa deosebită a reacţiilor de transami-nare, reacţii biochimice reversibile, constă în realizarea corelaţiei dintre metabolismul glucidic şi cel protidic. Aminoacizii sunt intermediari la obţinerea altor biomolecule importante, cum ar fi: peptide, proteine, antibiotice (gramicidina), hormoni (adrenalina, noradrenalina). Biosinteza proteinelor (poliprotidelor) Proteinele (holoproteide superioare) se sintetizează din aminoacizi printr-un proces continuu şi complex, care decurge cu viteză mare, la nivelul ribozomilor din celule, cu implicarea acizilor nucleici şi a compuşilor macroergici ATP, GTP care furnizează energia necesară proceselor biochimice. Aminoacizii se unesc în catene macromoleculare, prin legături peptidice, într-o anumită succesiune, conform codului genetic conţinut în ADN. Succesiunea bazelor azotate din ADN este transcrisă (cu respectarea principiului complementarităţii) într-o anumită structură a acizilor mARN şi tradusă cu ajutorul acizilor t ARN din codonii mARN pe anticodonii tARN în noua structură proteică (limbajul bazelor azotate din acizii nucleici este tradus în limbajul aminoacizilor proteinei). Proteinele sunt sintetizate din cei 20 de aminoacizi proteinogeni, iar secvenţa bazelor azotate din mARN reprezintă secvenţa amionacizilor din proteină. Fiecare aminoacid este reprezentat pe mARN printr-o tripletă de baze azotate numită codon (cu cele 4 baze azotate există 64 codoni (triplete) diferiţi. Etapele necesare sintezei proteinelor sunt: reduplicarea ADN, constă în desfacerea legăturilor de hidrogen dintre bazele azotate complementare, urmată de desfăşurarea spiralei bicatenare, cu formarea celor două catene polipeptidice simple de ADN; transcrierea (transcripţia) mesajului genetic, respectiv o anumită succesiune a bazelor azotate de pe ADN (matriţa) pe catena polinucleotidică a mARN, care este sintetizată cu respectarea riguroasă a complementarităţii bazelor azotate din ADN, cu deosebirea că timina din ADN este înlocuită în mARN cu uracil traducerea (translaţia) este o etapă importantă în determinarea caracterului şi însuşirilor unui organism, deoarece limbajul bazelor azotate din acizii nucleici (o anumită secvenţă, respectiv codul genetic) este tradus în limbajul aminoacizilor constituenţi ai proteinei (o anumită secvenţă a aminoacizilor).
Fiecare secvenţă de 3 baze azotate din structura acizilor nucleici constituie un codon, iar fiecărui codon îi corespunde un anumit aminoacid. Conform principiului complementarităţii bazelor azotate, unui anumit codon de pe ADN îi corespunde un anumit codon de pe mARN şi apoi un anticodon de pe tARN. Reprezentarea acestor etape este redată schematic în figura următoare. ADN
Structura secundara: dubla catena spiralata
ADN
Structura primara: catena polinucleotidica simpla - sediul mesajului genetic - matrita pozitiva a originalului
IN NUCLEU
REDUPLICARE
1
IN CITOPLASMA
3
ATGCAGCTA
TRANSCRIERE
ARNm
2
Catena polinucleara simpla: - purtatorul mesajului genetic - matrita negativa a originalului
1'
2'
3'
UACGUCGAU
TRANSLATIE
Repozitivarea (realizarea) mesajului genetic
1''
2''
AA1
AA2
Metionina glicina
PROTEINA
3''
AUGCAGCUA AA3 leucina
CO R1 NH CO R2 NH CO R3 NH
Din punct de vedere biochimic, etapa de traducere (translaţie) reprezintă biosinteza propriu-zisă a macromoleculelor proteice şi cuprinde mai multe etape: a) activarea enzimatică a aminoacizilor din citoplasmă constă în acţiunea ATP asupra aminoacizilor, în prezenţa enzimei amionoacil- ARN sintetaza şi a ionilor Mg2+, cu formarea complexului aminoacil-AMP- enzima. O R
O
Mg2+
CH
C + P ~P ~ P
NH2
OH
ATP
Aminoacid
r
A + Enz
R
CH
C
NH2
O
Enz + P ~ P P
r
A
Aminoaciladenilat
Enz = aminoacil ARN - sintetaza b) formarea complexului aminoacil-tARN, prin transferul restului aminoacil de la complexul aminoacil-AMP-enzima la capatul C’3 -OH al tARN (se formează o legătură esterică la C’3-OH de la secvenţa terminală a tARN a trinucleotidei CCA. Trinucleotida terminală CCA a tARN are braţul flexibil şi poate adapta grupa aminoacil la poziţia reactivă determinată de pe ribozom.
O R
ARNt
CH2
Enz
CH
C
NH2
O~ P
r
A
ARNt
ADENINA
CH2
O
+
ADENINA O + P
O
Tib
A + Enz
AMP R
OH OH
a.a. AMP Enz aminoaciladenilat-Enz
CH
C ~ OH OH
NH2 complexul aminoacil t.RNA
partea terminala a t.RNA
Codon mRNA
Evidenţierea modului în care tARN este capabil să identifice poziţia de legare a aminoacidului în lanţul peptidic, poate fi realizată cu ajutorul “modelului trifoi” al tARN:
C
C
P
anticodon al tRNA
CH2
ADENINA O
A 3` Aminoacid activat OH OH adenina
riboza
P
O
O
NH2
C
CH
R
Capatul tRNA t RNA
C
C
P
CH2
ADENINA O
A 3` Complexul aminoacil RNA O O
OH
C HC
NH2
R
Legarea corectă a aminoacidului cu tARN corespunzător se datorează specificităţii absolute a enzimei aminoacil-ARN-sintetaza. Se asigură astfel, recunoaşterea codonului de către anticodon (şi nu de către aminoacidul activat). c) formarea legăturii peptidice decurge pe ribozomi (particule conţinând rARN, prezente în toate celulele) şi se realizează între aminoacizii transportaţi fiecare de tARN corespunzători (aflaţi pe codonii dictaţi de mesajul genetic înscris pe mARN). Ribozomii posedă pe suprafaţa lor două situsuri catalitice: - situsul P (donor), pe care se va găsi complexul aminoacil 1-t1ARN - situsul A (acceptor), pe care se află complexul aminoacil 2 –t2ARN. Între cei doi aminoacizi alăturaţi, legătura peptidică -NH-CO- se realizează între grupa carbonil a aminoacidului 1, de pe poziţia donor a ribozomului (corespunzator codonului 1 de pe mARN) şi grupa amino (-NH2) a aminoacidului 2 de pe poziţia acceptor a ribozo-mului (corespunzând codonului 2 de pe mARN).
În urma formării legăturii peptidice între cei doi aminoacizi, molecula de t1 -ARN este eliberată din complexul aminoacid 1-t1 ARN şi poate fi din nou utilizată. R1 R2 HC
HC * NHH + ARNt ~ C
** ARNt ~ C
NH2 O
O ∗
** ARNt ~ C
R2 CH
R1 NH
- ARNt
acceptor donor RIBOZOM
CO
CH NH2
dipeptida
Prin deplasarea ribozomilor de-a lungul mARN (sau deplasarea mARN pe suprafaţa ribozomilor), codonii de pe mARN trec succesiv prin dreptul situsului A de pe ribozomi, dictând natura complexului aminoacil-tARN care urmează să fie fixat pe acest situs. Dipeptida formată, sub forma complexului aminoacid 1-aminoacid 2–t2ARN, trece pe poziţia donor a ribozomului, lăsând liberă poziţia acceptor, corespunzator codonului 3 de pe mARN. d) elongaţia (creşterea lungimii lanţului polipeptidic) se realizează după un mecanism identic cu cel implicat în cazul biosintezei dipeptidei. Situsul P al ribozomului este ocupat cu complexul dipeptidil-t2ARN, iar situsul A este vacant şi se poziţionează la al treilea codon de pe mARN, formând complexul aminoacil 3-t3ARN. După formarea noii legături peptidice între grupa carbonil legată de complexul dipeptidil-t2ARN şi grupa amino de la complexul aminoacil 3-t3ARN, are loc deplasarea tripeptidei formate (sub forma complexului AA1-AA2-AA3-t3ARN) pe situsul donor (situs P) al ribozomului cu eliberarea concomitentă a situsului acceptor (situs A) al ribozomului, care se va poziţiona în dreptul codonului 4 de pe mARN, în vederea formării complexului aminoacil-4-t4 ARN.Dacă proteina care urmează a fi sintetizată are, de exemplu, 200 de aminoacizi, etapa finală implică transferul peptidei conţinând 199 de aminoacizi spre aminoacidul final, legat în complexul cu tARN, cu formarea unui complex proteină-tARN. Capătul N-terminal al proteinei este sintetizat primul, capătul C-terminal, ultimul. e) Terminarea biosintezei lanţului polipeptidic al proteinei Lungimea lantului polipeptidic este determinată genetic, prin transcrierea pe mARN a unui codon stop (nu codează nici un aminoacid): UAG, UAA, AGA (pentru care nu există nici un tARN cu anticodoni corespunzători). Aceşti codoni "non-sens" sunt însă recunoscuţi de proteine citoplasmatice specifice, denumite factori de eliberare (protein release factors), care desprind proteina de pe tARN. Lanţul polipeptidic este eliberat de pe situsul P al ribozomului şi de pe tnARN printr-o reacţie de hidroliză. Ribozomul se detaşează de pe mARN şi este apt pentru o nouă etapă de iniţiere. Lungimea lanţului proteic este determinată genetic, prin transcrierea pe mARN a unui codon stop.Proteinele sintetizate (holoproteide) participă la biosinteza heteroproteidelor, a enzimelor, la îndeplinirea unor funcţii specifice organismului. Concomitent se desfăşoră şi un proces invers, de biodegradare a proteinelor. Biodegradarea (catabolismul) protidelor Biodegradarea proteinelor Proteinele (holoproteidele) libere sau rezultate din biodegradarea heteroproteidelor se scindează pe cale enzimatică în aminoacizii componenţi. Enzimele proteolitice (proteinazele) sunt alături de amilaze cele mai cunoscute şi importante enzime hidrolitice (C-N hidrolaze).
Biodegradarea aminoacizilor Aminoacizii rezultaţi prin biosinteza sau prin biodegradarea proteinelor pot fi utilizati în continuare la: - biosinteza proteinelor noi - biosinteza altor compuşi cu azot în moleculă - sinteza de aminoacizi (prin transaminare, aminare reductivă) - biodegradare totală până la: NH3, CO2, H2O. În organismele animale şi vegetale biodegradarea aminoacizilor decurge preponderent prin: - dezaminări - decarboxilări simple sau însoţite de dezaminări - transaminări. a) Biodegradarea aminoacizilor prin dezaminare Dezaminările sunt reactii catalizate enzimatic, care constau în eliminarea unor grupe amino (-NH2), sub formă de amoniac (NH3) cu formarea unor compuşi ternari (C, N, O) care pot constitui punct de plecare pentru alte transformări biochimice. • Dezaminarea oxidativă constă în eliberarea a doi atomi de hidrogen, cu formarea unui iminoacid instabil, care în prezenţa apei hidrolizează cu formare de NH3 şi cetoacid. Enzimele implicate fac parte din clasa oxidoreductazelor şi pot fi: glutamatdehidrogenaza în prezenţa NAD+ sau NADP+, alanindehidrogenaza în prezenţa FAD, etc. Cetoacizii rezultaţi pot fi metabolizaţi (biodegradaţi) la CO2 şi H2O, sau pot fi transformaţi în monoglucide care vor parcurge în sens invers ciclul de biodegradare EMP (glicoliza). Aminoacizii care se pot transforma în cetoacizi se numesc aminoacizi cetogeni, iar cei care se pot transforma în glucoză se numesc aminoacizi glucoformatori. CH3 HC
FAD
FADH2 CH3
NH2
C
COOH
CH3 NH
+H2O
NH3 + C
COOH
COOH
Alanina
O
Iminoalanina
Acid piruvic
• Dezaminarea hidrolitică a aminoacizilor conduce la obţinerea NH3 unui hidroxiacid. CH3
CH
COOH
HOH
NH3 + CH3
NH2
CH
COOH
[O]
CH3
COOH
O
OH
α - Alanina
C
Acid lactic
Acid piruvic
Hidroxiacidul poate fi transformat, în prezenţa dehidrogenazelor în cetoacid, care poate fi metabolizat în continuare prin ciclul Krebs sau poate fi retransformat în aminoacizi. • Dezaminarea reductivă a aminoacizilor conduce la obţinerea NH3 şi a acidului saturat cu acelaşi număr de atomi de carbon: CH3
CH
COOH
[H]
NH3 + CH3
CH2
COOH
NH2
α - Alanina
Acid propionic
Acidul propionic format, sub forma propionil-coenzimei A este implicat în biosinteza acizilor graşi superiori cu număr impar de atomi de carbon, pe calea malonil-coenzimei A. • Dezaminarea desaturantă (biocatalizată de enzime din clasa liazelor) are drept produs de reacţie, pe lângă NH3, un acid carboxilic nesaturat cu acelaşi număr de atomi de carbon în moleculă: CH3
CH
NH3 + CH2
COOH
CH
COOH
NH2
α - Alanina
Acid acrilic
b) Decarboxilarea aminoacizilor Decarboxilarea aminoacizilor este o cale de biodegradare importantă, biocatalizată de enzime specifice, aminoaciddecarboxilaze, care au drept coenzima piridoxalfosfatul (vitamina B6). Ca produşi de reacţie, pe lângă CO2, se formează amine primare, denumite amine biogene. Mecanismul reacţiei de decarboxilare este următorul: R
CH
COOH +
NH2
Aminoacid R
C
O
R
-H2O
Enz-piridoxalfosfatul
CH
COOH
N
CH
-CO2
Enz-iminoacid
CH2 N
-CO2
H
CH
H2O
R
CH2
Enz-imină
NH2 + O
C
Amină
H
Piridoxal-fosfat
Unele dintre aminele biogene rezultate prezintă activitate farmacologică, altele sunt componente ale coenzimelor sau contribuie la sinteza unor heterociclii cu azot (pirol, piridina) care intră în structura unor alcaloizi. CH2
(CH2)2
NH2
CH
COOH
-CO2
H2N
(CH2)4
NH2
-NH3
H2C
CH2
H2C
CH2
CH
HC -4H
CH
HC N H
N H
NH2
Ornitina
Putresceina
Pirolidină
Pirol
H2 C H2C CH2
(CH2)3
NH2
Lizina
CH
COOH
-CO2
H2N
(CH2)5
N H
Cadaverină
CH2
HC
CH2
HC
CH
NH2 H2C
NH2
H C
Piperidină
CH N
Piridină
Prin natura compuşilor rezultaţi, reacţiile de biodegradare a aminoacizilor reflectă corelaţiile dintre metabolismul proteic - glucidic - lipidic. Metabolismul amoniacului Amoniacul rezultat prin dezaminare ca şi cel preluat de către plante din sol în decursul procesului de nutriţie, este o substanţă toxică; nivele ridicate prezente în sânge impiedică funcţionarea creierului, provocând comă. De aceea, amoniacul nu este transportat liber de-a lungul ţesuturilor la ficat ci este transformat întâi în amide netoxice. Căile de metabolizare a amoniacului sunt următoarele: • fixarea sub forma de amide (îndeosebi ale acidului glutamic şi aspartic) • participare la biosinteza aminoacizilor, prin aminarea reductivă a cetoacizilor • formarea de săruri de amoniu ale acizilor organici (oxalic, citric, malonic, fumaric, etc.) din metabolism. a) Fixarea amoniacului sub forma de amide O R
C
O OH + HNH2
R
C
O R
C
ONH4 sare de amoniu
O OH + HNH2
R
- H2O
C
amida
NH2
acid organic amoniac
COOH H
C
COOH
NH2
HC
CH2 O
C
OH
O
COOH C
C
HC
NH2
OH
C
O
P
O
NH2
C
NH2
O
Asparagina
COOH HC
(CH2)2
Acidul glutamic
C
Asparaginfosfat
HC
O
NH2
CH2
COOH
(CH2)2 O
NH2
CH2
Acidul asparagic
H
COOH
NH2
(CH2)2 P
O
C
Glutaminfosfat
NH2
Glutamina
Glutamina este unul din cei 20 de aminoacizi constituenţi ai proteinelor şi este implicată în biosinteza multor altor metaboliţi (este utilizată ca sursă de azot). b) Metabolizarea amoniacului prin aminare reductivă (transaminare) Peste 30% din amoniacul rezultat în muşchi la biodegradarea proteinelor este trimis în ficat, sub formă de alanină (sau glutamină). Alanina formează prin transaminare acid piruvic, care este convertit în ficat la glucoză, care trece apoi în sânge şi din nou în muşchi. Secvenţa de reacţii constituie ciclul glucozo-alaninic. Toate aceste reacţii, în care amoniacul este utilizat
la sinteza amidelor sau a unor noi aminoacizi, reprezintă căi de corelaţie a metabolismului protidic cu cel glucidic (ciclul acidului glutamic, ciclul acidului aspartic). c) Metabolizarea amoniacului prin ciclul ureeogenetic (ciclul ornitinic sau ciclul Krebs-Henseleit) Plantele superioare, mamiferele, pestii, ciupercile şi bacteriile pot transforma amoniacul în uree, altă formă netoxică de păstrare şi de transport în organism. In organismele vii, formarea ureei decurge printr-o transformare ciclică complexă, denu-mită ciclul ureogenetic (ciclul ornitinic sau ciclul Krebs-Henseleit).
Ciclul KREBS – HENSELEIT dezaminari AMP
NH2
ATP NH3 + CO2
C
-PP-
C
-H3PO4
NH2
H2C NH2
H2C
(CH2)2
O
HC
izouree C
NH
NH2
HC
ORNITINA
CH CH2 COOH Acid aspartic
(CH2)2
COOH NH2
H2N
O +
NH2
COOH
COOH
NH2 O ~P
H2O ureaza
uree C
carbamilfosfatul O
HO
CH din ciclul KREBS CH2 COOH Acid malic
NH2
COOH CITRULINA
NH
OH
NH2
NH2 C H2C
H2C
NH
HC
NH2
CH2 COOH
NH2
Acid arginsuccinic (suaccinil orginina)
ARGINA
H C
NH
CH
COOH
COOH
HOOC
N
(CH2)2
(CH2)2 HC
C
NH
COOH
CH
COOH Acid fumaric
Ureea este produsă în ficat prin scindarea hidrolitică a argininei la ornitină. Amoniacul de la catabolismul aminoacizilor poate fi utilizat pentru a reface arginina din ornitină, atomul de carbon provenind de la CO2 din metabolismul glucidic. La realizarea biosintezei ureei participă şi un alt aminoacid, citrulina. Dioxidul de carbon activat enzimatic cu enzima carbamilfosfatsintetaza şi cu aportul energetic al ATP, reacţionează cu NH3 formând carbamilfosfatul care reacţionează cu ornitina formând citrulina. Citrulina reactioneaza cu acidul aspartic (provenit prin trans-aminare din acid oxalilacetic, format în ciclul Krebs), în prezenţa enzimei argininsuccin-sintetaza, a ATP şi ionilor Mg2+, cu formarea acidului argininsuccinic. Acesta este scindat de către
argininsuccinliaza în arginină şi acid fumaric (care poate conduce la acid aspartic, în ciclul Krebs). Arginina rezultată este scindată de către hidrolaza arginaza în ornitină şi izouree, care se izomerizează la uree, scindabilă sub acţiunea ureeazei în CO2 şi NH3, compuşi care pot iniţia biosinteza aminoacizilor, glucidelor, etc. Ciclul ornitinic (ciclul Krebs–Henseleit) reprezintă şi el o cale de corelaţie a metabolismului proteic, prin aminoacidul ornitina, cu metabolismul glucidic. Corelaţii biochimice se pot stabili şi între compuşii fundamentali, glucide, lipide, protide şi enzime, hormoni, acizi nucleici, etc. Abordarea compleză a fenomenelor biochimice impune ca, pe lângă studiul transformărilor diferitelor substanţe, să se ia în considerare şi aspectele energetice ale acestor procese, cu evidenţierea corelării biosintezei, consumatoare de energie, cu biodegradarea, generatoare de energie. Trebuie, în acelaşi timp, acordată importanţa cuvenită influenţei factorilor de mediu în care trăiesc organismele vegetale şi animale, condiţiilor în care îşi procură materia primă (H2O, CO2, O2, substanţe minerale, etc.), cât şi energia necesară biotransformărilor, precum şi influenţei factorilor de mediu (clima, diferite radiaţii, etc.), asupra evoluţiei normale a diferitelor organisme.
