CAPITOLUL 1

NOŢIUNI INTRODUCTIVE

1.1. DEFINIŢIA ŞI OBIECTUL BIOCHIMIEI

În accepţiunea generală, biochimia este ştiinţa modernă care studiază materia vie şi fenomenele specifice acesteia sub raportul compoziţiei, naturii, organizării moleculare, asamblării şi corelaţiilor biomoleculelor componente, precum şi al proceselor de degradare şi biosinteză a acestor biomolecule prin care se generează şi se consumă energia necesară vieţii.

BIOCHIMIA

MATERIA VIE(BIOMOLECULE COMPONENTE)

Biochimia este ştiinţa care se ocupă cu studiul bazelor moleculare ale vieţii, adică investighează materia vie în unitatea ei structurală şi funcţională, unitate care rezidă atât din similitudinea compoziţiei chimice a sistemului de organizare biochimică, cât şi din cea a proceselor biochimice comune tuturor formelor de viaţă.

9

PROCESE DE DEGRADARE ŞI

BIOSINTEZĂ

CORELAŢIIASAMBLARE

ORGANIZARE MOLECULARĂ

NATURĂ

COMPOZIŢIE

Prin conţinutul şi evoluţia sa, biochimia este o ştiinţă complexă, cu caracter interdisciplinar, caracter ce reiese din impactul şi raporturilor sale cu alte ştiinţe, precum chimia organică, chimia fizică, biologia celulară, fiziologia şi care-i conferă biochimiei noi coordonate.

1.2. CARACTERISTICILE BIOCHIMICEALE ORGANISMELOR VII

Comparativ cu materia nevie, organismele vii se caracterizează printr-un ansamblu de principii şi trăsături definitorii de organizare şi funcţionare la nivelul moleculelor, cum ar fi:

- sunt sisteme deschise, adică se află în permanent schimb de materie, energie şi informaţie cu mediul ambiant şi au drept caracteristică definitorie metabolismul, concept care defineşte esenţa materială şi dinamismul vieţii;

- posedă un grad înalt de organizare şi complexitate, adică sunt alcătuite din diferite tipuri de molecule şi macromolecule cu structuri variate şi funcţii specifice;

- reprezintă o stare calitativ superioară atât sub aspectul naturii, structurii şi modului de asamblare a biomoleculelor componente, dar mai ales sub aspectul interacţiunilor dintre colecţiile de molecule specifice;

- au capacitatea unică de a „extrage“ şi de a transforma energia din mediul ambiant, adaptând-o şi utilizând-o pentru edificarea propriilor structuri şi pentru menţinerea organizării structurale;

- au capacitatea de autoreplicare precisă din generaţie în generaţie, în forme identice ca masă, conformaţie, structuri interne şi proprietăţi;

- pentru toate organismele vii, celula este unitatea morfologică şi funcţională ce conţine echipamentul de bază complet pentru menţinerea şi continuitatea vieţii.

10

1.3. COMPOZIŢIA CHIMICĂ A ORGANISMULUI ANIMAL

Toate organismele vii au compoziţia chimică elementară de bază comună şi reprezentată prin bioelemente şi biomolecule.

1.3.1. BIOELEMENTE

În compoziţia materiei vii intră în mod constant 27 de elemente chimice (din cele 100 cunoscute), denumite bioelemente esenţiale, care se împart în:

a) macroelemente sau bioelemente plastice (constitutive);b) microelemente sau oligoelemente.Macroelementele sunt nemetale (C, H, O, N, P, S, Cl) şi metale

(Na, K, Ca, Mg), au o pondere de circa 99% din masa organismului şi intră în structura tuturor celulelor, ţesuturilor şi lichidelor biologice.

Dintre macroelemente, atomul de carbon reprezintă elementul primordial în structura chimică a tuturor compuşilor caracteristici materiei vii şi are următoarele proprietăţi esenţiale:

- configuraţie tetraedrică ce îi permite să formeze structuri sau reţele tridimensionale;

- are capacitatea de a forma legături covalente stabile de tip CC sau legături covalente între atomi de carbon şi atomi de O, N, H, S, rezultând o varietate de molecule.

Microelementele sau oligoelementele, deşi reprezintă numai 1% din totalul bioelementelor, sunt componente structurale ale unor biomo-lecule importante (enzime, vitamine, hormoni, pigmenţi). Din această categorie fac parte: I, F, B, Br, Mn, Fe, Co, Cu, Zn, Sn, Si, Mo, Se, As.

Carenţa acestora determină o serie de dereglări metabolice.

1.3.2. BIOMOLECULE

Biomoleculele sunt un ansamblu de molecule de diverse tipuri integrate în structura morfologică a materiei vii şi care condiţionează organizarea structurală şi funcţională a organismului animal. Fiecare clasă

11

de biomolecule îndeplineşte în celulă roluri bine determinate, specifice şi ele sunt rezultatul selecţiei pe scara evoluţiei, fiind cele mai potrivite pentru funcţia lor biologică.

În funcţie de natura, structura, dimensiunile şi rolurile pe care le îndeplinesc, biomoleculele se clasifică în două categorii:

- biomolecule anorganice;- biomolecule organice.

1.3.2.1. Biomolecule anorganice

Din aceste biomolecule fac parte: apa şi sărurile minerale.

I. Apa în organismul animal

Apa este constituentul primordial, indispensabil vieţii, deoarece constituie mediul celular lichid în care se desfăşoară toate reacţiile biochimice specifice materiei vii. Ea este distribuită diferit în ţesuturi şi lichide biologice, cum ar fi: plasmă sanguină, limfă şi suc gastric 95%, muşchi şi piele 80%, ficat şi plămâni 75%, creier 70%. Activitatea metabolică normală la nivel celular necesită minim 65% apă.

În organism apa se găseşte sub două forme:- apa liberă, care se găseşte în compartimentele extracelu-

lare, respectiv spaţii interstiţiale şi lichide circulante intravas-cular (sânge şi limfă);

- apa legată (de constituţie), care se găseşte în compartimen-tele intracelulare şi participă la alcătuirea structurii celulare şi a mediului celular.

Apa are proprietăţi fizico-chimice unice care decurg din asimetria electrică şi din caracterul bipolar al moleculelor, caracteristici ce au drept urmare asocierea acestora prin legături de hidrogen:

H H H :O H ... :O H ... :O H ...

12

Datorită acestor proprietăţi apa îndeplineşte în organism urmă-toarele roluri:

este unul dintre cei mai buni solvenţi biologici pentru o multitudine de substanţe (mai puţin pentru compuşi nepolari);

rol structural, deoarece participă la constituţia ansamblului celular, la organizarea morfologică a celulei şi la formarea coloizilor celulari;

disociază şi generează ioni H3O+ şi HO, necesari în proce-sele de tamponare, în menţinerea echilibrului acido-bazic şi în biocataliză;

participă direct în reacţii de hidratare, hidroliză şi redox; rol transportor, deoarece este mediul de vehiculare a diferi-

telor substanţe în organism; rol termoreglator, prin procesele respiraţie şi transpiraţie,

menţinând temperatura organismului în limite constante.Provenienţa apei este în general exogenă, doar o mică parte

provenind din reacţiile biochimice (origine endogenă).

II. Sărurile minerale

Sărurile minerale se găsesc în cantităţi variabile, dizolvate sau nedizolvate, în toate celulele, ţesuturile şi lichidele biologice din orga-nismul animal, sub formă de cloruri, ioduri, carbonaţi, fosfaţi, sulfaţi, uraţi etc. Ele îndeplinesc în organism roluri foarte variate, cum ar fi: structural (intră în structura ţesutului osos şi a dinţilor - Ca, P, Mg, F), efectori enzimatici (activatori: Cl sau inhibitori: Hg2+, Pb2+), reglator (componente structurale ale unor hormoni şi vitamine - Co, P, I), stimulează funcţia de reproducere (Se) şi digestia (Cl), intervin în energetica celulară ( ) şi în menţinerea pH-ului în limite constante (Na, K, Mg, Ca).

În celulă, cationii şi anionii se menţin într-un echilibru dinamic, în funcţie de activitatea fiziologică.

13

1.3.2.2. Biomolecule organice

Biomoleculele organice conţin în structura lor atomi de C, H, O şi eventual N, P, S, prezintă o diversitate de structuri şi îndeplinesc o multitudine de roluri în organism.

Principalele clase de biomolecule organice specifice tuturor organismelor vii sunt:

• glucide• lipide• protide• acizi nucleici• enzime• vitamine• hormoni• compuşi macroergici• compuşi organici intermediari.Aceste biomolecule îndeplinesc în cadrul celulei diferite roluri şi

anume: structural - intră în structura celulei, membranelor şi

formaţiunilor intracelulare, determinând prin ansamblarea lor edificiul molecular al celulei (glucide, lipide, protide);

biocatalitic - participă la desfăşurarea coordonată şi la reglarea tuturor reacţiilor chimice necesare activităţii celulare (enzime);

informaţional - stochează, transmit şi exprimă informaţia ereditară (acizii nucleici);

energetic - servesc drept combustibil celular şi, în urma proceselor proprii de degradare, eliberează energia necesară funcţiilor vitale ale celulei, energie înglobată şi stocată în compuşi macroergici (ATP,GTP);

reglator - modulează activităţile biochimice ale celulei, ca reglatori ai diferitelor procese (vitamine, hormoni).

Ca dimensiuni, biomoleculele acoperă un domeniu extrem de larg, iar forma şi caracteristicile lor sunt extrem de importante pentru participarea lor la edificarea componentelor structurale ale celulei, precum şi pentru specificitatea interacţiunilor lor biochimice. În tabelul 1.1 este redată distribuţia cantitativă a principalelor clase de biomolecule organice în diferite ţesuturi.

14

Tabelul 1.1Distribuţia cantitativă (valori procentuale medii) a principalelor clase de

biomolecule organice în diferite ţesuturi

Ţesut Protide (%) Lipide (%) Glucide (%)

Muşchi 22 5 0,6Ficat 22 3 2Creier 10 14 0,1Piele 25 7 prezenteOase 19 prezente prezenteSânge 18 1 0,1

Deşi materia vie prezintă grade diferite de complexitate structurală şi funcţională, există totuşi o schemă unică de organizare biochimică şi biologică. Ca rezultat al procesului evolutiv, această schemă reflectă creşterea gradului de complexitate organizatorică în următoarea ierarhie:

atomi molecule simple macromolecule complexe supramoleculare celule indivizi populaţii specii ecosisteme.Formarea biomoleculelor organice este un proces unic care, în

prima etapă, porneşte de la precursori chimici anorganici (molecule simple cu mase moleculare mici, ca: CO2, H2O, N2, , NH3) ce sunt convertiţi în metaboliţi intermediari (compuşi organici cu masă mole-culară mică: 50 – 150 Da, care apar în cursul proceselor metabolice).

În a doua etapă, metaboliţii sunt transformaţi în molecule simple fundamentale (unităţi structurale cu masă moleculară cuprinsă între 100 – 350 Da, ca: oze, acizi graşi, glicerol, aminoacizi, nucleotide).

În etapa a treia, prin condensarea unui număr mare de molecule simple rezultă macromoleculele (cu mase moleculare mari de 103 – 109

Da, cum ar fi poliglucide, lipide, proteine, acizi nucleici etc.).Următoarea treaptă de organizare structurală sunt sistemele

supramoleculare (ca rezultat al asocierii macromoleculelor prin legături chimice slabe de tipul celor de hidrogen, legături ionice, prin forţe Van der Waals sau interacţiuni hidrofobe). Se formează astfel ribozomii, com-plexele multienzimatice, lipoproteidele.

15

Ultimul nivel de organizare îl reprezintă asamblarea acestor sisteme supramoleculare în formaţiuni intracelulare (organite celulare ca: nucleu, mitocondrii, reticul endoplasmatic, lizozomi). Acest nivel marchează formarea celulei, cea mai mică entitate care manifestă atributele stării de viu.

Schematic, procesul unic al organizării moleculare care ilustrează trecerea de la forma chimică la forma biologică de mişcare a materiei este prezentată în figura 1.1.

Figura 1.1 - Schema organizării moleculare în celulă

16

PRECURSORI CHIMICI ANORGANICI:CO2, H2O, NH3, , N2

M=18-64 Da

METABOLIŢI INTERMEDIARI:ACID PIRUVIC; ACID CITRIC, GLICERALDEHIDĂ-3 FOSFAT etc.

M=50-150 Da

MOLECULE SIMPLE FUNDAMENTALE:OZE, ACIZI GRAŞI, GLICEROL, AMINOACIZI, MONONUCLEOTIDE

M=100-350 Da

MACROMOLECULE:POLIGLUCIDE, LIPIDE, PROTIDE, ACIZI NUCLEICI

M=103-109 Da

SISTEME SUPRAMOLECULARE:RIBOZOMI, COMPLEXE MULTIENZIMATICE

M=106-109 Da

FORMAŢIUNI INTRACELULARE:NUCLEU, MITOCONDRII, LIZOZOMI, RETICUL ENDOPLASMATIC

CELULA

1.3.2.3. Celula

Celula constituie unitatea de bază structurală, funcţională şi genetică a tuturor organismelor vii.

Sub aspect biochimic, celula reprezintă o constelaţie de macro-molecule, molecule mici şi ioni care se asamblează după un program genetic şi care se găsesc în raporturi biochimice de strictă condiţio-nare şi interacţiune reciprocă.

Organizarea şi funcţionarea acestor componente biochimice ale celulei este asociată cu particularităţile infrastructurii celulare şi această corelaţie legică între topografia şi topochimia celulei determină proprie-tăţile sale fundamentale şi anume:

autoansamblarea; autoreglarea; autoreproducerea; autointegrarea.Caracterul esenţial pe care se bazează diferenţierea celulelor îl

reprezintă natura mediului intracelular sau nivelul de organizare intracelular. Din acest punct de vedere celulele se clasifică în două tipuri principale: procariote şi eucariote.

Celulele procariote sunt considerate ca fiind primul tip de organism viu şi care au organizarea internă cea mai simplă (tipul repre-zentativ îl constituie bacteriile şi algele).

Celulele eucariote reprezintă un stadiu avansat în evoluţia celulei vii şi se caracterizează printr-un înalt grad de organizare structurală internă specifică (existenţa unor particule subcelulare distincte numite organite celulare, a unui sistem de membrane interne care delimitează organitele şi compartimentează spaţiul intracelular, a unui aparat genetic localizat în nucleu, delimitat de restul celulei, procese respiratorii locali-zate în mitocondrii etc.)

În grupul celulelor eucariote se încadrează şi celulele de origine animală şi de aceea considerăm necesar pentru lucrarea de faţă să facem o prezentare generală a topografiei celulei eucariote animale, precizând totodată şi funcţiile majore ale fiecărui compartiment subcelular, după cum urmează:

a) membrana plasmatică, care formează conturul celulei şi delimitează mediul intern de cel extern al celulei. Este de natură lipoproteică şi reglează transportul selectiv de substanţe intra- şi extra-celular, asigură homeostazia metabolică a celulei şi menţinerea în limite

17

compatibile cu activitatea celulară a presiunii osmotice, a concentraţiei diferitelor componente şi contribuie totodată la coordonarea intra- şi intercelulară (receptori membranari) a proceselor biochimice;

b) citoplasma (citosol) este masa celulară solubilă ce înconjoară nucleul, constituită din două componente: componenta nestructurată (citoplasma fundamentală) şi componenta structurată (organitele celu-lare). Este constituită dintr-o mare varietate de macromolecule, molecule, ioni şi asigură traficul în cadrul celulei a produşilor de sinteză şi de degradare biochimică, stabilind interacţiuni biochimice între diferitele compartimente şi formaţiuni intracelulare;

c) nucleul este cea mai mare şi mai densă formaţiune subcelu-lară delimitată de o membrană dublă cu numeroşi pori nucleari. În spaţiul interior al nucleului (nucleoplasma) se află inclus nucleolul şi granulele de cromatină ce reprezintă sediul informaţiei genetice păstrată în ADN, transmisă celulei prin procesul secvenţei AND–ARN–proteină, replicată pentru asigurarea perpetuării celulei prin procesul de biosinteză a ADN;

d) reticulul endoplasmatic reprezintă o reţea de canalicule şi vezicule aplatizate, legate de membrana plasmatică, ce traversează celula. Există două tipuri de reticul endoplasmatic: neted şi rugos (asociat cu ribozomii). Ribozomii sunt complexe nucleoproteice (alcătuite din 65% acizi ribonucleici şi 35% proteine) şi reprezintă sediul biosintezei proteinelor. Reticulul endoplasmatic participă la procesul de biosinteză a proteinelor (prin intermediul complexului macromolecular numit poli-zom), ca şi la transportul proteinelor şi a altor substanţe prin celulă, precum şi la procese de detoxifiere celulară;

e) aparatul Golgi (dictozomii) reprezintă o reţea de tubuli sau vezicule aplatizate, limitate la regiuni restrânse din citoplasmă şi locali-zate de obicei lângă nucleu. Funcţiile atribuite aparatului Golgi se referă la: acceptarea proteinelor biosintetizate la nivelul ribozomilor, concen-trarea acestora şi „împachetarea“ lor în granule dense, ce sunt ulterior secretate în lichidul extracelular, colectarea şi asamblarea proteinelor necesare pentru biosinteza membranei lizozomilor, reprezintă totodată sediul biosintezei heteropoliglucidelor;

f) mitocondriile sunt particule infracelulare a căror mărime, formă şi număr variază de la o celulă la alta, constituite dintr-o mem-brană dublă (una externă şi alta internă), care delimitează un spaţiu intermembranar, denumit spaţiu matriceal. Din punct de vedere bio-chimic mitocondria este sediul metabolismului celular aerob (care include cele trei procese biochimice fundamentale: ciclul Krebs, -

18

oxidarea acizilor graşi şi respiraţia celulară cuplată cu fosforilarea oxidativă), fiind considerată adevărată centrală energetică a celulei, reprezintă sediul biosintezei ureei şi hemului la animale şi are aparat genetic propriu (AND mitocondrial şi ribozomi proprii), fiind capabilă să transcrie pro-gramul genetic (ADN-ARN);

g) lizozomii sunt organite de formă neregulată delimitate de o membrană netedă care le individualizează în spaţiul citoplasmatic şi servesc la transportul proteinelor şi la degradarea intracelulară a substanţelor captate în celulă prin fagocitoză (bacterii) sau pinocitoză (proteine, glucide, lipide şi acizi nucleici);

h) incluziunile citoplasmatice din care fac parte peroxizomii (particule citoplasmatice cu rol oxidativ, care conţin oxidaze produ-cătoare de H2O2 şi catalaza care descompune H2O2) şi constituenţi facultativi (sub formă de granule, picături, cristale sau vacuole care sunt rezultatul activităţii metabolice a celulei: granule de proteină, de mela-nină, leucocite granulare, picături de lipide etc.);

i) citoscheletul (microtubuli şi microfilamente) reprezintă un sistem de fibre pe care îl au toate celulele, cu compoziţie chimică specială, care menţine structura celulei şi permite în acelaşi timp modificarea formei sau chiar mişcarea moleculelor celulei motoare (miozina, kinezina etc.)

Organizarea ultrastructurală a celulei eucariote este redată în figura 1.2.

19

Figura 1.2 - Ultrastructura celulei eucariote

20

CAPITOLUL 2

GLUCIDE

2.1. CONSIDERAŢII GENERALE

Glucidele (zaharurile) sunt categoria de biomolecule prezente în absolut toate tipurile de celule şi organisme.

În general sunt compuşi ternari, fiind alcătuite din carbon, hidrogen şi oxigen, şi au formula generală empirică (CH2O)m, ceea ce le-a atras denumirea improprie de hidraţi de carbon, deoarece există şi excepţii (de exemplu, deoxiriboza).

• Glucidele de origine vegetală sunt sintetizate de către plantele verzi direct din dioxid de carbon şi apă sub acţiunea luminii, în procesul de fotosinteză şi constituie componentele de bază ale hranei omului şi animalelor, respectiv importante surse de energie.

• Glucidele existente în organismul animal se găsesc în cantităţi mici (3% din masa corporală), sunt de natură exogenă şi au următoarele funcţii:

energetică, deoarece prin degradarea lor furnizează 50 - 70% din energia totală care se produce în organismul animal;

structurală, deoarece intră în constituţia substanţei funda-mentale a ţesutului conjunctiv sub formă de gliconjugate cu proteinele (proteoglicanii), dar şi în structura unor biomolecule de importanţă majoră: coenzime, glicolipide, acizi nucleici;

surse de atomi de carbon, necesari biosintezei proteinelor, lipidelor, acizilor nucleici.

21

2.2. CLASIFICARE

Glucidele pot fi clasificate după mai multe criterii, astfel:a) după structura lor chimică pot fi: polihidroxialdehide, poli-

hidroxicetone sau produşi de condensare ai acestora;b) după gradul de complexitate structurală se împart în:

• oze sau glucide simple;• glucide complexe sau ozide.

Ozele sunt glucidele care prin hidroliză nu mai pot fi scindate în molecule cu proprietăţi de glucide.

Glucidele complexe sunt moleculele rezultate prin condensarea unui număr variabil de oze, respectiv 2 - 10 oze identice sau diferite şi se numesc oligoglucide, sute sau chiar mii de oze şi se numesc poliglucide. Din categoria glucidelor complexe fac parte deasemenea proteoglicanii, care sunt heteroglucide în sensul că alături de componenta glucidică conţin în structura lor şi o componentă neglucidică numită aglicon.

c) după rolul pe care-l îndeplinesc în organismul viu sunt glucide de rezervă (de depozit) şi glucide de constituţie.

2.3. OZE

Ozele sunt glucidele cele mai simple care constituie unităţile structurale ale glucidelor complexe.

2.3.1. STRUCTURA OZELOR

Ca structură ozele sunt polihidroxialdehide care conţin în mole-

culă o grupare funcţională aldehidă şi se mai numesc

aldoze sau polihidroxicetone, care conţin în moleculă o grupare cetonă () şi se mai numesc cetoze. Pe lângă gruparea carbonil, toţi cei-

lalţi atomi de carbon din structura unei oze au legată câte o grupare hidro-xil ( ). Deoarece conţin număr variabil de atomi de carbon, ozele pot fi: trioze (C3), tetroze (C4), pentoze (C5), hexoze (C6), heptoze (C7).

Ozele pot prezenta o structură aciclică (lineară) şi una ciclică.

22

Structura lineară este acea structură a ozelor care presupune că toţi atomii din moleculă se găsesc în acelaşi plan. Prin convenţie s-a numerotat cu cifra 1 atomul de carbon din gruparea aldehidă şi cu cifra 2 cel din gruparea cetonă.

Structura ciclică este rezultatul unei reacţii de adiţie intramole-culară a atomului de hidrogen de la gruparea OH a penultimului sau ultimului atom de carbon la dubla legătură carbonilică, reacţie urmată de ciclizare (pentoze şi hexoze). În urma acestei reacţii, în molecula ozei respective se creează un ciclu de tip furan (4 atomi de C şi unul de O), iar structura se numeşte furanozică sau un ciclu de tip piran (5 atomi de C şi unul de O) şi structura este piranozică.

În acelaşi timp apare un hidroxil nou la atomul de carbon carbo-nilic, numit hidroxil semiacetalic (la aldoze) sau semicetalic (la cetoze). Acest hidroxil semiacetalic sau semicetalic poate avea orientare spaţială diferită faţă de planul ciclului creat, orientare sau . Aceşti doi noi izomeri poartă numele de anomeri, iar transformarea unuia în celălalt, mutarotaţie. Astfel, glucoza prezintă următoarele structuri posibile:

23

Structurile liniare şi ciclice ale celor mai importante oze din celula vie:

Trioze:

Pentoze:

24

Hexoze:

25

2.3.2. PROPRIETĂŢI FIZICE ŞI CHIMICE ALE OZELOR

2.3.2.1. Proprietăţi fizice

• În general, ozele sunt substanţe solide, cristalizate, de culoare albă, cu gust dulce, uşor solubile în apă şi insolubile în solvenţi organici nepolari (eter, cloroform) .

• Au în structura lor cel puţin un atom de carbon asimetric (adică un atom de carbon cu cele patru valenţe satisfăcute de atomi sau radicali diferiţi, notat C*), de aceea ozele sunt considerate molecule chirale (asimetrice). Moleculele chirale stabilesc relaţia de nesuperpo-zabilitate cu imaginea lor în oglindă şi se mai numesc enantiomere.

Datorită asimetriei moleculare, ozele sunt substanţe optic active, adică au proprietatea de a roti planul luminii polarizate, atunci când sunt străbătute de aceasta şi deci de a se prezenta sub forma a două tipuri de izomeri optici: dextrogiri - sunt enantiomerii care rotesc planul luminii polarizate spre dreapta şi se notează cu D sau (+) şi levogiri, care rotesc planul luminii polarizate spre stânga şi se notează cu L sau ().

De exemplu, aldehida glicerică se poate prezenta sub forma urmă-toarei perechi de enantiomeri:

Amestecul echimolecular de izomeri optici levogiri şi dextrogiri se numeşte racemic şi este optic inactiv. Racemicul poate fi însă dedublat în cei doi antipozi optici (+) şi ().

Ozele care diferă prin configuraţia unui singur atom de carbon asi-metric se numesc oze epimere. Spre exemplu, glucoza, fructoza şi manoza sunt epimere:

26

În cazul în care într-o moleculă există mai mulţi atomi de carbon asimetrici, numărul izomerilor optici se calculează după formula:

N=2n unde n = numărul atomilor de C*.

2.3.2.2. Proprietăţi chimice

Fiind compuşi cu funcţiune mixtă, carbonil şi hidroxil, ozele prezintă proprietăţi chimice specifice acestor grupări. Dintre acestea voi menţiona numai reacţia de reducere, de oxidare, de eterificare şi esterificare datorită importanţei biochimice atât a reacţiilor în sine, cât şi a produşilor care se formează.

I. Reacţia de reducere: ozele pot fi reduse la gruparea carbonil, transformându-se în polialcooli (alditioli). Astfel glucoza se reduce la sorbitol, manoza la manitol, iar aldehida glicerică la glicerol.

27

II. Reacţia de oxidare a ozelor are loc în condiţii diferite de reacţie şi în funcţie de acestea, respectiv de gruparea funcţională care se oxidează, rezultă acizi carboxilici onici, zaharici şi uronici.

Posibilitatea de oxidare a ozelor demonstrează totodată caracterul lor reducător, datorat prezenţei în moleculă a grupării aldehidă (respectiv hidroxilului glicozidic).

Ele pot reduce uşor ionii de Cu2+ în mediu alcalin (reactivul Fehling) sau ionii de Ag+ în mediu alcalin (reactivul Tollens), cu formarea oxidului cupros Cu2O, precipitat roşu-cărămiziu, respectiv a argintului metalic.

28

III. Reacţia de eterificare este reacţia de eliminare de apă între hidroxilul glicozidic al unei oze şi gruparea hidroxil a unui alcool cu formarea unei legături de tip eter, numită legătură glicozidică. Rezultă glicozizi sau eteri.

IV. Reacţia de esterificare: în celula vie ozele sunt esterificate cu acid fosforic la gruparea OH de alcool primar sau la hidroxilul semiacetalic. Se obţin esterii fosforici, adică forma activă a ozelor, bogată energetic, sub care ele participă în toate procesele metabolice. Cei mai importanţi esteri fosforici ai ozelor implicaţi în procesele metabolice de biosinteză şi degradare sunt:

• esteri ai triozelor:

• esteri ai pentozelor:

29

• esteri ai hexozelor:

Alături de esterii fosforici care sunt consideraţi derivaţi ai ozelor rezultaţi în urma reacţiei de esterificare, există şi derivaţi aminaţi ai ozelor, respectiv aminoglucidele. Aceştia conţin o grupare amină la atomul de carbon C2, grupare ce poate fi în unele cazuri acetilată sau sulfonată. Cele mai importante aminoglucide sunt: glucozamina, galac-tozamina şi acidul neuraminic.

2.3.3. EXEMPLE DE OZE

Ozele cu importanţă biochimică în organism sunt hexozele: glu-coza, galactoza, fructoza, manoza.

Glucoza: este principala oză din organismul animal; are rol energetic important, deoarece prin degradarea sa (glico-

liză) generează energie care este stocată sub formă de ATP (compus macroergic);

este distribuită în toate celulele şi lichidele organismului animal (cu excepţia urinei);

concentraţia glucozei din sânge se află în limite constante (80 - 120 mg/100 ml), se numeşte glicemie şi este asigurată prin acţiunea antagonistă a celor doi hormoni pancreatici: insulina (rol hipoglicemiant) şi glucagonul (rol hiperglicemiant). Creşterea conţinutului de glucoză din sânge determină diabetul zaharat.

Galactoza: deşi în cantitate mai mică, are rol foarte important pentru

organism, deoarece, alături de glucoză, intră în structura lactozei, princi-pală sursă energetică pentru sugari;

participă la structura lipidelor complexe (galactocerebrozide) întâlnite în creier şi ţesutul nervos sau la structura glicoproteidelor.

30

Fructoza: reprezintă 30 - 60% din aportul glucidic la mamifere; se găseşte liberă în miere, fructe şi melasă, iar alături de

glucoză intră în structura zaharozei.Manoza: intră în structura unor glicoproteide şi glicolipide din organis-

mul animal, precum şi a unor poliglucide vegetale (manani).

2.4. OLIGOGLUCIDE

Oligoglucidele sunt biomolecule formate dintr-un număr restrâns de oze (2 - 8), cele mai importante pentru organismul animal fiind diglucidele.

Diglucidele sunt cei mai simpli compuşi glicozidici rezultaţi prin condensarea a două molecule de oze identice sau diferite. În structura lor apare o legătură glicozidică de tip eter, formată fie prin condensarea hidroxilului semiacetalic al unei oze cu un hidroxil alcoolic al altei oze (diglucide reducătoare), fie prin condensarea hidroxilului semiacetalic al unei oze cu hidroxilul semiacetalic al celeilalte oze (diglucide nereducă-toare).

În figura 2.1 sunt redate exemple de diglucide reducătoare şi rolul lor biochimic, iar în figura 2.2 sunt redate exemple de diglucide nereducă-toare şi rolul lor biochimic.

2.5. POLIGLUCIDE

Poliglucidele sunt macromolecule formate prin condensarea unui număr mare de oze identice (homoglicani). Din această categorie fac parte: amidonul, glicogenul şi celuloza.

Poliglucidele conţin în structura lor unităţi diglucide repeti-tive de acelaşi fel:

- n(maltoză) în cazul amidonului şi glicogenului;- n(celobioză) în cazul celulozei.

Pot avea structură liniară (celuloza) sau ramificată (amidon, glicogen).

31

DIGLUCIDE REDUCĂTOARE(au proprietăţi reducătoare

datorită OH glicozidic liber)

MALTOZA: este formată din două molecule de -glucoză

legate C1 - C4; se găseşte în seminţele germinate de cereale,

îndeosebi în orzul încolţit (malţ); este unitatea diglucidică ce intră în structura

amidonului; este scindată hidrolitic de enzima maltază în

ozele componente.

CELOBIOZA: rezultă prin condensarea a două

molecule de -glucoză, C1 - C4; este unitatea diglucidică structurală a

celulozei; este scindată de enzima celobiază.

IZOMALTOZA: este formată din două molecule de -

glucoză legate C1 - C6; este constituentul structural al

amilopectinei şi glicogenului.

LACTOZA: este formată din -galactoză şi -

glucoză condensate C1 - C4; este diglucidul principal din lapte

sintetizat de glanda mamară; este scindată de enzima lactază din

pancreas în ozele componente.

Figura 2.1

32

DIGLUCIDE NEREDUCĂTOARE(nu posedă nici o grupare hidroxil glicozidic

liberă şi nu au caracter reducător)

ZAHAROZA: este formată prin condensarea -glucozei cu -

fructoza şi apariţia legăturii C1 - C2; se găseşte în cantităţi importante în fructe,

sfecla de zahăr, miere; sub acţiunea acizilor diluaţi sau a enzimei

zaharază este scindată hidrolitic şi rezultă un amestec echimolecular de -glucoză şi -fructoză, numit „zahăr invertit“.

TREHALOZA: este formată din două molecule de -

glucoză legate C1 - C1; este diglucidul specific pentru alge şi

ciuperci.

Figura 2.2

Constituie substanţe energetice de rezervă pentru organism. Sunt scindate hidrolitic până la unităţile structurale de bază

(oze) de către enzime numite glicozidaze (hidrolaze).Glicogenul este produs de condensare al -glucozei, constituind

rezerva de glucoză a organismului animal. Localizarea lui este predomi-nant hepatică (glicogen hepatic), dar în anumite cantităţi se găseşte şi în muşchi (glicogen muscular).

Glicogenul este alcătuit din unităţi repetitive de maltoză (-glu-coză legată C1 - C4), iar după 6 - 7 resturi de glucoză la periferia moleculei şi 3 - 4 resturi de glucoză în partea centrală a moleculei se stabilesc legături glicozidice C1 - C6, determinând o ramificare puter-nică a macromoleculei de glicogen.

33

Structura schematică a moleculei de glicogen este:

În funcţie de necesităţile organismului, celula hepatică stochează glucoza sub formă de glicogen sau o eliberează pentru a reface glicemia (concentraţia de glucoză din sânge).

Glicogenogeneza şi glicogenoliza contribuie la menţinerea glice-miei şi sunt procese supuse unui complex mecanism de reglaj hormonal.

În stare pură se prezintă sub forma unei pulberi albe, solubilă în apă, cu care formează soluţii coloidale opalescente. Cu iodul formează coloraţie roşu-brună.

Amidonul este poliglucidul de rezervă specific unor plante, con-stituind în acelaşi timp una dintre sursele de glucoză importante pentru organismul animal. La plante este stocat în seminţe sau tuberculi, fiind mobilizat hidrolitic, pe cale enzimatică, în cursul germinării sau înmu-guririi. Ca şi glicogenul, este un produs de policondensare al glucozei. Este alcătuit din două componente:

- amiloza, constituită numai din unităţi de maltoză, cu o structură neramificată; reprezintă 30% din macromoleculă; este solubilă în apă, iar cu iodul se colorează în albastru închis;

- amilopectina, care reprezintă 70%, are o structură ramificată, conţinând şi unităţi de izomaltoză (ramificarea intervine după 25 - 30 resturi de glucoză); formează la cald soluţii apoase, vâscoase, care prin răcire se transformă în gel; cu iodul se colorează în albastru-violet.

34

Hidroliza enzimatică a amidonului în organism sau in vitro decurge treptat, cu fragmentarea moleculei şi formarea unor compuşi numiţi dextrine, apoi maltoză şi în final -glucoză:

Amidon Dextrine Maltoză -glucoză.

Celuloza este un produs de policondensare al -glucozei, având ca unitate repetitivă celobioza. Celuloza este compusul organic cel mai abundent de pe pământ. Este foarte rezistentă la hidroliză şi intră în structura elementelor de rezistenţă din peretele celular vegetal. Celuloza poate fi degradată de un număr redus de microorganisme şi protozoare capabile să producă un sistem enzimatic complex, celulozolitic, în care mai multe enzime acţionează sinergic, hidrolizând macromolecula până la glucoză. Prezenţa acestor microorganisme în rumenul şi colonul anima-lelor ierbivore le face capabile să utilizeze celuloza ca sursă majoră de hrană.

2.6. PROTEOGLICANII

Proteoglicanii (heteroglicanii) sunt produşi de policondensare a mai multor tipuri de unităţi structurale şi conţin 95% lanţuri glucidice şi doar 5% componentă proteică. Sunt compuşi polianionici, cu mai multe fragmente poliglucidice grefate pe un miez proteic. Deşi până în prezent sunt recunoscute şase clase de glucozaminoglicani, anumite proprietăţi sunt comune tuturor substanţelor cu compoziţia menţionată. Catenele heteropoliglucidice neramificate sunt constituite din unităţi diglucidice repetitive, în care una din componente este o hexozamină, iar cealaltă un acid uronic (o hexoză oxidată la C6, care devine COOH). O altă carac-teristică o constituie grupările sulfat, ataşate fie prin legături de tip amidă la gruparea NH2 a ozelor aminate, fie prin legături ester la grupări OH. Grupările carboxil de la acizii uronici, ca şi grupările sulfat contri-buie la formarea sarcinii polianionice ridicate a proteoglicanilor. Atât sarcina electrică, cât şi structura macromoleculară sunt utile în exercitarea rolului biologic de lubrifianţi şi elemente de rezistenţă în ţesutul con-junctiv. Proteoglicanii formează soluţii foarte vâscoase şi elastice, absor-bind mari cantităţi de apă. Aceasta face ca ei să acţioneze atât ca elemente de susţinere a celulelor, cât şi să contribuie la menţinerea echilibrului apei şi sărurilor în organism.

35

Acidul hialuronic se deosebeşte de ceilalţi proteoglicani prin faptul că nu conţine grupări sulfat şi nu se găseşte legat de fragmente proteice. Spre deosebire de ceilalţi proteoglicani, el nu este specific celulei animale, fiind produs şi de unele bacterii. Unitatea repetitivă din acidul hialuronic este alcătuită din acid -glucuronic C1-N-acetil-glucozamina C3:

Acidul hialuronic se găseşte în lichidul sinovial, corpul vitros al ochiului, cordonul ombilical, în substanţa fundamentală a ţesutului con-junctiv şi în cartilaje.

Condroitin sulfatul, din tendoanele cartilaginoase, ligamente, peretele aortei, creier, rinichi, plămâni, are în unitatea repetitivă acid -glucuronic C1-N-acetilglucozamina-4sulfat C3:

Heparina, a cărei unitate repetitivă este prezentată mai jos, are rol de anticoagulant şi hipolipemiant:

36

Dermatan sulfatul şi keratan sulfatul se găsesc în piele, pereţii vaselor de sânge, valvele cardiace. Prezintă asemănări structurale cu con-droitin sulfatul. Dermatan sulfatul prezintă acid iduronic în locul acidului glucuronic:

37

CAPITOLUL 3

LIPIDE

3.1. CONSIDERAŢII GENERALE

Lipidele constituie acea clasă de compuşi organici naturali, extrem de variată din punct de vedere structural, cu caracter hidrofob, apolar şi respectiv proprietatea de a fi insolubile în mediu apos, dar solubile în solvenţi organici (cloroform, eter, benzen etc.).

Din punct de vedere chimic, lipidele sunt esteri sau amide (într-o măsură mai mică), ai acizilor graşi cu diferiţi alcooli (se mai numesc lipide saponificabile).

Sunt distribuite în toate celulele organismului animal, proporţia şi compoziţia lor fiind caracteristică fiecărui tip de ţesut. Deasemenea produsele de origine animală, ca untul, laptele, ouăle, se diferenţiază prin predominanţa calitativă şi cantitativă a anumitor tipuri de lipide.

Din punct de vedere biochimic lipidele îndeplinesc în organismul viu următorul rol:

constituie o importantă sursă de energie (au valoare energetică superioară glucidelor şi protidelor);

au rol plastic, respectiv intră în structura diferitelor compo-nente celulare şi infracelulare, iar în asociaţie cu proteinele formează unitatea structurală de bază a membranelor celulare şi particulelor subcelulare;

constituie un înveliş protector al multor organe (sunt izolatori termici şi mecanici);

participă direct sau indirect la diferite procese metabolice ca activatori ai unor enzime, componente ale sistemului de transport al electronilor în mitocondrii etc.;

38

funcţionează ca sistem de transport în lichidele biologice pentru substanţe liposolubile (vitamine liposolubile, hormoni, acizi graşi esenţiali).

3.2. CLASIFICARE

Există mai multe criterii de clasificare pentru lipide, conform schemei următoare:

LIPIDE

ÎN FUNCŢIE DE LOCALIZARE: ÎN FUNCŢIE DE ORIGINE:

LIPIDE DE CONSTITUŢIE (STRUCTURĂ)

intră în citoplasma celulelor, membrane-lor şi formaţiunilor subcelulare;

nu variază funcţie de starea de nutriţie a organismului;

LIPIDE DE REZERVĂ

sunt localizate în ţe-sutul adipos şi repre-zintă sursă de energie pentru organism;

variază cantitativ în funcţie de factorii ali-mentari şi fiziologici;

LIPIDE EXOGENE(prin asimilaţie)

provenite prin aport alimentar

utilizate pentru for-marea de lipide pro-prii

LIPIDE ENDOGENE(proprii)

provenite prin reacţii de biosinteză

ÎN FUNCŢIE DE STRUCTURA CHIMICĂ:

LIPIDE SIMPLE (C, H, O) LIPIDE COMPLEXE (C, H, O, N, P, S)

ÎN FUNCŢIE DE NATURAALCOOLULUI CONSTITUENT

ÎN FUNCŢIE DE NATURAALCOOLULUI CONSTITUENT

GLICERIDE CERIDE STERIDE GLICEROFOSFOLIPIDE SFINGOLIPIDE

3.3. COMPONENŢI CHIMICI STRUCTURALI

Principalii componenţi chimici structurali ai lipidelor sunt acizii graşi monocarboxilici (RCOOH) şi anumiţi alcooli.

39

40

3.3.1. ACIZI GRAŞI

În structura lipidelor animale intră în exclusivitate acizi graşi cu următoarele caracteristici:

au număr par de atomi de carbon (de la 4 la 26); radicalul alchil (R) este constituit dintr-un lanţ hidrocar-

bonat cu lungime variabilă (21-30 atomi C), cu structură liniară, ciclică sau ramificată, având caracter saturat sau nesaturat (cu una, două, trei sau patru duble legături);

radicalul alchil (R) constituie partea hidrofobă a moleculei, iar gruparea carboxil (COOH) partea hidrofilă;

radicalul alchil (R) al unor acizi graşi poate avea grefată şi gruparea hidroxil (OH), rezultând hidroxiacizi.

• Acizii graşi saturaţi se găsesc distribuiţi în proporţii variate în diferite ţesuturi şi produse de origine animală, au catenă lineară saturată (4-30 atomi C), sunt solizi, iar punctele de topire cresc o dată cu creşterea numărului de atomi de carbon din moleculă.

Exemple de acizi graşi saturaţi foarte răspândiţi:• acid butiric (C4) CH3(CH2)2COOH (în unt);• acid miristic (C14) CH3(CH2)12COOH (majoritatea grăsimi-

lor naturale);• acid palmitic (C16) CH3(CH2)14COOH (majoritatea grăsi-

milor naturale);• acid stearic (C18) CH3(CH2)16COOH (majoritatea grăsimi-lor

animale).

• Acizii graşi nesaturaţi sunt mai răspândiţi în natură decât cei saturaţi, sunt lichizi (cu excepţia acidului oleic care este semisolid), iar din punct de vedere fiziologic cei mai importanţi sunt acizii graşi nesaturaţi cu 18 atomi de carbon.

Acizii graşi nesaturaţi cu structură lineară sunt monocarboxilici, conţin una sau mai multe duble legături, au puncte de topire mai mici decât cei saturaţi cu acelaşi număr de atomi de carbon.

Exemple de acizi graşi nesaturaţi cu catenă lineară:

41

Denumirea acidului

Număr atomi C

FormulaNumărul şi

poziţia dublelor

legături ()

Palmitoleic 16 CH3(CH2)5CH=CH(CH2)7COOH 9

Oleic 18 CH3(CH2)7CH=CH(CH2)7COOH 9

Linoleic 18CH3(CH2)4CH=CHCH2CH=CH(CH2)7COOH

9,12

Linolenic 18CH3CH2CH=CHCH2CH=CHCH2CH=CH(CH2)7COOH

9,12,15

Arahidonic 20CH3(CH2)4CH=CHCH2CH=CHCH2CH=CH CH2CH=CH(CH2)3COOH

5,8,11,14

Nervonic 24 CH3(CH2)7CH=CH(CH2)13COOH 15

Acizii: linoleic, linolenic şi arahidonic sunt indispensabili pentru creşterea, dezvoltarea şi funcţionarea normală a organismului animal şi de aceea au fost denumiţi acizi graşi esenţiali (A.G.E.) sau vitamine „F“. Ei participă la formarea membranelor celulare, la metabolismul mitocon-drial, intră în structura fosfolipidelor, sunt precursori ai prostaglandinelor.

• Prostaglandinele (PG) fac parte dintr-o clasă specială de acizi graşi nesaturaţi denumiţi „eicosanoizi“, deoarece au catena formată din 20 atomi de carbon. PG predomină în organele genitale şi în plasma semi-nală, dar se găsesc şi în ţesuturile altor organe: creier, inimă, rinichi, uter, stomac, placentă. Au rol hormonal (stimulează sinteza hormonilor în unele glande endocrine), stimulează contracţia musculaturii netede (uter gravid, vezică urinară), exercită acţiune vasodilatatoare, scăzând presiu-nea sanguină, diminuează aciditatea gastrică, intervin în reglarea tempe-raturii corporale etc.

Principala proprietate generală a acizilor graşi este caracterul lor hidrofob, deci nu sunt solubili în apă datorită catenei lungi de atomi de carbon puternic nepolară şi care anulează caracterul polar al grupării carboxil.

Acizii graşi pot reacţiona cu hidroxizii alcalini (NaOH, KOH), la cald, reacţie cunoscută sub numele de saponificare, şi formează săpu-nuri (săruri de sodiu sau potasiu) cu proprietăţi tensioactive şi deci agenţi excelenţi de emulsionare. Deasemenea acizii graşi se pot esterifica, iar cei nesaturaţi vor adiţiona la nivelul dublelor legături atomi de hidrogen, halogeni, oxigen.

3.3.2. ALCOOLI

42

Alcoolii care intră în constituţia lipidelor (denumiţi şi lipide nesaponificabile) pot fi clasificaţi în trei categorii, în funcţie de structura chimică, după cum urmează:

ALCOOLI

ALCOOLI ALIFATICINEAZOTAŢI:

ALCOOLI CICLICI

glicerina (glicerolul) din lipidele simple şi complexe

alcoolii cetilic, cerilic, miricilic (din structura ceridelor)

mioinozitolul

intră în structura inozitidelor sterolii (au nucleu de bază

ciclul steran - C17H28)

intră în structura steridelor

ALCOOLI AMINAŢI(AMINOALCOOLI):

colina colamina

HO CH2 CH2 NH2

intră în structura lipidelor complexesub formă de esteri fosforici

serina

intră în structura glicerofosfolipidelor

sfingozina H3C (CH2)12 CH = CH |

H C OH | H C NH2

| CH2OH

intră în structura sfingolipidelor

Trebuie subliniat faptul că alcoolii policiclici (sterolii) fac parte din clasa steroizi (steroide) şi au diferite grupări chimice grefate pe nucleul steran care le conferă activităţi biologice variate. După origine, sterolii pot fi:

43

a) zoosteroli (de origine animală: colesterolul, lanosterolul, copro-sterolul);

b) fitosteroli (de origine vegetală: sitosterol, stigmasterol);c) micosteroli (din levuri, ciuperci şi mucegaiuri: ergosterolul). Colesterolul este principalul sterol de origine animală distri-

buit, sub formă liberă sau esterificată în toate celulele organismului. Predomină în ţesutul nervos (creier, măduva spinării), în gălbenuşul de ou, în calculii biliari, în piele, în glandele suprarenale.

Este de origine exogenă, dar şi endogenă, fiind sintetizat din acetilcoenzima A.

În organismul animal colesterolul are un rol biochimic deosebit de important şi anume:

prin esterificare cu acizi graşi superiori formează lipidele com-plexe denumite colesteride;

intră în structura biomembranelor celulare şi contribuie la permeabilitatea acestora;

acţionează asupra permeabilităţii eritrocitelor, influenţând pro-cesele de difuzie;

este antitoxic şi antihemolitic (neutralizează efectul unor to-xine sau inhibă acţiunea hemolitică a unor substanţe pătrunse în organism);

are rol izolator în tecile de mielină, influenţând transmiterea influxului nervos;

este precursorul metabolic (provitamina) vitaminei D3; este precursorul metabolic primar al acizilor biliari şi al

hormonilor sexuali şi corticosuprarenali.

44

Concentraţia normală de colesterol din sânge se numeşte coles-terolemie. În stări de hipercolesterolemie se intensifică depunerea lui în ţesuturi (xantomatoza), favorizând apariţia aterosclerozei.

Acizii biliari reprezintă un ansamblu de compuşi steroizi secretaţi de bilă în intestin sub formă de săruri alcaline (săruri biliare). Acizii biliari sunt produşii finali ai metabolizării colesterolului la nivelul ficatului şi ulterior sunt deversaţi în bilă.

Structura chimică de bază din care derivă acizii biliari este acidul colanic:

În funcţie de numărul şi de poziţia grupărilor OH grefate pe molecula acidului colanic derivă mai multe tipuri de acizi biliari:

acidul colic (3,7 şi 12 OH); acidul deoxicolic (3,12 OH); acidul litocolic (3 OH).Acizii biliari se conjugă în ficat la nivelul grupării carboxil

(COOH) cu aminoacizii glicocol (HOOCCH2NH2) sau taurină (H2NCH2CH2SO3H) şi rezultă acidul glicocolic şi taurocolic, sub formă de săruri de Na şi K denumite săruri biliare. Sărurile biliare sunt secretate în bilă şi deversate în intestin, unde acţionează ca agenţi de emulsionare a lipidelor alimentare, uşurând astfel scindarea enzimatică şi absorbţia acestora prin transformarea lor în picături foarte fine cu interior hidrofob şi exterior hidrofil.

Ca şi săpunurile, sărurile biliare sunt substanţe tensioactive care micşorează tensiunea superficială de la suprafaţa lipidelor insolubile în mediu apos, ducând la apariţia agregatelor micelare.

45

3.4. ACILGLICEROLII (GLICERIDE)

Gliceridele sunt lipidele simple cele mai răspândite, ele intrând în componenţa tuturor celulelor animale şi vegetale şi constituind forma de depozit a lipidelor la animale şi plante.

3.4.1. CONSIDERAŢII GENERALE

În organismul animal sunt în general gliceride de rezervă, locali-zate în ţesutul adipos şi mai puţin gliceride de constituţie, reprezentând astfel sursa majoră de energie pentru organism.

Sunt buni izolatori termici şi mecanici cu rol de protecţie în organism, iar în combinaţie cu proteinele (particule lipoproteice) servesc ca transportori ai acizilor graşi (via sistem limfatic şi sânge) în orga-nism.

Din punct de vedere al structurii chimice gliceridele sunt esteri ai glicerolului cu diferiţi acizi graşi, esterificarea având loc la o grupare hidroxil din molecula glicerolului (şi rezultă monogliceridă), la două grupări hidroxil (digliceridă) sau la trei grupări hidroxil (trigliceridă). Dintre toate gliceridele, trigliceridele sunt cele mai răspândite în orga-nismul animal.

Structura generală a unei trigliceride este:

în care: R, R1 şi R2 sunt radicali ai acizilor graşi constituenţi, identici sau diferiţi. Trigliceridele naturale de origine animală sunt mixte, ţinând seama de acizii graşi constituenţi. O astfel de trigliceridă mixtă ce conţine acid palmitic în poziţia , acid oleic în poziţia şi acid stearic în poziţia ' are următoarea structură:

46

Denumirea ei clasică este palmitoleostearină sau palmitoil- oleoil-' stearoilglicerol.

3.4.2. PROPRIETĂŢI GENERALE ALE TRIGLICERIDELOR

Proprietăţile trigliceridelor (fizice şi chimice) sunt determinate de natura acizilor graşi pe care îi conţin.

Din punct de vedere al stării de agregare, cele cu acizi graşi nesa-turaţi sunt lichide (uleiuri - gliceride vegetale), iar cele cu acizi graşi saturaţi sau cu acizi graşi nesaturaţi, dar cu dublele legături în poziţia „trans“ sunt solide sau semisolide (unturi şi seuri - gliceride animale).

Din punct de vedere al proprietăţilor chimice, trigliceridele vor da reacţii caracteristice legăturilor ester şi dublei legături (dacă acizii graşi constituenţi sunt nesaturaţi).

Hidroliza trigliceridelor are loc fie chimic (sub acţiunea unor acizi minerali), fie enzimatic, sub acţiunea lipazelor, cu eliberarea glice-rolului şi acizilor graşi constituenţi.

Hidroliza are loc de fapt în trepte, cu eliberarea succesivă a acizilor graşi , ' şi în final .

47

Saponificarea este o reacţie de hidroliză în mediu alcalin, în urma căreia se eliberează săpunuri (săruri ale acizilor graşi)

Indicele de saponificare reprezintă cantitatea de KOH în mili-grame necesară pentru a saponifica un gram de trigliceridă. Acest indice (Is) permite caracterizarea compoziţiei chimice, respectiv a naturii acizi-lor graşi ce intră în structura trigliceridelor. Valoarea indicelui de sapo-nificare este invers proporţională cu masa moleculară a trigliceridei, respectiv cu masa moleculară a acizilor graşi constituenţi (cu lungimea catenei de atomi de carbon).

Saponificarea este procesul care stă la baza obţinerii săpunurilor.

Hidrogenarea este o proprietate caracteristică trigliceridelor de natură vegetală, uleiurilor lichide, care conţin preponderent acizi graşi nesaturaţi. Prin adiţia catalitică de hidrogen la dublele legături, aceştia se transformă în acizi graşi saturaţi, solizi. Pe această proprietate se bazează procesul industrial de obţinere a margarinelor din uleiuri vegetale. Ca urmare a procesului de hidrogenare, vitaminele liposolubile, inclusiv acizii graşi esenţiali (vitamine F) sunt distruse. De aceea margarinele trebuie să fie îmbogăţite ulterior cu aceste vitamine liposolubile (A, D, E).

Halogenarea trigliceridelor nesaturate decurge după acelaşi mecanism ca şi hidrogenarea, ele adiţionând brom sau iod.

Indicele de iod este o mărime ce caracterizează gradul de nesatu-rare al trigliceridelor. El reprezintă cantitatea de iod în grame care se adiţionează la 100 g trigliceride.

Râncezirea este un proces natural, complex, de degradare pe care îl suferă uleiurile şi grăsimile în timp, în condiţii necorespunzătoare de conservare. Sub acţiunea umezelii şi a unor microorganisme care se instalează, trigliceridele sunt parţial hidrolizate. Acizii graşi nesaturaţi eliberaţi pot fi oxidaţi cu oxigenul din aer la dublele legături şi rezultă astfel acizi graşi şi aldehide-acizi cu mase moleculare mici.

48

De asemenea, prin oxidarea acizilor graşi pot rezulta şi acizi -cetonici, care prin decarboxilare formează metil-cetone cu C8 - C12.

Toţi aceşti produşi rezultaţi (acizi graşi cu mase moleculare mici, mai ales acidul butanoic, aldehide-acizi şi metil-cetone) conferă mirosul caracteristic, neplăcut, de rânced.

Procesul de râncezire poate fi prevenit cu ajutorul unor substanţe antioxidante naturale, cum sunt tocoferolii, vitamine E, carotenii care inhibă procesul de râncezire.

3.5. CERIDE

Ceridele, numite şi ceruri, sunt esteri ai acizilor graşi cu alcooli superiori. Structura lor generală poate fi reprezentată astfel:

R1 O CO R2

R1 = radical al alcooluluiR2 = radical al acidului gras

Atât acizii graşi, cât şi alcoolii conţin 16-34 atomi de carbon.Ceridele sunt secretate de diferite organe ale plantelor: frunze,

tulpini, fructe. Ele se depun pe suprafaţa acestora, având rol protector.

49

De asemenea, ceridele pot fi întâlnite şi la unele organisme ani-male. Astfel, ceara de albine, lanolina de pe lâna oilor sunt amestecuri de ceride caracteristice acestor specii.

Fiind solide şi mai puţin uleioase la atingere decât grăsimile, ceru-rile sunt folosite în industria farmaceutică şi cosmetică, precum şi pentru obţinerea unor alifii, unguente şi creme de lustruit.

3.6. STERIDE

Steridele sunt lipide simple constituite din acizi graşi superiori (preponderent palmitic, oleic şi linoleic), esterificaţi cu alcooli policiclici (steroli). Dacă alcoolul este colesterolul, esterificarea are loc la gruparea OH de la C3 şi produsul de reacţie se va numi colesteridă.

Steridele sunt componente existente în cantităţi mici în toate celu-lele organismului animal, inclusiv în produse de origine animală: lapte, ouă.

3.7. GLICEROFOSFOLIPIDE

Glicerofosfolipidele sunt lipide complexe, în structura lor participă sub formă esterificată acizi graşi, glicerol, acid fosforic, precum şi un alt alcool cu masă moleculară mică, în special un aminoalcool. Ele sunt lipide de constituţie, intră în structura membranelor plasmatice. Acestea sunt alcătuite de fapt din 40-50% fosfolipide şi 50-60% proteine, precum şi din glicolipide.

Alcoolii ce pot intra în structura fosfolipidelor sunt: colina, cola-mina, serina şi inozitolul.

În funcţie de natura celui de-al doilea alcool, glicerofosfolipidele se împart în :

lecitine (colinglicerofosfolipide), care conţin colină cefaline (colaminglicerofosfolipide), care conţin colamină seringlicerofosfolipide, care conţin serină inozitolglicerofosfolipide, care conţin inozitol.Structura generală poate fi reprezentată astfel:

50

Cele mai răspândite sunt lecitinele şi cefalinele. Acizii graşi întâl-niţi cel mai frecvent în structura lor sunt acidul stearic, acidul palmintic şi acidul oleic.

De obicei în poziţia este esterificat un acid gras nesaturat (acid oleic). Această structură conferă glicerofosfolipidelor atât un caracter amfoter (sunt amfioni), cât şi un caracter amfipatic. Caracterul amfipatic este determinat de prezenţa unei componente hidrofobe, liposolubilă (catenele celor doi acizi graşi) şi a unei componente hidrofile, solubile în apă (fosforil-colina, fosforil-colamina, respectiv fosforil-serina). Datorită acestor două componente, moleculele se pot orienta diferit în structurile celulare, formează straturi duble de lecitine şi cefaline în care sunt apoi incluse macromolecule de proteine. De asemenea, sunt incluse molecule de steroli, precum şi de glicolipide. În felul acesta ele alcătuiesc structura membranelor plasmatice, determinându-le permeabilitatea, fenomenele de osmoză şi de transport activ al diferitelor biomolecule în interiorul orga-nismului.

51

Prezenţa macromoleculelor proteice orientate pe suprafaţa externă a membranei, pe suprafaţa internă a sa, incluse în interiorul membranei sau pe întreaga grosime a acesteia, determină tocmai permeabilitatea membranelor plasmatice. Proteinele din structura membranelor sunt în acelaşi timp biochimic şi biologic active. Ele pot fi enzime sau complexe enzimatice specifice, pot fi receptori pentru mesagerii chimici de lumină, presiune sau excitaţii mecanice, sau pot fi proteine transportoare ale sub-stanţelor hidrofile. În felul acesta membranele plasmatice îşi îndeplinesc rolul lor complex de a asigura compartimentarea celulară, precum şi transportul diferitelor substanţe atât din mediu spre celule şi invers, cât şi între citosol şi organitele celulare.

În organism colinfosfolipidele şi colaminfosfolipidele sunt scin-date hidrolitic sub acţiunea unor fosfolipaze şi rezultă lizolecitina şi lizofosfatidilcolamina cu acţiune hemolizantă.

Dintre glicerofosfatide lecitinele şi cefalinele se găsesc în toate celulele organismului animal, preponderent în creier şi în gălbenuşul de ou.

Serinfosfolipidele predomină în ţesutul cerebral, unde se găsesc alături de inozitolfosfolipide.

3.8. SFINGOLIPIDE

Sunt lipide complexe care conţin obligatoriu un alcool cu 18 atomi de carbon, numit sfingozină (sau omologul său saturat dihidrosfingo-zina). Sunt lipidele distribuite în special în ţesutul cerebral, unde participă la constituţia membranelor celulare (de regulă în amestec cu alte sub-stanţe).

Structura generală a unei sfingolipide este de forma:

H׀

H3 (CH2)12 C = C׀ ׀

H HC OH׀

HC NH CO R1

׀ H2 O R2

Sfingolipidă

52

unde: R1 = radical al unui acid gras saturat (lignoceric) sau nesaturat (nervonic);

R2 = radical fosforilcolină, fosforilcolamină, galactoză, acid N-acetilneuraminic, legat la C1 din sfingozină.

În funcţie de natura radicalului R2 există mai multe tipuri de sfingolipide:

sfingomieline, care conţin fosforilcolină sau fosforilcolamină; cerebrozide, care conţin -galactoză sau -glucoză; sulfatide, care conţin galactozo-2sulfat; gangliozide, care conţin acid N-acetilneuraminic.Dintre acestea cele mai abundente şi importante sfingolipide sunt

sfingomielinele care intră în structura tecilor de mielină, îndeplinind datorită caracterului lor hidrofob rol de izolatori ai tecilor de mielină din axoni.

Cerebrozidele, sulfatidele şi gangliozidele pot fi încadrate în cate-goria glicoconjugatelor şi au funcţii celulare importante: par să intervină în specificitatea de ţesut şi de organ, în recunoaşterea celulă-celulă, în imunitatea tisulară sau în restaurarea excitabilităţii ţesutului la impulsurile nervoase, pierdută prin congelare sau prin inhibare cu proteine bazice.

53

CAPITOLUL 4

PROTIDE

4.1. CONSIDERAŢII GENERALE

Protidele sunt componente chimice primordiale ale materiei vii, compuşi organici naturali, care prin structura şi proprietăţile lor definesc esenţa vieţii constituind baza materială a existenţei şi a tutu-ror fenomenelor specifice acesteia. Denumire lor derivă de la cuvântul grecesc „proteios“ care înseamnă „de prim rang, de cea mai mare impor-tanţă“.

Protidele se caracterizează prin următoarele trăsături definitorii: sunt constituenţii universali şi indispensabili ai tuturor for-

melor de viaţă (purtătorii materiali ai vieţii), asigurând organizarea, menţinerea structurii morfologice şi manifestarea funcţiilor vitale ale celulelor;

sunt biomacromolecule alcătuite din unităţi structurale de bază, numite aminoacizi, legate una de alta prin legături peptidice ( CO NH );

deşi prezintă structuri chimice şi funcţii biologice diferite, sunt alcătuite din 20-22 aminoacizi fundamentali, aceiaşi la toate vieţuitoarele, de la cea mai simplă bacterie până la om;

prezintă un grad înalt de organizare structurală într-o per-manentă interacţiune cu sistemele chimice ambiante;

se prezintă într-o mare diversitate de tipuri diferite structural şi funcţional, ca rezultat al unui număr infinit de posibilităţi de organizare moleculară;

prezintă proprietăţi fizice şi biochimice specifice, consecinţă a organizării structurale şi respectiv a conformaţiei spaţiale a macromoleculelor;

54

sunt biomacromolecule informaţionale implicate în transmi-terea informaţiei de la o celulă la alta sau de la un organism la altul;

se află într-o strânsă interdependenţă cu acizii nucleici, în sensul că biosinteza proteinelor se realizează pe baza informa-ţiei genetice stocată în ADN, iar unele protide sunt enzime implicate în procesul de biosinteză al acizilor nucleici.

Datorită gradului înalt de diversitate structurală, protidele îndepli-nesc funcţii fundamentale, specifice organismelor vii, cum ar fi:

55

ANTICORPIconferă imunitate organis-

mului contra unor agenţi patogeni externi

SUBSTANŢE DE SUSŢINERE ŞI REZISTENŢĂ MECANICĂîndeplinesc funcţii mecanice în

oase, piele, muşchi, vase sanguine

TRANSPORTORIîndeplinesc funcţii de

transport şi depozitare a ionilor metalici, vitamine, oxigen, dioxid de carbon

PURTĂTORI MATERIALI AI TUTUROR ÎNSUŞIRILOR BIOLOGICEintervin în procesele de dife-

renţiere, creştere, dezvoltare şi reproducere celulară

SISTEME TAMPONintervin în menţinerea echi-

librului acido-bazic (menţi-nerea pH-ului în limite fiziologice) în organism

PIGMENŢI RESPIRATORItransportă pe cale sangu-ină

oxigenul molecular la ţesuturi sau depozitează oxigenul în muşchi.

HORMONIparticipă la reglarea pro-

ceselor metabolice

BIOCATALIZATORI (ENZIME)prezintă activitate enzima-

tică, catalizând reacţiile biochimice de sinteză şi degradare din organism.

COMPONENTE PLASTICE:participă la realizarea şi

menţinerea structurii celu-lelor, membranelor şi for-maţiunilor intracelulare

SUBSTANŢE CU ROL CONTRACTILîndeplinesc activitatea con-

tractilă şi locomotoare

PROTIDE

Din punct de vedere al compoziţiei chimice elementare, majori-tatea protidelor sunt substanţe cel puţin cuaternare (C, H, O, N); unele conţin sulf şi fosfor, iar altele conţin metale (fier, cupru, magneziu etc.)

Distribuţia protidelor în organismul animal diferă în funcţie de organ şi specie, deci sunt organo-specifice şi specie-specifice.

4.2. CLASIFICARE

Clasificarea protidelor se face după mai multe criterii, conform schemei următoare:

PROTIDE

ÎN FUNCŢIE DE CONFORMAŢIE ŞI MORFOLOGIE:

ÎN FUNCŢIE DE STRUCTURĂ:

PROTEINE FIBRILARE: keratine

(din piele, păr, unghii, coarne, lână, pene)

colagen (din tendoane, ţesut conjunctiv)

miozina (din muşchi)

fibroina (din mătase)

PROTEINE GLOBULARE: enzi

me antic

orpi horm

oni albu

mine fibrin

ogen hemo

globină

PEPTIDE PROTEIDE

oligopeptide(2-10

aminoacizi)

polipeptide(10-100

aminoacizi)

holoproteide(proteine)

heteroproteide: au pe lângă

gruparea proteică şi o componentă neproteică (prostetică)

4.3. COMPONENŢI CHIMICI STRUCTURALI

Unitatea structurală de bază a protidelor o reprezintă aminoacizii legaţi prin legături covalente numite legături peptidice ( CO NH).

56

57

4.3.1. AMINOACIZI

Structura fiecărei protide se caracterizează printr-un număr finit şi variabil de aminoacizi. Natura, numărul, proporţia şi secvenţa aminoacizilor constituenţi determină diversitatea enormă a tipurilor de protide.

4.3.1.1. Structură, clasificare şi rol biochimic

Aminoacizii sunt compuşi biochimici cu funcţie mixtă, deoarece conţin o grupare funcţională carboxil (COOH) şi o grupare funcţională amină (NH2), ambele grefate la acelaşi atom de carbon din poziţia (C2).

R׀

H C NH2

׀ COOH

În funcţie de particularităţile structurale ale radicalului R, aminoacizi se clasifică astfel:

1. AMINOACIZI ACICLICI:a) AMINOACIZI MONOAMINOMONOCARBOXILICI CU RADICAL (R)

ALIFATIC:

58

b) AMINOACIZI MONOAMINOMONOCARBOXILICI CU O GRUPARE HIDROXIL (HIDROXIAMINOACIZI):

c) AMINOACIZI MONOAMINOMONOCARBOXILICI CU SULF (TIOAMINOACIZI):

d) AMINOACIZI MONOAMINODICARBOXILICI:

e) AMINOACIZI DIAMINOMONOCARBOXILICI:

59

2. AMINOACIZI CICLICIa) AMINOACIZI HOMEOCICLICI (CU NUCLEU AROMATIC):

b) AMINOACIZI HETEROCICLICI:

În funcţie de caracterul pe care-l manifestă catenele laterale (R) aminoacizii componenţi ai protidelor naturale se clasifică în:

a) aminoacizi cu catene apolare: glicocol, alanină, leucină, izo-leucină, metiononă, fenilalanină, triptofan;

b) aminoacizi cu catene polare: serina, treonina, cisteina, tiro-zina, asparagina, glutamina;

c) aminoacizi cu catene ionizabile: acidul aspartic, acidul gluta-mic, lizina, arginina, prolina.

60

În organismul animal au fost identificaţi aminoacizi care nu intră în structura protidelor, dar care au rol important în celulă: fie sunt componenţi structurali ai altor biomolecule (-alanina, acidul -amino-butiric), fie sunt produşi intermediari în diferite reacţii biochimice (citru-lina, ornitina, homocisteina, dihidroxifenilalanina).

Importanţa fundamentală a aminoacizilor constă în participarea lor în structura proteinelor. Biosinteza proteinelor proprii specifice orga-nismului animal este direct corelată cu aportul de aminoacizi exogeni, proveniţi din hrană. Organismul animal nu poate sintetiza decât aproxi-mativ 50% din setul de aminoacizi necesari biosintezei proteinelor pro-prii, restul de aminoacizi fiind procuraţi prin hrană (proteine alimentare aminoacizi proteine proprii).

Din acest punct de vedere aminoacizii pot fi clasificaţi în trei categorii:

a) aminoacizi esenţiali (indispensabili pentru creşterea şi dez-voltarea normală a organismului, care nu se pot sintetiza şi deci trebuie procuraţi prin hrană);

b) aminoacizi semiesenţiali (sunt sintetizaţi în cantităţi nesatis-făcătoare în organism şi trebuie suplimentaţi prin hrană);

c) aminoacizi neesenţiali (sunt sintetizaţi de organism şi pot lipsi din hrană).

Dintre aminoacizii esenţiali amintim: valina, leucina, metionina, lizina, fenilalanina, treonina, triptofanul, aminoacizi care se găsesc în germenii seminţelor de leguminoase, în plantele rădăcinoase, dar şi în produse animaliere ca: lapte, brânză, ouă, carne de peşte. Lipsa lor din alimentaţie provoacă tulburări de creştere şi dezvoltare, tulburări de fertilitate, atrofierea unor glande.

Alimentaţia animalelor trebuie să fie completă şi echilibrată în aminoacizi (respectiv proteine) cu valoare alimentară completă. Pentru aceasta este nevoie de cunoaşterea precisă a calităţii sursei de proteină, nivelului proteic optim al raţiei, valoarea aminoacidului limitativ. Echili-brarea raţiei proteice se face prin adăugarea la nutreţurile vegetale a aminoacizilor de sinteză sau a proteinelor de origine animală (făină de oase, de carne, de sânge, de peşte, de scoică).

4.3.1.2. Proprietăţile generale ale aminoacizilor

61

degradare

hidrolitică

biosinteză

a) Aminoacizii sunt substanţe optic active (cu excepţia glicoco-lului), deoarece au în molecula lor cel puţin un atom de carbon asimetric (C) la care sunt legate cele două grupări funcţionale, amino şi carboxil;

b) Aminoacizii în totalitate prezintă o anumită solubilitate în apă, datorită celor două grupări (NH2 şi COOH) care determină în soluţie apoasă polarizarea aminoacizilor (amfiioni):

Gradul de solubilitate în apă variază în funcţie de natura radica-lului R şi de pH-ul soluţiei.

Totodată aminoacizii sunt puţin solubili în solvenţi organici.Variaţia solubilităţii aminoacizilor în apă şi solvenţi organici în funcţie de

natura lor este utilizată în separarea, identificarea şi determinarea lor cantitativă prin tehnica de analiză fizico-chimică numită cromatografie.

c) Aminoacizii sunt substanţe cu caracter amfoter (deoarece se găsesc în soluţie sub formă de amfiioni), astfel în mediul acid se comportă ca baze (acceptori de protoni), iar în mediu bazic se comportă ca acizi (donatori de protoni).

Ionii astfel formaţi migrează sub acţiunea unui câmp electric spre catod (K) sau anod (A+) în funcţie de valoarea pH-ului soluţiei.

62

A+

câmp electric

K

câmp electric

Pentru fiecare aminoacid există o valoare de pH numită pH izoelectric (pHi), la care sarcina netă a moleculei este zero (numărul sarcinilor pozitive este teoretic egal cu cel al sarcinilor negative) şi drept urmare aminoacizii nu migrează în câmp electric. Valoarea pHi depinde de structura aminoacidului şi la această valoare solubilitatea aminoaci-dului este minimă.

d) Aminoacizii, datorită caracterului amfoter, constituie sisteme tampon (au acţiune de tamponare) foarte eficiente pentru menţinerea constantă a pH-ului celular.

e) Aminoacizii sunt biomolecule cu reactivitate chimică mare datorită prezenţei în structura lor atât a grupării carboxil, cât şi a grupării amino.

Datorită grupării carboxil (COOH) aminoacizii reacţionează cu:

bazele (NaOH) şi formează săruri; alcoolii şi formează esteri; amoniacul şi formează amide; aminele şi rezultă amide substituite; elimină CO2 (decarboxilare) şi rezultă amine.

În organismul animal reacţiile de decarboxilare a aminoacizilor (catalizate de enzimele specifice - aminoacid decarboxilaze) conduc la formarea de amine biogene care exercită diferite acţiuni farmaco-dina-mice sau sunt precursori ai unor coenzime, hormoni şi vitamine. Unele dintre ele sunt toxice pentru organism (putresceina, cadaverina), fiind pre-zente în carnea alterată.

Datorită grupării (NH2) aminoacizii pot reacţiona cu: alchilderivaţi halogenaţi şi rezultă derivaţi cuaternari

de amoniu; cloruri acide cu formare de amide substituite; dioxidul de carbon şi rezultă carbamino-derivaţi

(această reacţie stă la baza transportului CO2 de la ţesu-turi la pulmon de către aminoacidul lisină din structura hemoglobinei);

ninhidrina şi formează compuşi coloraţi în marea lor majoritate albastru intens;

2,4 dinitrofluorbenzenul şi rezultă 2,4-dinitrofenil derivaţi coloraţi în galben.

63

Datorită prezenţei ambelor grupări, amino şi carboxil, amino-acizii pot condensa între ei cu formare de legături peptidice (CONH) între gruparea amino a unui aminoacid şi gruparea carboxil a altui aminoacid, rezultând compuşi numiţi peptide.

R1 R2 R3

׀ ׀ ׀ 2H2O

H2NCHCOOH + H2NCHCOOH + H2NCHCOOH

R1 R3

׀ ׀ H2NCHCONHCHCONHCHCOOH

׀ R2

TRIPEPTIDĂ

Moleculele ce conţin 2, 3, 4 sau chiar 10 aminoacizi condensaţi se numesc dipeptide, tripeptide, tetrapeptide, respectiv decapeptide, iar la modul general oligopeptide. Polipeptidele sunt molecule ce conţin în structura lor mai mult de 10 aminoacizi condensaţi, iar proteinele sunt macromolecule cu mase moleculare mari (1103 - 1105) şi cu un înalt grad de organizare structurală.

În structura unui lanţ peptidic apare întotdeauna un aminoacid cu gruparea amino liberă (se numeşte a.acid N-terminal), ales prin convenţie în stânga lanţului şi un aminoacid cu gruparea carboxil liberă (se numeşte a.acid C-terminal), ales prin convenţie cel din dreapta lanţului.

4.3.2. PEPTIDE

Denumirea peptidelor se stabileşte prin indicarea succesivă a denumirii fiecărui aminoacid component al moleculei de peptidă cu adău-garea sufixului „il“ la fiecare denumire; excepţie face numai aminoacidul C-terminal cu grupare carboxil liberă, care-şi menţine denumirea neschim-bată. De exemplu: o tripeptidă cu structura:

H2N Ala Asp Cis COOH

va fi denumită Alanil Aspartil Cisteină.

64

Dintre proprietăţile generale ale peptidelor (oligo şi polipep-tide) amintim:

sunt solubile în mediu apos, oligopeptidele formând soluţii propriu-zise, iar polipeptidele dispersii coloidale;

au caracter amfoter şi formează săruri solubile cu acizii şi cu bazele;

având în constituţie cel puţin 3 aminoacizi, deci minim două legături peptidice, peptidele (atât oligo, cât şi polipeptidele), reacţionează cu ionii de cupru în mediu alcalin şi formează compuşi cu structură de chelaţi de culoare albastră (reacţia biuretului);

prin hidroliză acidă sau enzimatică sunt scindate în aminoacizii constituenţi.

În organismul animal au fost identificate o serie de peptide deose-bite prin gradul de complexitate structurală şi prin funcţiile biochimice pe care le îndeplinesc.

Un tripeptid important pentru organismul viu este glutationul rezultat prin condensarea acidului glutamic, cisteinei şi glicocolului.

Legarea cistinei de acidul glutamic se realizează prin gruparea

carboxil din poziţia a acidului glutamic. Glutationul se prezintă în două forme structurale distincte: glu-

tation redus (GSH) şi glutation oxidat (GSSG). Glutationul oxidat provine din două molecule de glutation redus care se oxidează la nivelul grupării tiol (SH) cu formarea grupării disulfurice caracteristică cistinei:

65

Datorită grupării tiol (SH) libere, glutationul prezintă proprietăţi biologice. Astfel:

Glutationul participă la procesele redox din celulă prin transfer de hidrogen;

Protejază grupările tiol (SH) din structura unor enzime con-tra oxidării; se comportă ca activator al unor enzime SH-dependente;

Glutationul poate fi donator de hidrogen pentru anumiţi com-puşi pe care îi trece din stare oxidată în stare redusă. În unele procese biochimice, glutationul redus acţionează ca o coenzimă, comportându-se ca donator de hidrogen;

GSH acţionează ca antioxidant, menţinând în stare redusă activă diferiţi compuşi (acidul ascorbic, adrenalina, hemoglobina);

Glutationul prezintă acţiune antitoxică; În organismul animal, GSH acţionează în strânsă corelaţie cu

insulina - hormon pancreatic care intervine în reglarea glicemiei. Ocitocina şi vasopresina sunt octapeptide ciclice care pre-

zintă o mare asemănare din punct de vedere structural.Ocitocina şi vasopresina (primii hormoni polipeptidici sintetizaţi

în laborator) sunt peptide cu proprietăţi hormonale secretate de lobul posterior al hipofizei (neurohipofiză). Ocitocina stimulează lactaţia şi contracţia musculaturii netede (muşchiul uterin), înlesnind expulzarea fătului. Vasopresina determină constricţia vaselor sanguine având acţiune hipertensivă şi reglează eliminarea apei din organism pe cale renală, prezintă proprietăţi antidiuretice. Dacă vasopresina este sintetizată de organism în cantităţi insuficiente, se instalează diabetul insipid care se manifestă prin eliminare exagerată de apă prin urină (poliurie).

Polipeptidele sunt constituite din 10-100 aminoacizi. Insulina este o polipeptidă cu rol hormonal secretată de pan-

creas. A fost descoperită de fiziologul român Nicolae Paulescu cu opt luni înaintea canadienilor.

Molecula de insulină are o configuraţie spaţială elicoidală şi este constituită din 51 aminoacizi ordonaţi bicatenar. O catenă A este formată din 21 aminoacizi şi a doua catenă B este constituită din 30 aminoacizi. Aceste catene sunt legate intercatenar prin două punţi disulfurice stabilite între radicalii de cisteină din poziţiile 7 ale ambelor catene şi respectiv între radicalii de cisteină din poziţia 20 a catenei A şi din poziţia 19 a catenei B. Există şi o a treia punte disulfură intracatenară, stabilită între radicalii cisteină din poziţiile 6 şi 11 ale catenei A. Existenţa punţilor

66

disulfurice intercatenare este determinantă pentru activitatea hormonală a insulinei.

Figura 4.1 - Reprezentarea schematică a structurii insulinei

Insulina prezintă unele variaţii structurale în funcţie de specie, care se manifestă în secvenţa aminoacizilor din poziţiile 8, 9 şi 10 ale catenei A.

Insulina intervine în reglarea concentraţiei de glucoză din sânge (glicemie), exercitând un efect hipoglicemiant. În insuficienta secreţie de insulină se declanşează diabetul zaharat, care se manifestă prin creşterea glicemiei peste nivelul normal (80-120 mg glucoză/100 ml sânge uman) şi apariţia de glucoză în urină (glicozurie).

Glucagonul este un polipeptid cu rol hormonal, secretat de pancreas. Structura glucagonului este alcătuită din 29 aminoacizi dispuşi monocatenar. Spre deosebire de insulină, glucagonul conţine metionină şi triptofan şi nu conţine cisteină, izoleucină şi prolină.

Glucagonul are efect hiperglicemiant. Din acţiunea antagonică insulină glucagon se reglează glicemia care astfel se menţine în limite normale.

O polipeptidă recent descoperită în creier este scotofobina, alcătuită din 14 aminoacizi şi care are rol în procesele de memorare, fiind implicată în codificarea informaţiei primite în sistemul nervos central.

De asemenea, corticotropina (ACTH sau hormonul adreno-corticotrop) este polipeptidă secretată de lobul anterior al hipofizei; este formată din 39 aminoacizi şi stimulează biosinteza şi secreţia hormonilor steroizi de către corticosuprarenală.

Hormonul melanocit este polipeptid secretat de lobul anterior al hipofizei şi stimulează producerea de celule melanocite ale pielii, iar

67

gastrinele sunt polipeptide sintetizate de mucoasa gastrică, cu rol în stimularea secreţiei gastrice.

Printre polipeptidele naturale elaborate de microorganisme se numără antibioticele, care prezintă interes în chimioterapia modernă, deoarece manifestă acţiuni de antibiotice, iar amanitina şi faloidina sunt peptide extrem de toxice (otrăvuri), conţinute în unele specii de ciuperci.

4.3.3. PROTEINE

Holoproteidele sau proteinele sunt biomacromolecule primor-diale ale organismului viu, cu un înalt grad de organizare structurală şi cu rol fundamental în structura şi implicit în funcţiile celulei. Sunt biocomponente constituite dintr-un număr mare de aminoacizi (legaţi prin legături peptidice) al căror tip şi succesiune în catena polipeptidică este determinată genetic.

Enorma diversitate structurală şi funcţională a proteinelor animale (care poate fi specie-specifică şi organo-specifică) este determinată atât de numărul, tipurile şi secvenţa aminoacizilor componenţi, cât şi de organizarea spaţială, configuraţională a moleculei de proteină.

4.3.3.1. Structura proteinelor

Proteinele sunt macromolecule cu structură complexă, în care atomii şi grupele de atomi constituenţi sunt dispuşi conform unui aranjament spaţial conformaţional, în cadrul aceleiaşi configuraţii a moleculei de proteină (configuraţie = dispunerea tridimensională a atomilor în raport cu un anumit centru de referinţă sau cu o anumită componentă a structurii considerată rigidă; conformaţie = modalitatea în care atomii sunt repartizaţi în spaţiu tridimensional, ca o consecinţă a rotirii acestora în jurul unei legături simple existente în molecula respectivă).

Structura generală a proteinelor este determinată de următorii factori:

a) caracterul legăturii peptidice (caracter parţial de dublă legătură, datorită delocalizării electronilor ai legăturii C = O);

68

b) geometria legăturii peptidice (legătura peptidică, având carac-ter parţial de dublă legătură, nu permite o rotaţie liberă a atomilor de C şi N în jurul ei, fapt ce se repercutează asupra organizării spaţiale a protei-nelor);

c) natura catenelor laterale (R) ale aminoacizilor componenţi care pot prezenta grupări polare (provenite din grupările funcţionale COOH, NH2, OH, SH) sau nepolare;

d) conformaţia (organizarea stereospecifică).Structura globală a macromoleculelor proteice este o rezultantă a

coexistenţei şi interacţiunii mai multor nivele de organizare, şi anume:1. Primară2. Secundară3. Terţiară4. Cuaternară.

1. Structura primară este structura de bază a fiecărei proteine şi reprezintă numărul, tipul, proporţia şi ordinea aminoacizilor în catena polipeptidică.

Ea se caracterizează prin: existenţa legăturilor peptidice (CONH) care se stabilesc

între diferiţi aminoacizi; existenţa unei succesiuni (secvenţă) bine definite a aminoaci-

zilor în catenele polipeptidice, secvenţă sub control genetic (prin informaţia cuprinsă în AND);

determină configuraţia de ansamblu specifică fiecărei pro-teine.

Figura 4.2 - Structura primară a unui lanţ polipeptidic

2. Structura secundară: reprezintă aranjamentul spaţial al lanţului polipeptidic (evidenţiat prin studii de microscopie electronică sau analiză cu raze X), aranjament datorat multiplelor legături de hidrogen

69

intra- şi intercatenare ce se stabilesc între grupările NH şi CO din legături peptidice diferite. Formarea acestor legături de hidrogen este posibilă datorită distribuţiei diferite a electronilor la nivelul legăturii peptidice, legătură care devine parţial ionizată, deoarece atomul de O va avea un exces de electroni (), iar atomul de N un deficit de electroni (+). Deşi legăturile de hidrogen sunt relativ slabe, totuşi stabilitatea structurii secundare este asigurată prin posibilitatea formării acestor legături într-un număr mare şi prin repartizarea lor uniformă de-a lungul catenelor polipeptidice.

Structura secundară este reprezentată prin trei modele (confor-maţii): -helix, în „planuri pliate“ şi tip colagen.

Modelul -helix rezultă prin spiralarea catenei polipeptidice într-o elice orientată de la stânga la dreapta (orientare care predomină în structura proteinelor native şi este mai stabilă din punct de vedere ener-getic). Această structură are următoarele caracteristici:

pe fiecare spiră (tură) sunt 3,6 aminoacizi; distanţa dintre ture este 5,4 Å; toate grupările NH şi CO formează legături de hidrogen; radicalii R ai tuturor aminoacizilor sunt orientaţi spre exteri-

orul elicei, deasupra sau dedesubtul planului legăturilor pepti-dice.

O astfel de structură se întâlneşte în -keratina din firul de păr uman, lâna şi blana animalelor.

Modelul în „planuri pliate“ (-pliere, foaie -pliată): în această structură lanţul polipeptidic suferă o îndoire cu un unghi de 90, care se face în dreptul atomului de C, purtător al grupărilor COOH şi NH2 implicate în legături peptidice. Această îndoire (pliere) a lanţului polipeptidic determină apariţia de legături de hidrogen intercatenare între două sau mai multe lanţuri polipeptidice (între atomii de H dintr-o legătură peptidică a unui lanţ polipeptidic şi atomii de O dintr-o legătură peptidică a altui lanţ polipeptidic), legături care conferă stabilitate acestei structuri. Modelul în planuri pliate este de tip paralel (-keratina) şi antiparalel (fibroina din mătasea naturală).

70

Figura 4.3 - Conformaţia -helix a lanţului polipeptidic

Figura 4.4 - Modelul în „planuri pliate“

Figura 4.5 - Modelul tip colagen

71

Proteinele cu structură „-pliere“ sunt flexibile, dar nu elastice şi sunt în general proteinele sub formă de filamente (proteine fibrilare). Rezultă astfel că -keratina cu structură „-pliere“ este mai relaxată decât -keratina care are o configuraţie -helix, între ele existând o transformare reversibilă de forma:

-keratina -keratina (-helix) (-pliere)

Modelul tip colagen: este conformaţie specifică colagenului (proteină fibrilară prezentă în oase, tendoane, cartilaje, ţesut conjunctiv, constituind aproximativ 30% din totalul proteinelor din organism).

Din punct de vedere structural molecula de colagen se prezintă ca un superhelix format din 3 lanţuri polipeptidice spiralate (triplu helix), fiecare catenă spiralată fiind răsucită spre stânga şi înfăşurată atât în jurul propriei axe, cât şi în jurul axei comune celor trei catene. Fibra de colagen apare astfel ca o funie împletită a cărei stabilitate este realizată prin legături de hidrogen intercatenare, legături electrostatice, forţe Van der Waals şi punţi disulfurice, care îi conferă o rigiditate extremă.

Fiecare catenă polipeptidică are ca unitate repetitivă un triplet de aminoacizi: glicocol - prolină - hidroxiprolină, care prin structura lor chimică nu permit adoptarea conformaţiei -helix sau -pliere, ci facili-tează adoptarea conformaţiei triplu helix.

Trei catene polipeptidice formează unitatea structurală repetitivă a colagenului şi care poartă numele de tropocolagen. În fiecare moleculă de tropocolagen există două catene polipeptidice de un tip şi una de un alt tip, iar la una din extremităţile moleculei se găsesc grupări chimice ionizate. Moleculele de tropocolagen sunt orientate în acelaşi sens şi asociate în fibrile de forma:

72

Figura 4.6 - Structura triplu helix a colagenului

Figura 4.7 - Conformaţia unui lanţ polipeptidic din structura triplu helix a colagenului

73

3. Structura terţiară este o organizare spaţială complexă rezul-tată prin înfăşurarea lanţului polipeptidic într-o suprastructură tridi-mensională (globulară).

Proteinele cu structură terţiară, respectiv proteinele globulare, prin înfăşurarea lor, formează un „miez“ hidrofob, format din radicali nepolari şi o parte externă hidrofilă, cu grupări chimice disociabile ale amino-acizilor constituenţi.

Structura terţiară, prin complexitatea sa, include atât structura primară, cât şi structura secundară (-helix în principal sau -pliere în secundar); între structura secundară şi cea terţiară există numeroase simi-litudini, de aceea s-a acreditat şi terminologia de structură secundo-terţiară.

Structura terţiară a proteinelor globulare poate fi clasificată, în funcţie de secvenţa zonelor cu structuri secundare ordonate, astfel:

conformaţia , care conţine doar catene -helix antiparalele grupate două câte două;

conformaţia , care conţine numai catene cu structură -pliată antiparalele;

conformaţia +, care conţine atât catene -helix, cât şi catene cu structură -pliată plasate în diferite părţi ale moleculei. Foaia -pliată este formată din lanţuri antiparalele, având la capete grupate catenele -helix;

conformaţia /, în care segmente cu structură secundară orientate paralel într-o foaie -pliată alternează cu segmente cu structură secundară -helix aflate de o parte şi de alta a foii -pliate.

Structura terţiară este un stadiu avansat de organizare spaţială a structurii proteinelor, a cărei complexitate este determinată de existenţa unor multiple interacţiuni chimice intramoleculare, cum ar fi:

legături covalente formate prin „punţi disulfurice“ stabilite între radicalii de cisteină;

legături ionice stabilite între grupări polare ( şi COO din diferiţi amoniacizi);

legături de hidrogen nepeptidice; legături de tip eter, de tip ester, prin forţe Van der Waals sau

interacţiuni hidrofobe;

74

legături dipol-dipol (stabilite între grupările OH din serină, treonină).

Toate aceste legături sunt însă legături slabe (cu excepţia celor covalente), care conferă structurii terţiare o anumită labilitate şi care se pot desface sub acţiunea unor factori fizici sau chimici, fenomen cunoscut sub numele de denaturarea proteinelor, proces însoţit de cele mai multe ori de pierderea proprietăţilor biologice.

Figura 4.8 - Structura terţiară a unei proteine (reprezentare schematică)

4. Structura cuaternară reprezintă cel mai înalt grad de orga-nizare moleculară a proteinelor, caracteristic proteinelor native, care există ca agregate moleculare formate din mai multe catene polipeptidice unite în subunităţi. Structura cuaternară reprezintă asocierea unor catene polipeptidice identice, numite protomeri (care au deja structură primară, secundară, terţiară definită), într-un ansamblu (agregat) denumit oligo-mer. În funcţie de numărul protomerilor (care pot fi identici sau diferiţi) proteinele oligomere pot fi dimeri, trimeri, tetrameri.

Legăturile dintre protomeri se manifestă la suprafaţa fiecărui pro-tomer, sunt legături de hidrogen şi de tip electrostatic şi au rolul de a stabiliza agregatul molecular.

Asamblarea proteinei oligomere are loc prin alăturarea unor por-ţiuni din suprafaţa monomerilor, precizia cu care se realizează asamblarea şi stabilitatea configuraţiei proteinei oligomere fiind asigurate de princi-piul complementarităţii subunităţilor.

75

Un exemplu de proteină oligomeră îl constituie componenta proteică a hemoglobinei (Hb) - pigment sanguin - denumită globină.

Structura cuaternară a globinei este un tetramer constituit din patru protomeri, respectiv din patru catene polipeptidice: 2 catene identice (fiecare având 141 aminoacizi) şi 2 catene identice (fiecare având 146 aminoacizi). Cei patru protomeri se constituie în câte două subunităţi, fiecare subunitate având o catenă polipeptidică şi una .

Asocierea celor patru protomeri pentru formarea structurii cuater-nare a Hb este redată prin relaţia:

În situaţia în care anumiţi factori fizici sau chimici induc disoci-erea subunităţilor, aceasta presupune totodată modificarea conformaţio-nală a proteinei şi respectiv pierderea activităţii ei biologice.

4.3.3.2. Proprietăţi generale a proteinelor

A. Proprietăţi fizico-chimice

Starea de agregare: în stare pură sunt substanţe solide, crista-line sau amorfe, stabile la temperatură obişnuită, iar la t>50C se denatu-rează.

Masa moleculară variază de la câteva mii la milioane de Daltoni (1 Da este unitatea atomică de masă = 1,6710-24 g). Pentru deter-minarea masei moleculare se folosesc, ca metode curente, ultracentri-fugarea şi cromatografia de excludere moleculară.

76

2 + 2

monomeri monomeri

tetramer 22

Solubilitatea proteinelor: proteinele globulare sunt solubile în apă şi în soluţii saline, iar cele fibrilare sunt insolubile. Solubilitatea proteinelor depinde de pH-ul şi compoziţia mediului.

Caracterul coloidal: datorită configuraţiei macromoleculare proteinele se comportă în soluţii diluate ca nişte coloizi hidrofili (sisteme heterogene constituite dintr-o fază dispersată - proteina care manifestă afinitate pentru mediul de dispersie reprezentat de apă).

Datorită caracterului coloidal proteinele nu dializează prin mem-brane semipermeabile şi se denaturează reversibil.

Disocierea proteinelor: proteinele sunt polielectroliţi având caracter amfoter (în mediu acid se comportă ca baze, iar în mediu bazic ca acizi).

Prezenţa concomitentă a ionilor negativi carboxilat (COO) şi a ionilor pozitivi amoniu ( ) pe un lanţ polipeptidic induce protei-nelor un caracter amfiionic (ioni bipolari).

În funcţie de structura primară a fiecărei proteine, ca şi de pH-ul mediului, pentru orice proteină există o valoare de pH, numită pH izoelectric (pHi), la care sarcina globală a proteinei este zero, starea coloidală se destabilizează, iar proteinele prezintă solubilitate minimă.

La pH>pHi sarcina globală a proteinei este negativă (anion), iar la pH<pHi sarcina globală a proteinei este pozitivă (cation)

Comportarea electroforetică: datorită caracterului amfoter proteinele pot migra într-un câmp electric, la catod (K ) sau anod (A+), în funcţie de sarcina lor globală.

Deplasarea în câmp electric a proteinelor dă posibilitatea fracţio-nării lor prin metoda analitică denumită electroforeză.

Trebuie menţionat că la pHi proteinele nu migrează în câmp electric, deci mobilitatea electroforetică este nulă.

Comportarea ca sistem tampon: caracterul amfoter al pro-teinelor dă posibilitatea acestora de a se comporta ca sisteme tampon, participând astfel la menţinerea pH-ului fiziologic.

77

NH3 COO

proteină

NH3 COOH

cationK

NH2COO

anionA+

H+

HO

Absorbţia în ultraviolet: datorită prezenţei în moleculă a aminoacizilor cu nucleu aromatic (tirozina, de exemplu) proteinele absorb în domeniul ultraviolet la = 280 nm, proprietate utilizată pentru deter-minarea cantitativă a proteinelor prin metoda spectrofotometrică.

B. Proprietăţi chimice

Reacţiile chimice la care participă proteinele se pot clasifica în patru categorii:

Reacţii datorate prezenţei legăturilor peptidice, care pot fi la rândul lor clasificate în:

a) reacţii de hidroliză: sunt reacţiile de scindare hidrolitică a legă-turilor peptidice, în mediu acid, bazic sau sub acţiunea enzimelor proteo-litice, cu punerea în libertate a aminoacizilor componenţi ai macromole-culei proteice.

b) reacţia biuretului: proteinele, ca urmare a prezenţei legăturilor peptidice, reacţionează cu ionii de Cu2+, în mediu alcalin, formând combinaţii complexe de tip „chelat“ de culoare albastră-violet.

Reacţii datorate grupării amino (NH2) libere:Toţi aminoacizii componenţi ai proteinelor reacţionează cu ninhi-

drina prin intermediul grupării amino (care se eliberează sub formă de amoniac) şi formează o coloraţie albastră-violet (cu câteva excepţii, cum ar fi: prolina, cisteina, hidroxiprolina).

Reacţii de precipitare:În funcţie de natura reactivilor de precipitare, proteinele precipită

reversibil şi ireversibil.Precipitarea reversibilă (salifierea) se realizează în prezenţa unor

concentraţii mari de electroliţi tari, (NH4)2SO4 sau Na2SO4, fără modifi-carea structurii spaţiale, iar după îndepărtarea agenţilor chimici de preci-pitare proteinele revin la starea lor nativă, fără modificarea proprietăţilor biologice ale acestora.

Precipitarea ireversibilă este însoţită de modificări profunde ale structurii proteinelor, care se denaturează şi nu se mai pot redizolva, rămânând în stare precipitată. Precipitarea ireversibilă se poate face cu acizi minerali concentraţi (HNO3, HCl), cu acizi organici (acid triclor-acetic, picric, sulfosalicilic), cu săruri de metale grele (Pb2+, Hg2+) sau cu solvenţi organici (acetonă, alcool).

78

Reacţii datorate catenelor laterale: sunt reacţii chimice în care sunt implicaţi radicalii proveniţi de la aminoacizii ce alcătuiesc structura primară a unei proteine. Aceste reacţii sunt diverse, în funcţie de natura catenei laterale (esterificare, alchilare etc.)

C. Proprietăţi imunologice. Reacţia antigen-anticorp

Procesele imunologice se definesc ca reacţii de apărare a orga-nismului împotriva unor microorganisme, toxine sau chiar celule ale orga-nismului care au dobândit caractere anormale.

Sistemul imun la om şi mamifere cuprinde un ansamblu de macromolecule circulante specifice (anticorpi) şi nespecifice (comple-ment, lizozim), precum şi celule imunocompetente: properdină, limfocite (de tip T şi B), leucocite, macrofage.

Sistemul imun asigură realizarea reacţiei de apărare a organis-mului definită ca răspuns imun. În răspunsul imun umoral sunt impli-cate proteine oligomere numite anticorpi sau imunoglobuline biosinteti-zate de limfocitele B (produse în măduva osoasă) ca răspuns la pătrun-derea în organism a unor proteine străine numite antigeni.

Limfocitele T (produse în timus şi în măduva osoasă) intervin în imunitatea mediată celular, interacţionează cu antigenul şi proliferează masiv; o parte din ele rămân ca celule cu memorie imunologică, în timp ce altă parte iniţiază distrugerea antigenului prin cooperare cu limfo-citele B.

Antigenul (Ag) sunt macromolecule străine pentru organismul în care au pătruns şi care o dată introduse în organism, pe cale naturală sau injectare, declanşează biosinteza unor proteine specifice de autoapă-rare numite anticorpi.

Antigenul reacţionează cu anticorpii formaţi, determinând reacţia antigen-anticorp, reacţie prin care este anihilată acţiunea nocivă a antige-nului.

Cei mai mulţi antigeni sunt proteine, peptide, poliglucide sau acizi nucleici.

Antigenii conţin la suprafaţă secvenţe structurale numite determi-nanţi antigenici sau epitopi, care sunt recunoscute de către anticorpi specifici. Putem spune că antigenul este polivalent, iar determinanţii anti-genici sunt diferite grupări chimice (NH2, COOH, OH, SH) sau radi-cali ai unor aminoacizi ciclici.

79

Anticorpul (Ac) sau imunoglobulinele (Ig) sunt substanţe de natură proteică cu rol de apărare, a căror biosinteză este declanşată de către antigen şi care posedă capacitatea de a reacţiona specific cu antige-nul care a provocat formarea lor.

Sinteza anticorpilor constituie răspunsul imun în cadrul reacţiei de apărare a organismului împotriva antigenilor, iar procesul biochimic de formare a anticorpilor se numeşte imunizare.

Sinteza anticorpilor se realizează exclusiv de către limfocitele B, iar un antigen declanşează producerea unei grupe de anticorpi care sunt apţi să reacţioneze cu determinanţi diferiţi de pe molecula antigenului.

Spre deosebire de antigeni, anticorpii sunt „bivalenţi“, molecula lor conţinând două situs-uri sau zone de combinare (paratrop) la nive-lul cărora se leagă antigenii.

Figura 4.10 - Reprezentarea schematică a unor anticorpi divalenţi

Din punct de vedere structural molecula de imunoglobulină este o proteină tetrameră constituită din două lanţuri polipeptidice „grele“ identice (H-heavy) şi două lanţuri „uşoare“ (L - light) identice legate prin legături disulfurice intercatenare, fiecare din lanţuri având două regi-uni distincte: una variabilă şi alta constantă.

80

Figura 4.9 - Reprezentarea schematică a unui antigen

(1, 2, 3, 4 sunt determinanţi antigenici)

Lanţurile grele sunt prevăzute cu o regiune flexibilă (regiune bala-ma) care conţine două fragmente identice Fab (antigen binding fragment), susceptibile pentru legare la antigen şi fragmentul Fc (crystallizable frag-ment), uşor cristalizabil şi incompatibil pentru legare la antigen.

Figura 4.11 - Schema structurală a unei molecule de anticorp

Reacţia antigen-anticorp este procesul imunologic de apărare a organismului şi se manifestă prin neutralizarea antigenilor pătrunşi în organism. Ea este stereospecifică, are la bază complementaritatea epitop-paratop şi este însoţită de formare de complexe moleculare (precipitine) cu structură ca de reţea, ce pot fi solubile sau insolubile.

Legăturile din complexul Ag-Ac sunt legături slabe (electrova-lente, de hidrogen, legături Van der Waals), iar interacţia dintre antigen şi anticorp este caracterizată prin procese de precipitare sau de aglutinare în urma cărora se instalează o stare de rezistenţă specifică, denumită „stare de imunitate“. Deci produsul reacţiei Ag-Ac este un complex imun, inactiv, conform reacţiei:

Ag + Ac Ag - Ac Complex imun

81

AgH2N

H2N

HOOC

Fab1

Ag

NH2

NH2

COOH

Fab2

COOHHOOC

Fc1 Fc2

Lanţ uşor (L)

Lanţ greu (H)Glucide

Figura 4.12 - Diagrama schematică a complexului Ag-Ac

4.3.3.3. Proteine cu importanţă biologică

Ipoteza că în organismele vii există aproximativ zece miliarde de tipuri de proteine ne îndreptăţeşte să subliniem imposibilitatea descrierii şi caracterizării lor în totalitate. Totuşi s-a încercat o clasificare generală a proteinelor în funcţie de morfologia moleculară şi de solubilitate, astfel:

HOLOPROTEIDE (PROTEINE)

1. PROTEINE GLOBULARE (SOLUBILE):

PROTAMINE HISTONE ALBUMINE GLOBULINE PROLAMINE GLUTEINE

2. PROTEINE FIBRILARE

A. INSOLUBILE (SCLEROPROTEINE): KERATINE FIBROINE COLAGENE

B. SOLUBILE: FIBRINOGEN MIOZINA ACTINA TROPOMIOZINA TROPONINA

82

1. Proteinele globulare se găsesc în celulă sub formă solubilă în citoplasmă, în faza lipidică a membranelor celulare, au formă elipsoidală sau sferică şi sunt solubile în apă.

În proteinele globulare secvenţele cu structură secundară organi-zată alternează cu secvenţe fără structură organizată, care permit înfăşu-rarea macromoleculei proteice sub forma unui ghem.

Dintre proteinele globulare, cele mai simple sunt protaminele (cu M 5 KDa, de natură exclusiv animală - intră alături de acizii nucleici în cromatina din celulele spermatice ale peştilor) şi histonele (cu M 20 KDa, se găsesc în stare liberă în leucocite şi sperma peştilor sau asociate cu acizii nucleici în celulele glandulare, în eritrocite şi pot fi implicate în reglarea activităţii genelor).

Albuminele sunt proteine globulare cu masă moleculară mare, uşor solubile în apă, soluţii saline, acizi şi baze diluate. Au structură terţiară, precipită numai în prezenţa soluţiilor saturate de (NH4)2SO4 sau Na2SO4, iar prin încălzire la 60 - 70C coagulează.

Sunt răspândite în citoplasmă şi în diferite lichide şi produse bio-logice, cum ar fi:

în plasma sanguină (50 - 60%): serum albuminele; în lapte: lactoalbumina; în albuşul de ou: ovalbumina; în ţesutul muscular: mioalbumina; în seminţe de leguminoase: legumelina.În organismul animal albuminele îndeplinesc următoarele funcţii:- reglează presiunea osmotică a sângelui şi a pH-ului sanguin;- asigură transportul unor substanţe ca: acizi graşi, biliari sau

unele medicamente;- constituie rezervă de proteine. Globulinele au masă moleculară mai mare decât albuminele

(M 104 - 105 Da) şi cristalizează mai greu decât acestea; sunt insolubile în apă, dar solubile în soluţii slab saline şi slab alcaline; precipită în so-luţii semisaturate de (NH4)2SO4 (50%) şi se denaturează termic ceva mai greu decât albuminele.

În organismul animal se găsesc răspândite în următoarele lichide, ţesuturi şi produse biologice:

în plasma sanguină (38 - 48%): serumglobuline; în lapte: lactoglobuline; în ou: ovoglobuline;

83

în muşchi: miozina (proteină contractilă).Globulinele din plasma sanguină sunt heterogene, separându-se

prin electroforeză în mai multe fracţiuni: 1, 2, 1, 2, şi -globulinele (în acestea din urmă se includ anticorpii).

Deasemenea, componenta de natură proteică a diferitelor hetero-proteide, cum ar fi: hemoglobina, mioglobina sau citocromii sunt globu-line.

Prolaminele şi gluteinele sunt proteine globulare de natură exclusiv vegetală, având conţinut ridicat de acid glutamic şi aspartic. Se găsesc în boabele de grâu, secară, ovăz, porumb.

2. Proteinele fibrilare se prezintă sub formă de molecule fili-forme (alungite) care conferă organismului rol de susţinere, protecţie şi rezistenţă mecanică.

În organism se găsesc în stare solidă şi intră în constituţia ţesutului conjunctiv, de susţinere şi epidermic. Sunt rezistente la acţiunea soluţiilor saline, acide sau alcaline şi nu sunt hidrolizate de enzimele proteolitice.

Din proteinele fibrilare insolubile (scleroproteine) fac parte: keratinele care intră în constituţia epidermei, părului, coar-

nelor, copitelor. Sunt proteine cu sulf, insolubile în apă şi în soluţii saline; fibroina din mătasea naturală; colagenele: sunt componente proteice principale ale ţesutului

conjunctiv, ligamente, tendoane, cartilagii, piele şi în general ale tuturor ţesuturilor şi organelor. Sunt insolubile în apă, rezistente la acţiunea enzimelor proteolitice, iar prin fierbere cu apa fibrilele de colagen suferă modificări structurale profunde, cu desfacerea legăturilor intercatenare şi a triplului helix şi transformarea lor în gelatine, solubile şi hidrolizabile de către enzimele proteolitice;

elastina intră în structura fibrelor elastice din artere şi ten-doane, dar în comparaţie cu colagenul are elasticitate redusă (asemănă-toare cu cea a cauciucului). Nu se transformă în gelatine şi este degradată de enzima elastază din extractele pancreatice.

Proteinele fibrilare solubile se găsesc în sânge şi în ţesutul mus-cular şi intervin în procesul de coagulare a sângelui sau în contracţia mus-culară.

Fibrinogenul este o proteină fibrilară solubilă, hexameră (for-mată din două lanţuri , două şi două ), cu rol esenţial în procesul de coagulare a sângelui.

84

Conversia fibrinogenului solubil în fibrină insolubilă se reali-zează conform schemei:

FIBRINOGEN FIBRINĂ TROMBUS (CHEAG) (SOLUBIL) (INSOLUBILĂ,

SOLIDĂ)

Acest proces este un lanţ întreg de reacţii enzimatice care implică cel puţin 10 factori şi care reprezintă procesul de coagulare a sângelui.

Miozina este o holoproteidă cu structură mixtă (globulară şi fibrilară) care constituie suportul biochimic al contracţiei musculare datorită proprietăţilor sale contractile şi mai ales enzimatice (activitate ATP-azică). Există două tipuri de miozine: I şi II, dar în filamentele musculare groase a fost identificată doar miozina de tip II. Ea are masă moleculară mare şi este formată din trei catene polipeptidice înfăşurate helicoidal şi strânse laolaltă într-o configuraţie răsucită: fiecare din cele trei helixuri paralele se înfăşoară într-un segment terminal cu aspect glo-bular, la una din extremităţile moleculei.

Un filament de miozină este format dintr-un mănunchi de 80 molecule, decalate aproximativ 6 nm una faţă de alta, având la extremităţi segmentele voluminoase (globulare) care formează „proiecţii de degete“ dispuse în spirală în jurul mănunchiului. Aceste „degete“ oscilante (de fapt extremităţile cu aspect globular) pot lega filamentele de actină, for-mând complexul actomiozina.

Figura 4.13 - Miozina: secţiune transversală şi longitudinală Actina este proteină musculară contractilă, localizată la nivelul

filamentelor subţiri; sub aspect structural este un polimer constituit din subunităţi globulare (G-actina), cu M = 50 - 60.000 Da, prin polimeri-

85

Trombina Fibrinază

Ca2+

zarea cărora (la concentraţii saline fiziologice) au rezultat filamente de F-actină. Fiecare filament este constituit din două lanţuri înfăşurate în dublu helix, orientate în acelaşi sens şi conţin fiecare 300 - 400 mono-meri.

Figura 4.14 - Filament de F-actină

În procesul contracţiei musculare, capetele globulare ale miozinei („proiecţiile de degete“) se agaţă de situsurile active ale filamentelor de F-actină. La acest proces participă şi tropomiozina şi troponina, poli-peptide ce mediază reglarea contracţiei prin intermediul ionilor de calciu.

Datorită faptului că 18 - 22% din greutatea ţesutului muscular o reprezintă holoproteidele, s-a încercat o clasificare a proteinelor fibrei musculare în funcţie de localizarea lor histologică:

a) Proteinele stromei sunt proteinele care intră în compoziţia membranei propriu-zise a fibrei musculare (denumită sarcolemă), precum şi în compoziţia ţesutului conjunctiv care uneşte fibrele musculare în fas-cicule. Acestea sunt: colagenul, elastina şi reticulina, mucine şi muco-ine (acestea din urmă asigurând alunecarea fasciculelor);

b) Proteinele miofibrilare sunt proteinele structurale ale ţesutului muscular care au rol atât în activitatea muşchiului viu, cât şi în compor-tarea muşchiului după sacrificarea animalului, respectiv în stadiul de rigi-ditate şi maturare a cărnii. Aceste proteine miofibrilare sunt reprezentate de miozină, actină, tropomiozină, troponină, paramiozină, metamio-zină, contractină;

c) Proteinele sarcoplasmatice cuprind grupul de proteine din fluidul intracelular (sarcoplasmă), fluid care înveleşte miofibrilele dis-puse paralel din alcătuirea fibrei musculare. Aceste proteine contribuie la determinarea unor caracteristici organoleptice ale cărnii: gustul, culoarea, mirosul. Din proteinele sarcoplasmatice fac parte: miogenul, mioalbu-

86

mina, mioglobulina, globulina X, oximioglobina (aceasta din urmă se află în profunzimea muşchiului şi dă culoare roşie).

4.3.4. HETEROPROTEIDE

Heteroproteidele sunt proteinele conjugate, adică acele proteide alcătuite dintr-o componentă proteică (aminoacizi) şi o componentă neproteică, numită şi componentă prostetică, reprezentată de radicali ai acidului fosforic, ioni metalici, glucide, lipide, acizi nucleici, pigmenţi.

În funcţie de natura grupării prostetice, heteroproteidele se clasi-fică astfel:

HETEROPROTEIDE

1. METALPROTEIDE: FERITINA HEMOSIDERINA SIDEROFILINA TRANSFERINELE CERULOPLASMINA AZURINA ANHIDRAZA CARBONICĂ

4. LIPOPROTEIDE: DE DENSITATE ÎNALTĂ

(HDL) DE DENSITATE JOASĂ

(LDL) DE DENSITATE

INTERMEDIARĂ (IDL) DE DENSITATE FOARTE

JOASĂ (VLDL) CHILOMICRONII

2. FOSFOPROTEIDE: CAZEINELE VITELINELE

5. CROMOPROTEIDE: HEMOGLOBINA (Hb) MIOGLOBINA ŞI DERIVAŢII

SĂI CROMOPROTEIDE

NEPORFIRINICE

3. GLICOPROTEIDE: HAPTOGLOBULINE OVOMUCOIDUL OVOMUCINA AVIDINA LIZOZIMUL

6. NUCLEOPROTEIDE: ACIZI NUCLEICI

1. METALPROTEIDELE sunt heteroproteide a căror compo-nentă prostetică este un ion metalic, cum ar fi: Fe2+, Fe3+, Cu2+, Co2+, Mg2+, Zn2+ etc. Ionul metalic se leagă de componenta proteică prin legă-turi covalente şi covalent-coordinative, formând o structură stabilă de

87

„chelat“. Metalul poate stabili legătura covalent-coordinativă cu diferite grupări chimice din structura lanţului polipeptidic sau cu molecule mici care se află în apropierea ionului metalic, numite liganzi.

Exemple de metalproteide: Feritina - conţine 23% Fe, predomină în ficat, splină, mucoasa

intestinală şi măduva osoasă şi reprezintă depozitul de fier din organism;

Hemosiderina - conţine 37% Fe, se găseşte în sistemul reticulo-endotelial şi are rol în menţinerea sideremiei în limite fiziolo-gice în anemia feriprivă;

Siderofilina - conţine Fe, se află în splină şi are rol de trans-portor de fier în organism;

Transferina - conţine Fe, Cu şi Zn, se află în plasma sanguină şi are rol de transportor de fier, cupru şi zinc în organism;

Ceruloplasmina - conţine Cu, se află în plasma sanguină şi are rol de transportor al cuprului în organism şi în procesele de oxido-reducere din organism (de exemplu: oxidează vitamina C);

Azurina - conţine Cu, se găseşte în unele bacterii şi este simi-lară cu ceruloplasmina;

Anhidraza carbonică este heteroproteidă cu Zn2+ sau Co2+ şi se găseşte în eritrocite.

2. FOSFOPROTEIDELE sunt heteroproteide a căror componen-tă prostetică este reprezentată de radicalul acidului ortofosforic (PO3H2). Acest radical se leagă de componenta proteică prin intermediul amino-acidului serină (şi rezultă fosforilserina) sau prin intermediul aminoacidu-lui treonină (şi rezultă fosforiltreonina).

HOOCNH2

NH CH CO ׀ H2C O PO3H2

Figura 4.15 - Schema unei fosfoproteidePrezenţa radicalului fosforil (PO3H2) în molecula acestor hetero-

proteide, le conferă acestora caracter acid şi deci proprietatea de a forma săruri de calciu sau potasiu.

88

COMPONENTAPROSTETICĂ

COMPONENTAPROTEICĂ

Exemple de fosfoproteide: Cazeinele sunt heteroproteidele din lapte şi constituie cca 80%

din proteinele laptelui. Sunt substanţe heterogene care cuprind 4 fracţiuni denumite: , , şi -cazeine, care diferă între ele prin conţinutul în fosfor, prin raporturile cantitative între ami-noacizi, prin mobilitatea electroforetică şi punct izoelectric.

Compoziţia cazeinei variază de la o specie la alta, astfel cazeina umană are un conţinut mai ridicat de sulf, deoarece conţine cisteină şi glucide într-o mai mare proporţie decât lap-tele de vacă, în timp ce laptele de oaie are un conţinut mai mare de acid sialic.

În lapte, cazeina se găseşte în proporţie de 90% sub formă coloidală (micele de cazeină), iar restul de 10% este cazeina solubilă (formată din mici agregate). Cele două for-me se găsesc într-un echilibru influenţat de ionii de Ca2+ pre-zenţi în lapte. Prin fierberea laptelui cazeinele nu coagulează, ele având rol de protecţie asupra albuminelor şi globulinelor prezente în lapte; coagularea cazeinelor se poate face sub acţi-unea bacteriilor lactice (fermentaţia lactică) sau cu cheag (endopeptidază cu activitate proteolitică secretată de stomacul rumegătoarelor tinere). În procesul de coagulare este necesară şi prezenţa ionilor de Ca2+ şi rezultă un produs numit para-cazeinat de calciu, componentul principal al brânzei.

Cazeinele sunt „proteine complete“, deoarece conţin toţi aminoacizii esenţiali, ceea ce conferă laptelui atributul de „aliment cu valoare nutritivă completă“.

Vitelinele sunt fosfoproteidele din gălbenuşul de ou, asociate cu lecitinele, care se caracterizează printr-un conţinut ridicat de fosfor şi de aminoacidul serină (peste 34%).

Vitelinele din gălbenuşul de ou se mai numesc şi ovo-viteline şi au rolul de a furniza fosforul şi aminoacizii necesari dezvoltării embrionului.

3. GLIPOPROTEIDELE sunt heteroproteide a căror compo-nentă prostetică este de natură glucidică (oze, derivaţi ai ozelor, diglu-cide, poliglucide).

În aceste heteroproteide predominantă este componenta proteică, dar structura lor nu este pe deplin elucidată. Sunt macromolecule solubile

89

în apă, cu care formează soluţii vâscoase, pot fi acide (în ţesutul con-junctiv) sau neutre (în plasmă, tractul gastrointestinal, urină), se găsesc în amestec cu mucopoliglucidele sau asociate cu enzime şi hormoni.

Glicoproteidele au o largă răspândire în ţesutul animal, predomi-nând în plasmă, secreţia mucoaselor, umoarea vitroasă, cordonul ombi-lical, ou.

Îndeplinesc în organismul viu diverse roluri biologice, cum ar fi: sunt constituenţi structurali ai celulelor, intervin în procesele de recu-noaştere de la suprafaţa celulelor, în antigenitatea suprafeţelor celu-lare, sunt componente ale matricelor extracelulare şi ale mucinelor tractusului gastrointestinal şi urogenital.

Exemple de glicoproteide: Glicoproteidele de grup sanguin (din eritrocite, care deter-

mină specificitatea de grup sanguin); Haptoglobulinele (glicoproteide serice, dar şi din fluidul cere-

brospinal, lichid pleural); Ovomucoidul şi ovomucina (din ou); Avidina (secretată de mucoasa oviductului); Lizozimul (din ou şi din alte ţesuturi animale).

4. LIPOPROTEIDELE sunt heteroproteidele a căror compo-nentă prostetică este de natură lipidică (fosfolipide, trigliceride, coles-terol liber sau esterificat). Componentele proteice ale lipoproteinelor se numesc apolipoproteine, locul lor de sinteză fiind în ficat şi intestin.

Între componenta proteică şi cea prostetică se stabilesc legături ionice sau prin forţe Van der Waals.

Lipoproteidele circulante care se găsesc în plasma sanguină şi limfă se diferenţiază în mai multe fracţiuni pe baza densităţii lor, astfel:

- lipoproteide de densitate înaltă (mare) - HDL;- lipoproteide de densitate joasă (mică) - LDL;- lipoproteide de densitate intermediară - IDL;- lipoproteide de densitate foarte joasă (foarte mică) - VLDL.

În lapte au fost identificate lactolipoproteide, iar în ou lipovitelina.În organismul animal lipoproteidele îndeplinesc diverse roluri ca:

intră în constituţia membranelor celulare, furnizează energie, participă la transportul substanţelor liposolubile (vitamine, hormoni, medicamente, toxine etc.), participă la transportul de lipide necesare dezvoltării embri-onului din ou, reglează procesele metabolice celulare.

90

5. CROMOPROTEIDECromoproteidele sunt heteroproteidele a căror grupare prostetică

este o substanţă colorată (pigment) care conferă culoare întregii mole-cule.

După natura chimică a componentei prostetice, cromoproteidele se clasifică în:

a) cromoproteide porfiriniceb) cromoproteide neporfirinice.

a) Cromoproteidele porfirinice au drept componentă proste-tică de bază un nucleu tetrapirolic, numit porfirină (porfină), substituit cu diferiţi radicali (metil, vinil, propionil), rezultând astfel protoporfi-rina. Cele 4 nuclee pirolice se leagă între ele prin intermediul a patru radicali metin (CH).

Protoporfirina reprezintă componenta prostetică specifică diferi-telor cromoproteide de origine animală. Ea chelatează un ion de Fe2+ şi formează substanţa numită hem, care stă la baza structurii următorilor compuşi heminici: hemoglobina, mioglobina, hemenzimele etc.

Hemoglobina (Hb) este pigment respirator care fixează reversibil oxigenul şi-l transportă la ţesuturi, asigurând rezerva de oxigen necesară oxidării celulare; este pigment de culoare roşie, componentă a hematiilor (reprezintă 90% din proteinele totale ale hematiilor); se află concentrată în citoplasmă; ca structură este constituită din:

Structura hemului. Hemul este o feroprotoporfirină în care atomul de Fe este divalent. Hemul este format din protoporfirina IX (adică un inel tetrapirolic la care sunt ataşate patru grupări metil, două vinil şi două lanţuri propionat), care a chelatat un ion de Fe2+ legat prin legături covalent coordinative de atomii de azot din ciclurile A şi C şi prin legături covalente cu atomii de azot din ciclurile B şi D.

Totodată atomul de Fe din hem poate forma în plus şi două legă-turi adiţionale: cu un rest de histidină din globină, cu apa (în hemo-globina redusă), cu O2 (în hemoglobina oxigenată) sau CO, CN.

91

Hemoglobina (Hb) (Globina)Componenta

prostetică (Hem)+Componenta

proteică=

Figura 4.16 - Structura hemului

Structura globinei.Globina este componenta proteică a hemoglobinei şi ca structură

este o proteină globulară tetrameră, în care cei patru protomeri se pre-zintă ca perechi de catene polipeptidice de tip şi de tip .

2 catene + 2 catene 22 tetramer

Între catenele şi se formează legături electrostatice (COO, NH3

+), iar între catenele şi legături de hidrogen.Molecula tetramer de globină conţine 4 molecule de hem deoa-

rece fiecare din cele 4 catene polipeptidice leagă câte o moleculă de hem. Inelele de hem sunt plasate câte unul pe fiecare lanţ globinic într-o cavitate (buzunar al hemului) formată în regiunea hidrofilă a globinei.

92

(A) (B)

Figura 4.17 - Molecula tetramer de globină (A) Organizarea cuaternară a structurii globinei (B)

Asamblarea structurală a globinei cu hemul se realizează prin următoarele legături:

covalent-coordinative între Fe din hem şi doi radicali de histi-dină aflaţi în poziţii diferite ale catenei polipeptidice (un radi-cal coordinează direct fierul, iar celălalt se leagă indirect prin intermediul unei molecule de apă);

interacţiuni electrostatice între ionii carboxil (COO) de la resturile propionice 6 şi 7 şi ionii NH3

+ ai lizinei din struc-tura globinei;

forţe Van der Waals stabilite între radicalii metil şi vinil ai hemului cu radicali proveniţi de la aminoacizi nepolari din globină (fig. 4.18).

Trebuie subliniat faptul că hemul este invariabil pentru toate speciile animale, în timp ce globina prezintă specificitate de specie.

Rolul hemoglobinei.I. Funcţia biologică esenţială a hemoglobinei constă în transpor-

tul oxigenului molecular (O2) de la plămâni la ţesuturi (capilarele tisulare) şi dioxidul de carbon (CO2) de la ţesuturi la plămâni. Acest transport se realizează pe baza capacităţii Hb de a forma cu O2 un compus disociabil denumit oxihemoglobina - Hb(O2)4.

Hb + 4O2 Hb(O2)4 + 4H2O

93

Figura 4.18 - Structura hemoglobinei (asamblarea globinei cu hemul)

Sensul acestei reacţii reversibile depinde de presiunea parţială a O2

şi anume: la nivelul alveolelor pulmonare, unde presiunea parţială a O2

este mai mare, se formează oxihemoglobina, iar la nivelul capilarelor tisulare (ţesuturi), unde presiunea parţială a O2 este scăzută, oxihemoglo-bina disociază eliberând O2 necesar oxigenării ţesuturilor.

94

Se numeşte putere oxiforică a Hb volumul de O2 pe care Hb îl poate lega din 100 ml sânge.

Legarea reversibilă a oxigenului la hemoglobină se realizează prin coordinarea acestuia de către ionul de Fe2+: mai întâi se rupe legă-tura covalent-coordinativă dintre Fe2+ şi apă şi apoi se interpune oxigenul între radicalul de histidină din globină şi Fe2+ din hem.

Figura 4.19 - Mecanismul formării oxihemoglobinei

În fapt, formarea oxihemoglobinei constă în ruperea legăturilor ionice şi de hidrogen dintre cele două subunităţi ale globinei, obţi-nerea unei forme mai relaxate în care lanţurile polipeptidice au o afinitate mai mare pentru oxigen (rezultă oxihemoglobina). Fixarea şi eliberarea oxigenului de către hemoglobină este un proces dependent de pH, cunos-cut sub numele de EFECT BOHR.

II. Un alt rol esenţial al hemoglobinei este transportul dioxidului de carbon (CO2). Dioxidul de carbon rezultat în urma proceselor metabo-lice este transformat în ioni bicarbonat sau se fixează la hemoglobină (la nivelul grupărilor amino libere din globină), formând carbhemoglobina.

Hb NH2 + CO2 Hb NH COO + H+

grupare carbamino

III. Hemoglobina acţionează ca sistem tampon: oxihemoglobi-nat alcalin (KHbO2)/oxihemoglobină acidă (HHbO2).

Sub această formă Hb participă la reglarea pH-ului sanguin.

95

O

HIS׀ = N

׀N

N׀

N ׀׀

Fe2+

HIS

H H

HIS׀ = N

׀N

N׀

N ׀׀

Fe2+

O2

+ H2O+ O2

O2

S-au identificat mai multe tipuri de hemoglobine care caracteri-zează diferite stadii de dezvoltare: embrionară, fetală şi postnatală. Aceste hemoglobine diferă prin structura primară a catenelor şi sunt următoa-rele: hemoglobină fetală (HbF), hemoglobină embrionară (HbE), hemo-globină adultă (HbA).

S-a identificat o familie de boli denumite generic hemoglobino-patii (care sunt cauzate de biosinteza de hemoglobine, cu structuri anormale sau de biosinteza insuficientă de hemoglobină normală), cum ar fi: anemia hemolitică, anemia falciformă, talasemiile.

Derivaţi ai hemoglobinei. Carboxihemoglobina (HbCO) este un compus toxic, puţin

disociabil, care rezultă prin legarea monoxidului de carbon (în locul apei) de către hemoglobină. Afinitatea Hb pentru CO este mai mare decât pentru O2.

Formarea HbCO blochează funcţia respiratorie şi produce intoxi-caţii (respectiv asfixii) când atinge 50% concentraţie în sânge.

Heminele, care sunt derivaţi toxici ai hemoglobinei, conţin ionul Fe3+ şi de aceea sunt incapabile de a lega oxigenul molecular. Din categoria heminelor fac parte:

- Methemoglobina (HbM) rezultă prin oxidarea Fe2+ din hemoglobină la Fe3+ şi stabilirea unei legături covalente Fe3+ grupare hidroxil (OH). Methemoglobina este un produs toxic. Ea se sintetizează în eritrocite în cantităţi mici, dar procesul este controlat de enzime speci-fice pentru ca HbM să nu depăşească valoarea critică de 0,4% din conţi-nutul total de hemoglobină. Acest prag critic poate fi depăşit în intoxicaţii cu azotiţi sau azotaţi din pesticide, îngrăşăminte, medicamente.

- Clorhemina rezultă prin legarea covalentă a unui atom de clor de ionul Fe3+. Clorhemina nu conţine globină şi se poate prepara în laborator prin acţiunea acidului acetic şi a clorurii de sodiu asupra hemo-globinei. Reacţia este însoţită de formarea unor cristale caracteristice (cristale Teichman), utilizate în criminalistică la depistarea urmelor de sânge.

Mioglobina (Mb) este cromoproteida de culoare roşie prezentă în muşchi. Ea prezintă similitudini structurale şi funcţionale cu hemo-globina şi are rol în transportul O2 la nivelul ţesutului muscular, fiind totodată o formă de rezervă a oxigenului necesar oxidării celulare.

96

Citocromii (b, c1, c2, a, a3) sunt cromoproteide a căror compo-nentă prostetică este similară cu hemul din Hb. Sunt enzime din clasa oxidoreductazelor, participând la reacţiile de oxidoreducere prin transfer de electroni la nivel mitocondrial.

Hemenzimele sunt enzime din clasa oxidoreductazelor care au în structura lor o componentă prostetică asemănătoare hemului din struc-tura Hb.

b) Cromoproteide neporfirinice.Sunt acele heteroproteide la care gruparea prostetică este formată

din pigmenţi coloraţi în galben-portocaliu sau roşu, numiţi carotenoide. De aceea, cromoproteidele neporfirinice se mai numesc şi caroteno-proteide.

6. NUCLEOPROTEIDENucleoproteidele sunt heteroproteide la care gruparea prostetică

este reprezentată de acizi nucleici.În funcţie de natura componentei proteice, nucleoproteidele se

clasifică în: nucleoprotamine şi nucleohistone, iar în funcţie de natura chimică a grupării prostetice se clasifică în: ribonucleoproteide, a căror componentă prostetică este acidul ribonucleic (ARN) şi deoxiribo-nucleoproteide, a căror componentă prostetică este acidul deoxiribo-nucleic (ADN).

- Ribonucleoproteidele sunt localizate în citoplasma celulară, cu precădere la nivelul ribozomilor şi într-o anumită proporţie în nucleul celular;

- Deoxiribonucleoproteidele sunt localizate în nucleul tuturor celulelor şi reprezintă componentele structurale ale cromozomilor şi genelor.

Nucleoproteidele constituie baza moleculară a unor procese biochimice fundamentale, ca: stocarea, transmiterea şi exprimarea informaţiei ereditare, biosinteza proteinelor, diviziunea celulară.

Acizii nucleici sunt biomacromolecule informaţionale de im-portanţă biologică fundamentală, cu următoarele caracteristici:

păstrează, transmit şi exprimă caracterele ereditare; sunt purtătorii informaţiei genetice ce se transmite din

generaţie în generaţie; constituie baza moleculară a biosintezei proteinelor şi

enzimelor;

97

reprezintă baza moleculară pentru diferenţierea şi regla-rea celulară;

reprezintă baza moleculară pentru constanţa replicării celulare.

După natura componentei glucidice conţinută în moleculă, acizii nucleici sunt de două tipuri:

a) cei care conţin deoxiriboză şi se numesc acizi deoxiribo-nucleici (ADN);

b) cei care conţin riboză şi se numesc acizi ribonucleici (ARN).

Structura acizilor nucleici.Unitatea chimică structurală de bază a acizilor nucleici este

nucleotidul, format dintr-o bază azotată (purinică sau pirimidinică), pentoză (deoxiriboză sau riboză) şi radical al acidului ortofosforic (PO3H2).

Toate aceste componente structurale ale nucleotidului sunt legate covalent în ordinea: bază azotată pentoză fosfat.

Nucleozidul este compusul constituit din două unităţi chimice: baza azotată şi pentoza.

În acizii nucleici nucleotidele componente se asamblează succesiv (se condensează) prin intermediul unor legături 3'5'fosfodiesterice, stabilite între pentozele nucleotidelor adiacente (bazele azotate nu sunt implicate în alte legături covalente decât cele pe care le stabilesc cu pen-toza). Rezultă astfel lanţuri de nucleotide care alcătuiesc polinucleotidele, respectiv acizii nucleici ADN şi ARN.

Structura schematică a acizilor nucleici este redată în figura 4.20.

98

Figura 4.20 - Structura schematică a acizilor nucleici

Exemple de baze azotate purinice:

Exemple de baze azotate pirimidinice:

99

ACIZI NUCLEICI (ADN şi ARN)(polinucleotide)

MONONUCLEOTIDE

NUCLEOZID RADICAL PO3H2

BAZĂ AZOTATĂ PENTOZĂ

PURINICE:adenină (A)guanină (G)

PIRIMIDINICE:citozină (C)timină (T)uracil (U)

DEOXIRIBOZĂ RIBOZĂ

Exemple de pentoze:

Nucleotidele pot fi definite ca esteri fosforici ai nucleozidelor care rezultă prin esterificarea acidului ortofosforic cu o grupare hidroxil aparţi-nând pentozei.

În funcţie de natura pentozei constituente, nucleotidele pot fi: deoxiribonucleotide (conţin 2deoxiDriboza) şi ribonucleotide (con-ţin Driboza). În deoxiribonucleotide acidul fosforic este esterificat cu grupările hidroxil din poziţiile 3' şi 5' ale deoxiribozei, iar în ribonu-cleotide acidul fosforic este esterificat cu grupările hidroxil din poziţiile 2', 3', 5' ale ribozei.

Exemplu de nucleotid monofosfat care conţine adenină:

Nucleotidele sunt esteri atât monofosforici, cât şi di- sau trifos-forici.

Grupările fosfat sunt ataşate la gruparea hidroxil din poziţia 5' a pentozei. Aceşti compuşi se mai numesc nucleozid 5' fosfaţi sau 5' nucleotide.

100

Nucleozidele 5' fosfaţi (mono, di şi trifosforilate) poartă diverse denumiri în funcţie de natura bazei azotate, dar şi în funcţie de natura pentozei şi pot fi:

AMP şi dAMP; ADP şi dADP; ATP şi dATP; GMP şi dGMP; GDP şi dGDP;GTP şi dGTP; CMP şi dCMP; CDP şi dCDP; CTP şi dCTP; TMP şi dTMP; TDP şi dTDP; TTP şi dTTP; UMP ; UDP şi UTP.Semnificaţia biochimică a ATP, ADP şi AMP este extrem de

importantă, deoarece aceste nucleotide: participă în procesele de conservare şi utilizare a energiei

eliberate în cadrul metabolismului celular (se mai numesc compuşi macroergici);

acţionează ca substanţe donatoare sau acceptoare de gru-pări fosfat în diferite reacţii metabolice.

Dintre ele ATP este compusul macroergic (bogat în energie) uni-versal al materiei vii, care deţine un rol biochimic decisiv în reacţiile şi procesele metabolice. În structura lui chimică are două legături macro-ergice (Aşi B), fiind acumulator şi generator de energie.

Figura 4.21 - Structura ATP, ADP şi AMP

101

Prin hidroliza ATP se eliberează 8000 - 10000 cal/mol, energie necesară desfăşurării reacţiilor metabolice.

Reacţia: 2 ATP-aza

ATP ADP + Pi(H3PO4) + E 1

implică două aspecte: 1 - formarea ATP din ADP şi Pi care reprezintă conservarea energiei chimice (E) rezultată din metabolismul celular;

2 - hidroliza ATP (sub acţiunea hidrolitică a ATP-azei) în ADP şi Pi care reprezintă elibera- rea şi utilizarea energiei chimice stocate în molecula de ATP.

Prin policondensarea mononucleotidelor se formează polinucleo-tidele, reacţia având loc fie între nucleotide identice (şi rezultă homopoli-nucleotidele) sau între nucleotide diferite (şi rezultă heteropolinucleo-tidele).

Acizii nucleici sunt deci polinucleotide şi anume: polideoxiribo-nucleotide (respectiv ADN) şi poliribonucleotide (respectiv ARN).

Structura, rolul şi proprietăţile ADN.

1. Structura primară a ADN este reprezentată de tipul, numărul şi secvenţa de baze azotate constituente ale mononucleotidelor. Cele 4 tipuri de nucleotide (d-AMP, d-GMP, d-CMP şi d-TMP) se unesc printr-o legătură fosfodiester stabilită între radicalul fosforic care esterifică grupa-rea OH din poziţia 5' a deoxiribozei din molecula unui nucleotid şi gruparea OH din poziţia 3' a deoxiribozei aparţinând nucleotidului adia-cent. Se realizează astfel o structură simetrică 3' 5' în care nucleotidul terminal are grupare hidroxil de la carbonul 3' liberă şi gruparea hidroxil de la carbonul 5' fosforilată. S-a demonstrat că într-o moleculă de ADN, indiferent de specie, suma bazelor purinice (A + G) este egală cu cea a bazelor pirimidinice (T + C), iar rapoartele A/T şi G/T aproximativ egale cu unitatea. De aceea s-a emis ipoteza că există o complementaritate între adenină şi timină (se împerechează prin două legături de hidro-gen A==T) şi între guanină şi citozină (se împerechează prin trei legături de hidrogen CG).

102

2. Structura secundară reprezintă organizarea în spaţiu, res-pectiv configuraţia tridimensională a ADN.

Pe baza datelor experimentale obţinute prin metoda difracţiei cu raze X, Watson şi Crik au elaborat modelul dublu-helicoidal (dublu helix orientat spre dreapta) al ADN. Acest model se caracterizează prin:

este constituit din două catene polinucleotidice care se îm-pletesc în jurul unui ax comun, căpătând forma unei spirale duble orientată spre dreapta;

catenele polinucleotidice sunt orientate antiparalel (respectiv o catenă este orientată pe direcţia 5' - 3', iar cealaltă pe direcţia 3' - 5') şi sunt stabilizate prin multiple legături de hidrogen realizate între baze azotate complementare (A==T şi CG), dar şi prin interacţiuni Van der Waals între baze azotate vecine dintr-un lanţ polinucleotidic;

bazele purinice şi pirimidinice sunt dispuse în interiorul helixului, creând un mediu hidrofob, iar radicalii fosforici şi deoxiri-boza (polare) sunt orientate spre exterior;

o tură completă a dublului helix are diametrul de 34 Å şi conţine zece perechi de baze azotate;

Figura 4.22 - Structura unui fragment dintr-o catenă a macromoleculei de ADN

103

datorită perechilor de baze azotate, fiecare din cele două cate-ne polinucleotidice diferite ale ADN devine replică complementară a celeilalte;

succesiunea nucleotidelor (bazelor azotate) înmagazinează informaţia genetică care se transmite nealterată din generaţie în generaţie;

raportul molar A + T / G + C este un indice caracteristic fiecărei specii (în general este supraunitar la animale şi plante sau între 0,36 - 2,70 la bacterii).

(A)

(B)

Figura 4.23 - Modelul schematic dublu helix a ADN:(A) - reprezentarea schematică a celor două catene polinucleotidice răsucite;(B) - vedere din interiorul dublu helixului

104

Sunt descrise trei forme similare ale ADN-ului dublu helicoidal: A, B şi C. Forma B a ADN este biologic activă şi se găseşte în filamente la o umiditate de 92%; forma B este convertită în A când umiditatea filamentului se reduce sub 75%, iar forma C este asemănătoare cu A, numai că dimensiunea unei ture este de 33 Å.

În cromozomii celulelor procariote şi eucariote, acizii deoxiribo-nucleici sunt „împachetaţi“ foarte compact, macromoleculele prezentând un aspect pliat. Această structură superîncolăcită este mult mai bogată în energie liberă şi presupune disocierea legăturilor de hidrogen şi deschi-derea dublului helix într-o mică regiune a macromoleculei.

3. Localizarea intracelulară a ADN.Aceasta diferă sensibil în funcţie de gradul de evoluţie al siste-

mului biologic. La procariote există un singur ADN dublu catenar circular

superînfăşurat care constituie un cromozom circular asociat parţial cu membrana plasmatică (rezultă un cromoid = aparat genetic simplu, necompartimentat).

La eucariote aproximativ 98% din totalul ADN este distribuit în nucleu (ADN - nuclear), unde se află cuplat cu proteine bazice (his-tone sau protamine), formând cromatina. Deasemenea au fost puse în evidenţă cantităţi mici de ADN mitocondrial (un ADN satelit localizat în matricea mitocondrială).

4. Proprietăţile generale ale ADN. Datorită existenţei bazelor azotate, ADN absoarbe puternic în

domeniul ultraviolet (maxim de absorbţie la 260 nm), dar această absor-banţă este inferioară celei prezentate de bazele azotate individuale (efect hipocrom = efect de mascare a bazelor azotate).

La temperatura de 80-90ºC macromolecula de ADN suferă un proces de denaturare care presupune separarea celor două catene ale dublului helix, scăderea vâscozităţii, masei moleculare şi activităţii optice, dar creşterea absorbţiei în domeniul ultraviolet (efect hipercrom). Prin anularea legăturilor de hidrogen, bazele azotate nu mai sunt plasate în poziţii paralele suprapuse şi astfel creşte absorbţia în U.V.

Dacă se răceşte lent o soluţie de ADN denaturat, cele două catene polinucleotidice se pot recombina, reconstituind aproape perfect structura bicatenară anterioară, cu conservarea proprietăţilor biologice ale acestora (procesul se numeşte renaturare sau normalizare). Renaturarea

105

stă la baza procesului de hibridare prin care una din catenele despira-lizate ale ADN denaturate termic se poate recombina cu o catenă de ARN, rezultând o moleculă hibridă ADN ARN cu structură dublu elicoidală (un astfel de hibrid cu viaţă scurtă se formează şi în cazul replicării ADN).

Sub acţiunea unor endonucleaze (care acţionează în interiorul catenelor polinucleotidice) moleculele de ADN sunt scindate hidrolitic rezultând oligodeoxiribonucleotidele.

5. Funcţiile biologice ale ADN. ADN constituie baza moleculară a conservării şi transmi-

terii din generaţie în generaţie a informaţiei genetice; Asigură şi controlează biosinteza proteinelor (enzimelor); ADN asigură diferenţierea şi reglarea celulară, precum şi

constanţa replicării celulare; ADN reprezintă baza moleculară a mutaţiilor genetice natu-

rale sau induse.

Structura, rolul şi proprietăţile ARN.

1. Structura primară a ARN este reprezentată printr-o singură catenă poliribonucleotidică, constituită dintr-un număr variabil de uni-tăţi structurale fundamentale, numite ribonucleotide.

Fiecare ribonucleotid are, în locul deoxiribozei din ADN, riboza şi în locul timinei, uracilul.

Cele 4 ribonucleotide (AMP, GMP, CMP şi UMP) sunt dispuse într-o secvenţă specifică prin stabilirea de legături fosfodiester 3' - 5' între ele.

2. Localizare, tipuri de ARN şi funcţiile lor.ARN se găsesc atât în citoplasmă, cât şi în nucleu, predominând

în prima.Orice celulă include 3 tipuri majore de ARN, care sunt următoa-

rele: ARN ribozomal (ARNr), localizat în cantitatea cea mai mare

în ribozomi şi este implicat în biosinteza proteinelor. Se găseşte combinat cu proteinele, cu care formează complexe ribonucleoproteice, numite ribozomi, care sunt de altfel locul de biosinteză a proteinelor;

106

ARN de transport (ARNt) sau ARN solubil (ARNs), repre-zintă 15% din totalul ARN din celule şi este localizat în partea solubilă a celulei (citosol). El leagă specific fiecare din cei aproximativ 20 amino-acizi implicaţi în biosinteza proteinelor (reprezentând forma lor de transport) şi îi transferă la nivelul ribozomilor. Deci el funcţionează ca izoreceptor pentru aminoacizi, dar şi ca adaptor care ordonează fiecare aminoacid;

ARN mesager (ARNm) sau ARN de informaţie (ARNi), reprezintă 2-4%, din totalul ARN celular şi este mesagerul informaţiei din ADN cromozomial (fiecare moleculă de ARNm determină biosinteza unei singure molecule de proteină). Atât ARNt, cât şi ARNm participă în pro-cesul de biosinteză al proteinelor şi sunt consideraţi ca factori de legătură informaţională între ADN şi proteine.

Diferitele tipuri de ARN sunt localizate în nucleul şi citoplasma celulelor organismelor animale, dar la celulele bacteriene întreg conţi-nutul de ARN este localizat numai în citoplasmă.

107

CAPITOLUL 5

ENERGETICA ORGANISMULUI VIU

5.1. CONSIDERAŢII GENERALE

În organismul viu se petrec numeroase transformări interne, chi-mice şi fizice, de o mare complexitate şi care sunt însoţite de conversii de energie. Dinamismul materiei vii este rezultanta unităţii şi interacţiunilor proceselor biochimice de degradare şi sinteză, procese care se petrec simultan şi care sunt însoţite de transformări energetice, respectiv: energia generată prin reacţiile biochimice de degradare a unor bio-molecule este utilizată pentru biosinteza altor biomolecule sau este transformată în diferite forme utile de energie necesară proceselor vitale.

Energetica organismului viu (bioenergetica) studiază legile după care decurg procesele de transformare a energiei în organismele vii (procese generatoare şi consumatoare de energie), respectiv procesele bioenergetice.

Transformările bioenergetice care sunt strict corelate cu proce-sele metabolice din organismul viu se realizează prin intermediul unor substanţe chimice bogate în energie, denumite „compuşi macroergici“. Aceşti compuşi au proprietatea specifică de a stoca energia chimică rezul-tată în procesele de degradare (catabolism) şi de a furniza energie pentru procesele de biosinteză (anabolism) sau alte procese consumatoare de energie.

După specific, transformările de energie în organismele vii se pot clasifica astfel:

108

TRANSFORMĂRI BIOENERGETICE

TRANSFORMAREA ENERGIEI SOLARE ÎN ENERGIE CHIMICĂ (STOCATĂ ÎN MOLE-CULE ORGANICE: GLUCIDE, LIPIDE, PROTEINE):- se realizează prin fotosinteză

de către plantele verzi

TRANSFORMAREA ENERGIEI CHIMICE DIN MOLECULELE ORGA-NICE ÎN ENERGIE UTILI-ZATĂ DE CĂTRE ORGA-NISM (ÎN SPECIAL SUB FORMĂ DE ATP):- se realizează la organismele

heterotrofe

TRANSFORMAREA ENERGIEI CHIMICE STOCATE ÎN MOLECU-LELE DE ATP (SAU ALŢI COMPUŞI MACROERGICI) ÎN ALTE FORME DE ENERGIE (CALORICĂ, MECANICĂ, OSMOTICĂ)

Sistemele biologice sunt sisteme deschise caracterizate prin schimb permanent de materie şi energie cu mediul ambiant.

5.2. COMPUŞI MACROERGICI

Denumirea de compuşi macroergici sau de substanţe bogate în energie este atribuită acelor molecule specializate în stocarea şi elibe-rarea energiei. Toţi aceşti compuşi conţin legături fosforice macro-ergice.

Compusul macroergic cu rol central în energetica organismului viu este adenozintrifosfatul (ATP), principal acumulator şi furnizor de energie în procesele metabolice. Schematic, rolul central al ATP în ener-getica celulară se prezintă astfel:

109

ALIMENTE BIOMOLECULE: GLUCIDE, LIPIDE, PROTIDE, ACIZI NUCLEICI

CO2 ENERGIEINTERMEDIARI

METABOLICI

CA

TAB

OL

ISM

AN

AB

OL

ISM

ADP

ENERGIE

ADP

ATP

Pi (fosfat anorganic)

AN

AB

OL

ISM

Rezultă că: procesele de catabolism sunt procese generatoare de energie, conservată şi stocată în ATP conform reacţiei:

ADP + Pi + E ATP

În acelaşi timp, procesele de anabolism sunt procese consuma-toare de energie furnizată prin reacţia de hidroliză a ATP:

ATP ADP + Pi + E

sau

ATP AMP + PPi + E pirofosfat

unde: ADP = adenozindifosfatAMP = adenozinmonofosfatPi = H3PO4

PPi = H4P2O7

Caracterul ATP de compus macroergic este conferit de particu-larităţile sale structurale, respectiv de componenta pirofosfat, care înglo-bează două legături de tip anhidridă fosforică ce înmagazinează o canti-tate mare de energie.

legături macroergice

O O O

HO P O P O P O ADENOZINĂ (BAZĂ AZOTATĂ + PENTOZĂ)׀ ׀ ׀ O O O

Figura 5.1 - Structura schematică a ATP

În reacţia de hidroliză a ATP are loc scindarea legăturilor de tip anhidridă, cu eliberare de una sau două molecule de H3PO4 şi a unei cantităţi mari de energie chimică necesară celulei (8000 – 10000 cal/mol ATP).

Pe lângă ATP, pentru anumite procese biochimice sunt necesari compuşi macroergici specifici (respectiv alte nucleotide trifosforilate), derivaţi de la restul bazelor azotate, ca: GTP, CTP, UTP, TTP.

110

Fiecare celulă conţine într-un anumit moment doar o cantitate redusă de ATP, care durează foarte puţin timp, şi nu poate fi obţinut din afara celulei. Nici ATP, nici ADP şi nici AMP nu pot difuza spontan prin membrana celulară. Fiecare celulă trebuie să-şi biosintetizeze singură compuşii macroergici necesari, realizând o permanentă recirculare a fosforului şi a compuşilor fosforilaţi.

Una dintre cele mai otrăvitoare substanţe, cianura, blochează aproape toate procesele de sinteză a ATP şi moartea survine într-un timp scurt deoarece necesarul energetic al proceselor care susţin viaţa nu mai poate fi asigurat.

În afară de ATP, în cantităţi mici şi numai ca intermediari în pro-cesul general de obţinere a ATP mai apar şi alţi compuşi macroergici:

Fosfoenolpiruvatul sau enoilfosfatul (prezent în toate celulele vii):

CH2 CH2

׀׀ ׀׀C O PO3H2 + HOH C OH + H3PO4 + energie ׀ ׀

COOH COOH(forma enol instabilă)

CH3 CO COOHacid piruvic (forma ceto)

Creatinfosfatul sau fosfocreatina specific celor trei tipuri de muşchi (cardiac, striat, neted):

NH2 HN

׀ ׀ C = NH + ATP C = NH + ADP׀ ׀ N CH3 N CH3

׀ ׀ CH2 COOH CH2 COOH

creatină creatinfosfat (CP)

Reacţia este catalizată de enzima creatinfosfokinază (CPK). Tioesterii derivaţi de la Coenzima A (R CO SCoA):

111

CPK

Aceştia se formează în reacţia dintre acizii carboxilici şi coenzima A (CoA SH), reacţie dependentă de ATP şi catalizată de enzima tiokinază.

CH3 COOH + HS CoA CH3 CO SCoA + AMP + PPi

acetil Coenzima A (compus macroergic)

Prin reacţia de hidroliză a acetil-coenzimei A rezultă cca 7500 calorii/mol.

112

ATP

H2O

CAPITOLUL 6

ENZIME

6.1. CONSIDERAŢII GENERALE

Totalitatea reacţiilor biochimice de degradare şi sinteză care deter-mină metabolismul organismului viu sunt catalizate de molecule speciali-zate, numite enzime. Enzimele sunt biocatalizatori, reprezentând o clasă specială de molecule proteice dotate cu activitate catalitică.

Ca biocatalizatori, enzimele prezintă următoarele caracteristici generale definitorii:

sunt cei mai eficienţi catalizatori cunoscuţi (deşi acţionează la concentraţii foarte mici - de ordinul micromolilor - manifestă o activi-tate extrem de intensă);

sunt substanţe care micşorează energia de activare a mole-culelor asupra cărora acţionează (numite substrat S ), pe care le transformă în produşi de reacţie (P);

nu se consumă şi nu se transformă în reacţiile pe care le catalizează;

catalizează numai reacţiile termodinamic posibile; nu modifică starea finală de echilibru a reacţiilor, ci măresc

numai viteza cu care se realizează acest echilibru; se caracterizează printr-o specificitate remarcabilă a func-

ţiei catalitice, determinând atât mecanismele de producere a unui anumit tip de reacţie, cât şi capacitatea de recunoaştere numai a unui anumit substrat;

unele enzime au proprietăţi reglatoare (respectiv pot discerne şi decide iniţierea, desfăşurarea sau stoparea unei reacţii sau succesiuni de reacţii biochimice).

113

6.2. STRUCTURA ŞI CONFORMAŢIA ENZIMELOR

Deoarece enzimele sunt biocatalizatori de natură proteică, ele sunt alcătuite dintr-un număr foarte mare de aminoacizi dispuşi într-o confi-guraţie spaţială determinată specific pentru activitatea catalitică a enzimei.

De aceea structura chimică de ansamblu a enzimelor este dictată de nivelurile de organizare structurală a proteinelor.

Unele enzime sunt monocomponente (holoproteide), fiind alcă-tuite numai din macromolecula proteică care include şi centrul catalitic (situsul catalitic) unde substratul accede la enzimă.

Majoritatea enzimelor sunt însă biocomponente (heteroproteide), adică sunt proteine conjugate cu o grupare prostetică numită cofactor:

APOENZIMA (PROTEINĂ)

ENZIME BICOMPONENTE

COFACTOR ENZIMATIC (COENZIME, GRUPĂRI

PROSTETICE, IONI METALICI)

APOENZIMA este macromolecula proteică a enzimei, termo-labilă, nedializabilă, dotată cu activitate catalitică. În structura apoenzi-mei este localizat situsul catalitic (zonă distinctă la care se leagă specific substratul de reacţie) şi situsul allosteric (în cazul enzimelor allosterice) la care se leagă efectorul allosteric.

Totodată apoenzima determină specificitatea de substrat în re-acţia pe care o catalizează şi suferă modificări conformaţionale în anumite limite permisive.

COFACTORII ENZIMATICI sunt componente neproteice, mi-cromolecule cu structuri chimice diferite, indispensabile pentru ma-nifestarea activităţii catalitice.

Cofactorul enzimatic este componenta termostabilă, dializa-bilă, nu reacţionează decât în prezenţa apoenzimei, facilitând acţiunea acesteia asupra substratului şi determină mecanismul prin care apoen-zima îşi exercită proprietăţile catalitice.

114

După natura chimică şi modul de legare la apoenzimă, cofactorii se clasifică în:

- coenzime (reprezentate prin micromolecule organice care se ataşează temporar la apoenzimă, iar la finele reacţiei se deta-şează de aceasta; în general sunt derivate de la vitamine, de tip heminic sau de tip nucleotide trifosforilate;

- grupări prostetice (legate puternic de molecula apoenzimei prin legături covalente);

- ioni metalici (indispensabili pentru exercitarea funcţiei catali-tice a unor enzime, care se leagă sub formă de chelat cu anu-miţi aminoacizi din molecula apoenzimei).

SITUSUL CATALITIC este acea zonă (regiune) existentă în apoenzimă, la care se ataşează în mod specific substratul de reacţie (S) pe care enzima îl transformă în produs de reacţie (P).

Deci rolul situsului catalitic este:a) recunoaşte şi leagă substratul (S) pe baza complementari-

tăţii stereochimice dintre enzimă şi substrat, formând un complex supramolecular activat enzimă-substrat (ES);

b) transformă substratul în produşi de reacţie (P);

E + S [ES] E + P

c) asigură marea specificitate de substrat a enzimelor care au capacitatea de a fi selective pentru un anumit substrat (deci de a cataliza un singur tip de reacţie biochimică). Unele enzime manifestă specificitate absolută de substrat, recunoscând nu-mai o anumită moleculă, în timp ce altele recunosc o anumită grupare funcţională sau o anumită legătură chimică şi trans-formă mai multe molecule care conţin gruparea sau legătura chimică recunoscută, deci au specificitate relativă de substrat.

Situsul catalitic se caracterizează printr-o anume configuraţie spaţială şi printr-o structură specifică care creează o compatibilitate între situs şi un anumit substrat ce se va ataşa la acest situs catalitic.

115

ApoenzimăCofactorSitus catalitic

E S [ES] E P

Situsul catalitic este localizat în porţiunea internă, hidrofobă a moleculei de apoenzimă, este constituit dintr-un grup de aminoacizi care diferă prin funcţia lor de alţi aminoacizi componenţi ai apoen-zimei şi împreună cu regiunea din moleculă la care se ataşează cofac-torul formează centrul catalitic al enzimei bicomponente. La enzimele monocomponente, centrul catalitic este sinonim cu situsul catalitic.

Enzimele care exercită în afară de activitate catalitică şi rol regla-tor se numesc enzime allosterice. Acestea conţin în afară de situsul catalitic şi un al doilea situs numit allosteric, la care se pot lega anumite molecule numite efectori allosterici sau modulatori allosterici (activa-tori sau inhibitori). Legarea acestor efectori allosterici la situsurile alloste-rice este selectivă şi reversibilă şi modulează tranziţiile moleculei de enzimă între două conformaţii posibile pe care aceasta le poate adopta. Prin aceste tranziţii (numite tranziţii allosterice) se permite sau nu accesarea situsului catalitic de către molecula de substrat. De exemplu, fixarea activatorului la situsul allosteric induce modificări conforma-ţionale discrete ale enzimei, care permit accesul substratului la situsul catalitic prin modelarea conformaţională adecvată a acestuia; în schimb, fixarea inhibitorului allosteric produce distorsiuni ale conformaţiei tridimensionale ale enzimei, capabile să transforme arhitectura situsului catalitic astfel încât să devină inacesibil substratului (fig. 6.1).

Efectorii allosterici sunt clasificaţi în efectori homotropici şi heterotropici.

Figura 6.1 - Conformaţia activă şi inactivă a unei enzime allosterice

116

Situs allostericpentru activator

ActivatorSitus

catalitic

Protomeri

Substrat

Inhibitor

Situs allostericpentru inhibitor

Situs catalitic inaccesibilpentru substrat

Efectorii homotropici sunt reprezentaţi de însăşi substratul allo-steric care funcţionează ca efector allosteric activator.

Efectorii heterotropici sunt molecule diferite de substrat, acti-vatori sau inhibitori, iar efectul se numeşte heterotropic. Dacă efectorul este un produs final de reacţie (D) dintr-o secvenţă de reacţii înlănţuite în care enzima allosterică (EA) catalizează prima reacţie, efectorul hetero-tropic exercită o inhibiţie de tip feedback. Acest tip de inhibiţie intervine în reglarea feedback:

EA E2 E3

A B C D.

Când concentraţia lui D a atins valoarea necesară pentru celulă, el devine inhibitor allosteric pentru EA.

Deoarece enzimele sunt biocatalizatori de natură proteică, organi-zarea lor structurală determină încadrarea acestora în patru grupe prin-cipale:

- enzimele monomere, alcătuite dintr-o singură catenă polipepti-dică cu o structură globulară şi care au mase moleculare mici; ele catali-zează reacţii de hidroliză;

- enzimele oligomere, alcătuite din două sau mai multe catene polipeptidice identice sau diferite, asociate într-o structură de ansamblu compactă. Aceste lanţuri polipeptidice sunt uşor de separat şi de aceea se mai numesc şi subunităţi structurale identice sau diferite, numite protomeri. Majoritatea enzimelor implicate în reacţii metabolice sunt enzime oligomere, în acestea fiind incluse şi enzimele allosterice;

- izoenzimele reprezintă forme moleculare multiple ale aceleiaşi enzime, care catalizează aceeaşi reacţie biochimică şi au aceeaşi ori-gine (celulă, ţesut, lichid biologic dintr-un organism). Au însă proprietăţi fizico-chimice şi imunologice diferite.

Un exemplu de polimorfism enzimatic îl reprezintă enzima lactat dehidrogenază (LDH), enzimă care catalizează transformarea acidului lactic în acid piruvic şi care se prezintă ca un ansamblu de cinci izoen-zime separabile electroforetic şi denumite LDH1, LDH2, LDH3, LDH4, LDH5;

- sistemele multienzimatice, formate dintr-un număr de enzime asociate prin legături necovalente care catalizează un ansamblu de reacţii înlănţuite.

117

6.3. MECANISMUL REACŢIILOR ENZIMATICE

Aşa cum am arătat anterior, o reacţie enzimatică decurge în două etape:

1) S + E ES COMPLEX ACTIVAT ENZIMĂ-SUBSTRAT

2) ES E + P

Transformarea chimică S P se realizează prin intermediul unei stări de tranziţie a substratului (S*), care reflectă o activare (excitare) a moleculelor reactante; această stare de tranziţie este de fapt o stare în care moleculele de substrat sunt aduse la un nivel energetic superior, în raport cu nivelul energetic iniţial. Trecerea de la o stare iniţială (S) la o stare activată (tranzitorie), (S*), în procesul de transformare a substra-tului de reacţie (S) în produs (P) necesită o anumită cantitate de energie (E) numită energie de activare. Energia de activare (E) exprimă dife-renţa finită între nivelul de energie al stării de tranziţie a moleculelor activate şi nivelul de energie a moleculelor aflate în stare iniţială. Ea desemnează cantitatea de energie necesară pentru ca toate moleculele dintr-un mol de substanţă să atingă o stare activată. Ca orice catalizator, enzimele scad energia de activare a moleculelor de substrat.

Figura 6.2 - Diagrama profilelor energetice a unei reacţii necatalizate şi catalizate de enzima E

118

E

Din analiza diagramei rezultă că în reacţia catalizată energia de activare (E) este mai mică decât în cazul reacţiei necatalizate, fapt ce denotă că un procent mai mare de molecule se vor găsi în stare activată în prezenţa enzimei, devenind astfel apte de a reacţiona cu o viteză de reacţie mai mare, permiţând conversia rapidă în produşi.

În reacţiile necatalizate energia de activare poate fi generată de coliziunile care apar între molecule.

Dacă moleculele care se ciocnesc sunt orientate corespunzător, apare starea de tranziţie activată care face ca reacţia să aibă loc. Rata de formare a stării de tranziţie determină viteza de reacţie. Creşterea tempe-raturii care creşte viteza de deplasare a moleculelor favorizează coliziunea acestora şi implicit viteza de reacţie. La temperatura fiziologică (cel mai adesa 37C) cele mai multe reacţii biochimice s-ar desfăşura cu viteze imperceptibile. La temperaturile fiziologice, la un pH aproape neutru şi la concentraţiile scăzute ale reactanţilor (molecule stabile) reacţiile biochi-mice rapide necesare vieţii nu s-ar fi putut desfăşura în absenţa enzimelor. Viteza de desfăşurare a reacţiilor enzimatice reflectă activitatea enzi-matică.

6.4. CINETICA ENZIMATICĂ

6.4.1. VITEZA DE REACŢIE; ORDIN DE REACŢIE

Cinetica chimică studiază legile după care se petrec în timp reac-ţiile chimice sub raportul vitezelor de reacţie, respectiv al evoluţiei în timp a transformărilor caracteristice unei reacţii chimice.

Studiul cinetic al activităţii enzimatice se bazează pe măsura-rea cantitativă a vitezei de desfăşurare a reacţiei catalizate. Viteza de reacţie (v) reprezintă cantitatea de substrat (S) care se transformă în unita-tea de timp (t) sau cantitatea de produs (P) care se formează în unitatea de timp (t):

Viteza de reacţie constituie un parametru de exprimare canti-tativă a activităţii enzimatice.

119

Sub raport cinetic, reacţiile chimice enzimatice se diferenţiază prin ordinul cinetic de reacţie (notat cu n), care exprimă dependenţa vitezei de reacţie de concentraţia reactanţilor. Reacţiile frecvent întâlnite sunt de ordinul 0 şi de ordinul întâi:

- pentru n=0 (reacţii de ordin 0) viteza de reacţie este con-stantă (v = KS0 = K) şi enzima este saturată în substrat;

- pentru n=1 (reacţie de ordinul întâi) viteza creşte direct pro-porţional cu concentraţia substratului (v = KSx).

6.4.2. FACTORI CARE INFLUENŢEAZĂ ACTIVITATEA ENZIMATICĂ

1. Concentraţia substratuluiCreşterea concentraţiei substratului determină creşterea vitezei de

reacţie până la o valoare denumită Vmax (viteza maximă), după care rămâne constantă:

Figura 6.3 - Reprezentarea grafică a vitezei de reacţie enzimatică în funcţie de concentraţia substratului

120

Km = constanta Michaelis este acea concentraţie de substrat la care viteza de desfăşurare a unei reacţii enzimatice este jumătate din viteza maximă.

Km este un parametru specific fiecărei enzime, care reflectă afini-tatea enzimei pentru substrat.

2. Concentraţia enzimeiViteza reacţiei enzimatice este direct proporţională cu concentraţia

enzimei.

3. TemperaturaTemperatura influenţează activitatea enzimatică şi viteza de reac-

ţie. Cu creşterea temperaturii viteza de reacţie creşte, dublându-se la fie-care 10C, dar scade brusc atunci când se depăşeşte o anumită valoare, de obicei 40C. Totuşi s-au descris enzime stabile la temperaturi ridicate, în special la microorganisme. Pentru enzime care catalizează aceeaşi reacţie, dar izolate din surse diferite, pot fi descrise temperaturi optime diferite (de exemplu -amilaza bacteriană şi cea pancreatică).

Figura 6.4 - Influenţa temperaturii asupra vitezei de reacţie enzimatică

4. Influenţa pH-ului

121

Stabilitatea conformaţiei unei proteine este influenţată de starea grupărilor ionizabile din catenele laterale ale aminoacizilor, iar în cazul enzimelor funcţionarea situsului catalitic depinde de conformaţia globală a moleculei proteice. De asemenea ionizarea substratului poate fi o con-diţie sau o barieră în calea acţiunii enzimei. De aceea pH-ul afectează rata de desfăşurare a reacţiilor enzimatice. De obicei pH-ul optim de acţiune a unei enzime este identic cu pH-ul ţesutului, organului sau celulei în care enzima acţionează.

Figura 6.5 - Influenţa pH-ului asupra vitezei de reacţie enzimatică

5. Acţiunea efectorilor enzimaticiEfectorii enzimatici sunt substanţe de natură chimică foarte dife-

rită, care modifică în sens pozitiv sau negativ activitatea enzimelor (viteza de reacţie).

După acţiunea pe care o exercită asupra activităţii enzimatice, se clasifică în:

- efectori activatori;- efectori inhibitori;- efectori allosterici.Efectori activatori:

122

- anioni - Cl activează -amilaza;- cationi - K+, Ca2+, Mg2+, Mn2+;- molecule - acizii graşi activează lipazele.

Efectorii inhibitori abolesc total sau parţial activitatea enzimatică. După modul de acţiune se împart în două grupe: inhibitori competitivi şi inhibitori necompetitivi.

a. Inhibiţia competitivă are loc în cazul în care inhibitorul prezintă analogie structurală cu substratul, competiţionând cu acesta pentru ocupa-rea situsului catalitic.

Exemplu: enzima succinatdehidrogenaza în care acidul malonic este inhibitorul competitiv:

acid succinic HOOC CH2 CH2 COOH substratacid malonic HOOC CH2 COOH inhibitor competitiv

b. Inhibiţia necompetitivă este realizată de agenţi care afectează conformaţia generală a enzimei şi implicit situsul catalitic. În această manieră acţionează agenţii denaturanţi ai proteinelor (cationii metalelor grele, radiaţiile, acizii organici).

Exprimarea cantitativă a activităţii enzimatice se face prin unităţi de activitate (UI).

UI = cantitatea de enzimă care catalizează transformarea a 1 M substrat (sau producerea a 1 M produs de reacţie) /min/l/ în condiţii optime de temperatură şi pH.

6.5. CLASIFICAREA ŞI NOMENCLATURA ENZIMELOR

Actuala clasificare şi nomenclatură a enzimelor se bazează pe principiile şi regulile stabilite de Comisia de enzime a Uniunii Internaţio-nale de Biochimie (IUB). Clasificarea şi nomenclatura enzimelor implică un sistem numeric codificat, criteriul esenţial de clasificare constituindu-l tipul de reacţie chimică catalizată de o anumită enzimă. Identitatea fiecă-rei enzime este stabilită printr-un număr de cod şi un nume sistematic. Astfel, fiecare enzimă este caracterizată printr-un număr de cod de forma: EC W. X. Y. Z, unde:

EC - Comisia de enzime a Uniunii internaţionale de biochimie;W - clasa enzimatică din care face parte;

123

X - subclasa enzimatică - numărul general al substratului sau al grupului de substrate asupra cărora acţionează enzima (de exemplu, oxi-doreductazele care au X=2 acţionează asupra grupării alcool secundar a substratului);

Y - numărul substratului specific sau al coenzimei;Z- numărul de serie (ordine) al enzimei.În funcţie de natura reacţiilor pe care le catalizează, enzimele au

fost clasificate în şase clase enzimatice; fiecare clasă cuprinde subclase enzimatice delimitate de natura substratului şi coenzimelor implicate în reacţie (tabelul 6.1).

CLASELE DE ENZIME

OXIREDUCTAZE- catalizează reacţiile care decurg cu

transfer de hidrogen, oxigen sau electroni

LIAZE- catalizează scindarea legăturilor

chimice fără aportul apei

TRANSFERAZE- catalizează transferul unor grupări

specifice de la un substrat donor la un substrat acceptor

IZOMERAZE- catalizează reacţiile de rearanjare

intramoleculară a atomilor sau grupărilor funcţionale din molecula substratului

HIDROLAZE- catalizează reacţiile de liză a mole-

culelor de substrat sub acţiunea apei

LIGAZE- catalizează reacţiile de formare ale

unor noi legături chimice cu consum de ATP (GTP)

Numele sistematic indică natura substratului (donatorului), natura acceptorului şi tipul de reacţie catalizată de enzimă. De exemplu, enzima cu numărul de cod EC 1.1.1.27 are numele sistemic lactatdehidrogenaza. Numărul de cod al acestei enzime indică:

• 1 - Clasa enzimatică 1 (oxireductaze);• 1 - Substratul general sau grupul de substrate - 1 (gruparea

asupra căreia acţionează substratul este CH OH);• 1 - Coenzima NAD+;• 27 - numărul de serie (ordine) al enzimei.Numele sistematic indică:

124

• lactat - natura substratului (acidul lactic);• dehidrogenaza - reacţia catalizată de enzimă (dehidrogenare).

Tabelul 6.1Clase enzimatice şi exemple de subclase

Clasa enzimatică Caracteristici

Oxidoreductaze Oxidaze Utilizează oxigenul ca acceptor de electroni, dar nu îl

încorporează în substrat Dehidrogenaze Utilizează ca acceptori de electroni alte molecule

decât oxigenul (ex. NAD+) Oxigenaze Încorporează oxigenul direct în substrat Peroxidaze Utilizează apa oxigenată (peroxidul de hidrogen) ca

acceptor de electroniTransferaze Metiltransferaze Transferă radicalul metil Aminotransferaze Transferă gruparea amino de pe un aminoacid pe un

cetoacid Kinaze Transferă gruparea de la ATP la substrat

Fosforilaze Transferă gruparea din fosfatul anorganic pe

substratHidrolaze Fosfataze Eliberează radicalul din substrat sub

acţiunea apei Fosfodiesteraze Clivează legăturile fosfodiester de tipul celor din acizi

nucleici Proteaze Clivează legăturile amidice de tipul celor din proteineLiaze Decarboxilaze Produc dioxid de carbon în urma unor reacţii de

eliminare Aldolaze Formează aldehide ca urmare a unor reacţii de

scindareIzomeraze Racemaze Determină interconversia stereoizomerilor D şi L Mutaze Transferă grupe de atomi în cadrul aceleiaşi moleculeLigaze Carboxilaze Utilizează ca substrat dioxidul de carbon Sintetaze Unesc două molecule în reacţii ATP dependente

6.6. CARACTERISTICILE ŞI MECANISMUL DE

125

ACŢIUNE AL FIECĂREI CLASE DE ENZIME

6.6.1. OXIDOREDUCTAZE

Enzimele din această clasă catalizează reacţii redox caracterizate prin:

a. transfer de hidrogen transhidrogenaze; dehidrogenaze;b. transfer de electroni transelectronaze;c. reacţii de combinare a unui substrat cu oxigenul oxigenaze.

Exemple:a. Dehidrogenazele funcţionează în prezenţa unor coenzime care

joacă rol de acceptori intermediari între substrat şi produsul final.Coenzimele oxidoreductazelor sunt derivaţi ai vitaminelor, conţi-

nând în plus o pentoză şi o bază azotată A adenina:Nicotinamid vitamina PP niacinaAdenin bază azotată purinicăDinucleotid

NAD+

Flavin vitamina B2 riboflavina

126

AdeninDinucleotid

FAD

Reacţiile generale catalizate de dehidrogenaze sunt:

SH2 + NAD+ S + NADH + H+

substrat coenzima dehidrogenaza substrat coenzima redus oxidată NAD+ dependentă oxidat redusă

SH2 + FAD S + FADH + H+

substrat coenzima dehidrogenaza substrat coenzima redus oxidată FAD dependentă oxidat redusă

b. Transelectronaze - coenzima derivată de la hem

cit Fe2+ cit Fe3+ forma forma redusă oxidată

c. Oxidaze - realizează transferul de electroni direct pe O2 şi se numesc oxidaze citocromoxidaza sau catalizează încorporarea oxige-nului în molecula unui substrat şi se numesc oxigenaze.

127

e

+e

citocrom C oxidaza2e

+2e

2 cit Fe2+ + ½ O2 2 cit Fe3+ + ½

O metalenzimă care catalizează dismutaţia anionului superoxid radical liber al oxigenului extrem de reactiv şi iniţiator al fenome-

nelor de lipoperoxidare membranară în apă oxigenată compus stabil şi mai puţin toxic este SUPEROXID DISMUTAZA SOD.

2 + 2H+ H2O2 + O2

Ea este localizată în citosol şi este prima treaptă de apărare a orga-nismului viu împotriva speciilor reactive ale oxigenului. Există mai multe forme ale acestei enzime:

- una hibridă, conţinând Mn/Fe, izolată din mitocondria de E. Coli;

- alta conţinând Cu/Zn, existentă în citosol şi izolată din eritro-cite bovine.

Figura 6.6 - Superpoziţia liganzilor la situsul activ al Fe-SOD şi Mn-SOD

128

.

. SOD

d. Peroxidaze - utilizează H2O2 peroxidul de hidrogen sau apa oxigenată ca donor de oxigen:

H2O2 H2O + O

SH2 + O S + H2Osubstrat substrat

redus oxidat

________________________________

SH2 + H2O2 S + 2H2O

Unele peroxidaze sunt heteroproteide seleniu dependente şi ca exemplu menţionăm glutation peroxidaza. În reacţiile catalizate de pero-xidazele care au glutationul drept cofactor, glutationul redus GSH func-ţionează ca donor de hidrogen şi electroni, iar peroxizii ca acceptori.

2GSH GS – SG

R – O – O – R 2R OH

e. Catalaze - catalizează o reacţie în care H2O funcţionează atât ca donor, cât şi ca acceptor de oxigen. Rolul catalazelor este de a detoxifia celula de H2O2:

H2O2 + H2O2 O2 + 2H2O

6.6.2. TRANSFERAZE

Aceste enzime transferă diferite grupări funcţionale între un donor şi un acceptor. Grupările amino, acil, fosfat, metil şi glicozil sunt cel mai adesea transferate.

Aminotransferazele transaminaze transferă o grupare amino de pe un aminoacid donor pe un -cetoacid acceptor cu formarea unui nou aminoacid şi a unui nou -cetoacid.

129

peroxidaze

peroxidaze

catalaze

COOH׀CH NH2

׀CH2 +׀CH2

׀COOH

COOH׀C = O׀CH2 +׀CH2

׀COOH

În acest caz AAT = GPT (glutamat piruvat transaminaza). Coen-zima transaminazelor este un derivat al vitaminei B6 numit piridoxal-fosfat. Ca donori de grupări amino funcţionează aminoacizii următori: acidul aspartic, glutamic, alanina, iar ca acceptori: acidul piruvic, oxalil-acetic, -cetoglutaric.

Kinazele sunt enzime care catalizează transferul unui radical fos-foric de la ATP sau alt nucleozid trifosforilat la o grupare OH sau NH2

acceptoare. Ele se mai numesc şi fosfotransferaze. De exemplu, gluco-kinaza catalizează fosforilarea glucozei:

glucoza glucozo-6-fosfat

Glicoziltransferazele sunt implicate în biosinteza poliglucidelor, transferând un radical glicozil pe o moleculă poliglucidică preexistentă (primer):

130

O׀׀ CH3 C COOH

NH2

׀ CH3 CH COOH

acidul glutamicaminoacid 1

acidul -cetoglutaric-cetoacid 2

acidul piruvic-cetoacid 1

alaninaaminoacid 2

AAT

Aciltransferazele sau transacilazele asigură transferul grupării acil (RCO) de pe un donor pe un acceptor. Coenzima transacilazelor se numeşte Coenzimă A (CoASH), moleculă complexă care conţine un radical provenit de la acidul pantotenic (vitamină din complexul B) fos-forilat, un ADP şi un radical de cisteamină:

acid pantotenic (vitamina din grupul B)

CoA SH cisteamina H2N H2C CH2 SH

ADP

Gruparea tiol (SH) este gruparea activă la care se leagă radicalul acil. Unul dintre cei mai importanţi radicali acil este radicalul CH3CO (acetil) care este transferat sub formă de acetilcoenzimă A (CH3COS CoA). Acesta este un metabolit important, intervenind atât în reacţii anabolice, cât şi catabolice (caracter amfibolic):

131

Coenzima A

6.6.3. HIDROLAZE

În această clasă sunt cuprinse foarte multe enzime care catalizează reacţiile de descompunere (scindare) a substanţelor complexe în molecule mai simple, numai cu participarea apei.

XOY + HOH XOH + YOH

Exemple: esteraze: lipaze, fosfataze, ATP-aze;glucidaze: amilaza, maltaza, lactaza;peptidhidrolaze (proteaze): pepsina, tripsina, carboxipepti-daze etc.

6.6.4. LIAZE

Sunt enzime care catalizează scindarea diferitelor substrate fără participarea apei. Ele acţionează prin ruperea legăturilor dintre diferiţi atomi: CC, CN, CO, CS:

132

6.6.5. IZOMERAZE

Catalizează reacţiile de transformare a unui substrat într-un izomer al său:

glucoza galactoza

6.6.6. LIGAZE sau SINTETAZE

Sunt enzime specific anabolice al căror scop îl constituie unirea mai multor substrate, având ca rezultat formarea unei substanţe mai complexe. Reacţiile catalizate de ligaze au loc numai în prezenţa unor furnizori de energie (ATP, GTP, UTP) şi se soldează cu formarea unor noi legături chimice:

133

COOH COOH ׀ ׀

ATP + HCO3 + CO CO + ADP + H3PO4

׀ ׀ CH3 CH2

׀ COOH

acid piruvic acid oxalilacetic

134

piruvatcarboxilaza

CAPITOLUL 7

BIOCHIMIA PROCESELOR METABOLICE

7.1. CONSIDERAŢII GENERALE

Organismele animale au ca proprietate specifică posibilitatea de a lua din mediul înconjurător substanţele nutritive pe care le folosesc în scopul biosintezei componenţilor structurali şi funcţionali proprii, asigu-rându-şi astfel creşterea, dezvoltarea, reproducerea. Acest lucru se realizează printr-un număr mare de reacţii chimice enzimatice care se condiţionează reciproc şi care poartă numele de metabolism.

Metabolismul reprezintă ansamblul proceselor biochimice de degradare (catabolism) şi sinteză (anabolism) din care rezultă sub-stanţe chimice necesare vieţii. Se poate spune că metabolismul repre-zintă esenţa materială a vieţii, el realizându-se în strânsă interdepen-denţă cu mediul ambiant.

Procesele metabolice presupun transformări energetice, fiind înso-ţite de generare (procese exergonice) sau de consum (procese ender-gonice). Se ştie că sursa de energie pentru viaţă este soarele şi că energia solară este transformată de plantele verzi în energie chimică în procesul de fotosinteză. Această energie chimică este stocată în molecule organice (glucoză, alte glucide, trigliceride, proteine), preluate ulterior de organis-mele heterotrofe direct sau indirect din plante şi degradate până la CO2 şi H2O cu eliberarea energiei chimice înmagazinate. O mare parte a acestei energii este stocată sub formă de compuşi macroergici (ATP), iar restul este transformată direct în căldură. La rândul lor, aceşti compuşi macroergici sunt utilizaţi pentru biosinteza macromoleculelor proprii organismului din precursori mai simpli, pentru efectuarea de lucru mecanic (contracţia musculară) şi pentru transportul activ (lucru osmo-tic) prin membrane.

135

Putem spune că metabolismul constă din două procese unitare şi inseparabile, catabolism şi anabolism, cu următoarele caracteristici:

METABOLISM

CATABOLISM (DEGRADARE): în care compuşii macromoleculari sunt transformaţi în molecule simple

ANABOLISM (SINTEZĂ): în care se formează macromolecule proprii din precursori mai simpli

ENERGIE ENERGIE

Acest circuit energetic (flux) este comun tuturor formelor de viaţă.

În ceea ce priveşte procesul de catabolism, acesta parcurge următoarele etape:

136

SE ELIBEREAZĂ SE CONSUMĂ

PROTIDE GLUCIDE LIPIDEBIOMOLECULE

COMPLEXE (COMBUSTIBILI)

AMINOACIZI OZE GLICEROL +ACIZI GRAŞI

„CĂRĂMIZILEEDIFICIULUI

MACROMOLECULAR“

ACID PIRUVIC

ACETILCOENZIMA A

NH3

CO2CICLUL KREBS

ATP

NADH (H+)FADH2

O2H2O

RESPIRAŢIA CELULARĂ

ENERGIE

FOSFORILARE OXIDATIVĂ

ATP

COENZIME REDUSE

METABOLIŢI SIMPLI

Rezultă că în catabolism au loc reacţii de oxidare la care participă coenzimele reduse: NADH(H+), FADH2 şi NADPH(H+) şi rezultă energie sub formă de ATP.

Anabolismul este procesul metabolic consumator de energie, prin care se biosintetizează din precursori simpli (metaboliţi) proveniţi din procesele de catabolism, biomolecule complexe. Anabolismul este deci procesul invers catabolismului, în care au loc reacţii de reducere la care participă coenzimele oxidate: NAD+, NADP+ şi FAD şi care utili-zează energie (ATP) pentru sinteza biomoleculelor complexe.

7.2. ASPECTE DE METABOLISM GLUCIDIC

Glucidele sunt biomolecule cu rol energetic şi structural, sinteti-zate de plantele verzi, din compuşi simpli (CO2, H2O şi energie solară), iar în organismul animal ajung pe cale exogenă (hrană). Compuşii gluci-dici din hrană asigură o mare parte din necesarul caloric pentru ani-male, se depun (se acumulează) sau sunt convertite în alte biomolecule necesare celulelor.

Metabolismul glucidic cuprinde:- degradarea (catabolismul) glucidelor;- biosinteza (anabolismul) glucidelor.

7.2.1. DEGRADAREA GLUCIDELOR

7.2.1.1. Digestia

Pentru a putea fi absorbite prin peretele intestinal, oligo- şi poliglucidele sunt supuse unei digestii prealabile sub acţiunea unor enzime din clasa hidrolaze şi anume glucidaze.

Oligo- şi poliglucidele care nu sunt hidrolizate enzimatic nu pot fi absorbite, ajung în tractul intestinal inferior unde sunt preluate de bacterii.Acestea, având mai multe tipuri de glucidaze decât organismele animale, hidrolizează compuşii glucidici până la nivel de oze, pe care le folosesc în

137

metabolismele proprii şi apoi elimină în intestin produşi de metabolism ce pot determina creşterea motilităţii intestinale şi crampe.

Schema digestiei glucidelor cuprinde următoarele etape:

138

OLIGO- ŞI POLIGLUCIDE

HIDROLIZĂ ENZIMATICĂ ÎN CAVITATEA BUCALĂ SUB ACŢIUNEA -AMILA-ZEI SALIVARE (pH = 6,8)

DEXTRINE

HIDROLIZĂ CHIMICĂ ÎN STOMAC (pH = 1,5 – 2,5) ŞI APOI ÎN DUODEN SUB ACŢIUNEA -AMILAZEI PANCREATICE

LA

PO

LIG

AS

TR

ICE

LA

MO

NO

GA

ST

RIC

E OZE

HIDROLIZĂ ENZIMATICĂ SUB ACŢIUNEA CELULA-ZEI, ÎN RUMEN ŞI CONTI-NUĂ ÎN INTESTIN

STOCATĂ ÎN MUŞCHI SUB FORMĂ DE GLI-COGEN MUSCULAR

STOCATĂ SUB FORMĂ DE GLICOGEN HEPATIC;

OZE

ABSORBŢIA OZELOR PRIN PERETELE INTESTINAL:prin difuzie simplă (trioze, pentoze);sub formă de oze fosforilate (esteri fosforici ai

hexozelor)

PRELUAREA OZELOR (DUPĂ CE UNELE AU FOST DEFOSFORILATE) DE FLUXUL SANGUIN ŞI AJUNG PRIN VENA PORTĂ LA FICAT, UNDE TOATE OZELE SUNT TRANSFORMATE ÎN

GLUCOZĂ

7.2.1.2. Glicogenoliza

În organismul animal glucoza este stocată sub formă de glicogen, de unde este eliberată în funcţie de necesităţile organismului. Glicogenul hepatic constituie principala rezervă de glucoză imediat disponibilă nu atât pentru necesităţile proprii ale ficatului, cât pentru aprovizionarea cu glucoză a creierului şi eritrocitelor.

Glicogenoliza (catabolismul glicogenului) este procesul biochi-mic, enzimatic, prin care macromolecula de glicogen este scindată la nivel hepatic sau muscular, cu formare în final de glucozo-6-fosfat, respectiv glucoză. Glicogenoliza începe la capetele nereducătoare ale lanţurilor de glicogen şi este un proces de fosforoliză prin care sunt eliberate molecule de glucoză fosforilate. Enzima care intervine în procesul de fosforoliză este fosforilaza hepatică, care există în două forme :

- forma b puţin activă;- forma a foarte activă.Iniţierea glicogenolizei (respectiv activarea fosforilazei a) se află

sub controlul unor hormoni pancreatici, adrenalina şi glucagonul, ce acţionează corelat sau independent.

Glicogenul hepatic şi muscular este stocat în citoplasmă (sub formă de agregate granulare), unde există pe lângă enzima fosforilază şi alte enzime implicate în scindarea legăturilor C1-C6, respectiv o enzimă de deramifiere (glucantransferaza) şi o glicozidază.

Principalele etape ale glicogenolizei sunt redate în schema următoare:

139

GLICOGEN (C6H10O5)n

H3PO4FOSFOROLIZĂ SUB ACŢIUNEA FOSFORILAZEI „a“

(C6H10O5)n-1 + GLUCOZO-1-FOSFAT (G-1P)

DERAMI-FIERE

IZOMERIZARE SUB ACŢIUNEA FOSFOGLUCOMUTAZĂ

DEXTRINE PUTERNIC RAMIFICATE

GLUCOZO-6-FOSFAT (G-6-P)

HOH

GLUCOZĂ + H3PO4

SÂNGE(GLICEMIA)

ŢESUTURI

7.2.1.3. Glicoliza

Glicoliza este procesul de degradare enzimatică a glucozei, res-pectiv procesul complex de oxidare intracelulară a glucozei în scopul obţinerii de energie sub formă de ATP necesară celulelor eucariote, vegetale şi animale.

Acest proces se realizează prin două căi metabolice:I - glicoliza anaerobă, care are loc în citoplasmă, se desfăşoară

în prezenţa oxigenului (O2), dar fără participarea lui şi constă în degradarea glucozei până la acid lactic ca produs final, rezultând totodată o cantitate mică de energie sub formă de ATP;

II - glicoliza aerobă, care se realizează în condiţiile participării directe a oxigenului şi constă în degradarea glucozei până la produşi finali: CO2, H2O şi o cantitate mare de energie sub formă de ATP. Acest tip de glicoliză cuprinde mai multe etape:a) degradarea glucozei până la acid piruvic (prin reacţii

comune cu glicoliza anaerobă);b) ciclul acizilor tricarboxilici sau ciclul Krebs, format din-

tr-o succesiune de reacţii ce se desfăşoară în matrixul mitocondrial;

c) lanţul respirator (sistemul transportor de electroni sau respiraţia celulară) cuplat cu fosforilarea oxidativă, proces în care coenzimele reduse rezultate din ciclul Krebs sunt oxidate de către oxigenul molecular, rezultând apă şi energie stocată în molecula de ATP. Procesele sunt loca-lizate în membrana mitocondrială internă.

I - GLICOLIZA ANAEROBĂ(ETAPELE DEGRADĂRII CITOPLASMATICE A GLUCOZEI)Reprezintă succesiunea de reacţii enzimatice care se petrec în con-

diţiile aprovizionării insuficiente cu oxigen a ţesutului muscular. Este un proces rapid de generare a unei cantităţi relativ mici de energie, rezultând totodată şi produşi de metabolism ce pot fi utilizaţi în reacţii de bio-sinteză.

140

Reacţia generală a procesului de degradare anaerobă a glucozei este: CH3

׀ C6H12O6 2HC OH + 2ATP

glucoză ׀ COOH acid lactic

Enzimele care catalizează lanţul de reacţii enzimatice ce alcătuiesc glicoliza anaerobă sunt localizate în citoplasmă, unde este transferată şi glucoza printr-un proces de transport pasiv cu ajutorul unei proteine.

Pentru ca acest proces generator de energie să aibă loc în celulă, trebuie ca moleculele combustibil să fie mai întâi activate, adică să treacă într-o stare de energie mai ridicată.

Etapele glicolizei anaerobe sunt:

1. Formarea glucozo-1-fosfatului (activare):

2. Izomerizarea glucozo-6-fosfatului la fructozo-6-fosfat:

141

GLICOLIZĂ

ANAEROBĂ

fructozo-6-fosfat3. Formarea fructozo-1,6-difosfatului

4. Scindarea fructozo-1,6-difosfatului în triozofosfaţi:

5. Izomerizarea şi stabilirea echilibrului între triozele fosforilate:

CH2 O PO3H2 CHO׀ ׀

CO CHOH׀ ׀ CH2OH CH2 O PO3H2

Echilibrul este deplasat spre formarea gliceraldehid-3-fosfatului (GAP) care va intra în etapele ulterioare ale glicolizei; deci glucoza 2GAP.

142

triozofosfatizomeraza

6. Oxidarea GAP la acid 3-fosfogliceric are loc în două etape catalizate de două enzime diferite:

a. CHO CO O PO3H2

׀ ׀ CHOH + H3PO4 CHOH

׀ ׀ CH2 O PO3H2 CH2 O PO3H2

b. CO O PO3H2 COOH

׀ ׀ CHOH + ADP CHOH + ATP

׀ ׀ CH2 O PO3H2 CH2 O PO3H2

7. Formarea acidului 2-fosfogliceric:

COOH COOH׀ ׀

CHOH HC O PO3H2

׀ ׀ CH2 O PO3H2 CH2OH

8. Formarea acidului 2-fosfoenolpiruvic:

COOH COOH׀ ׀

HC O PO3H2 C O PO3H2

׀ ׀׀ CHOH CH2

9. Formarea acidului piruvic:

COOH COOH׀ ׀

C O PO3H2 + ADP CO + ATP׀׀ ׀

CH2 CH3

Deoarece s-au format 2 trioze/mol glucoză 2 2 ATP/mol glucoză = 4 ATP/mol glucoză.

143

gliceraldehid-3-P-dehidrogenaza

NAD+NADH(H+)

acid 1,3-difosfogliceric

fosfoglicerokinaza (Mg)

acid 3-fosfogliceric

fosfogliceromutaza

acid 2-fosfogliceric

acid 2-fosfoenolpiruviccompus energizat

enolaza

HOH

piruvatkinaza

Atunci când celula are nevoie urgentă de energie sau atunci când aprovizionarea cu oxigen este insuficientă, acidul piruvic nu trece în mitocondrie pentru degradarea finală, ci rămâne în citoplasmă unde este transformat în acid lactic.

10. Formarea acidului lactic:

COOH COOH׀ ׀

CO + NADH(H+) CHOH + NAD+

׀ ׀ CH3 CH3

acid lactic

2 trioze/mol glucoză consumă cei 2NADH(H+) rezultaţi din reac-ţia 6, pentru formare de acid lactic.

Această ultimă reacţie ilustrează fluxul coenzimei NAD+/ NADH(H+) între mai multe enzime independente:

În cazul glicolizei anaerobe S1H2 = gliceraldehid-3-fosfat S2H2 = acid lactic

Bilanţul energetic al procesului de glicoliză anaerobă: din etapa 6 şi 9 rezultă 2 moli ATP pe fiecare trioză, ceea ce

înseamnă 4 moli ATP în total; în etapa 1 şi 3 se consumă 2 moli ATP; în final 4ATP 2ATP = 2ATP/mol de glucoză.

În prezentarea anterioară, pentru simplificare, s-a pornit glicoliza utilizând drept combustibil glucoza, dar în muşchi, din rezerva de glico-

144

LDH

S1H2 redus

S1oxidat

enzima 1 enzima 2

S2H2

redus

S2oxidat

NAD+

NADH(H+)

gen muscular, glucoza este eliberată printr-un proces de fosforoliză sub formă de ester fosforic (G1P) care apoi trece în G6P. Se reduce astfel consumul de ATP pe glicoliza anaerobă cu un mol şi în acest caz bilanţul energetic va fi:

4ATPrezultaţi 1ATPconsumat = 3 moli ATP/mol de glicogen.Schema generală a procesului de glicoliză anaerobă

145

În afară de muşchiul scheletic care în primele faze de efort funcţi-onează anaerob, în organismul animal mai sunt şi alte celule care produc

146

acid lactic, deoarece utilizează glicoliza anaerobă ca furnizor energetic. S-au descris celule din rinichi şi din retină care funcţionează virtual anae-rob, ca şi eritrocitele mature care neavând mitocondrii folosesc aceeaşi cale de obţinere a ATP. Acumularea acidului lactic în celulă este nocivă, întrucât scade pH-ul citoplasmatic, inhibând enzimele, inclusiv cele din glicoliză. De aceea el este eliminat în sânge, care îl transportă la ficat, unde este reconvertit în piruvat şi apoi în glucoză. Procesul se numeşte gluconeogeneză, iar ciclul fiziologic prin care acidul lactic este metabo-lizat, ciclul Cori.

FERMENTAŢIILE GLUCIDELORProcesul de degradare enzimatică a glucidelor de către microorga-

nisme poartă numele de fermentaţie.Fermentaţiile sunt produse numai de către microorganismele

heterotrofe, care îşi asigură în felul acesta hrana, cât şi energia necesară înmulţirii şi dezvoltării lor.

În funcţie de caracteristicile microorganismelor, cât şi în funcţie de produsul final rezultat, fermentaţiile se pot clasifica astfel: lactică (produs final acidul lactic)

- fermentaţii anaerobe alcoolică (produs final etanolul) butirică (produs final acidul butiric)

acetică (produs final acidul acetic)- fermentaţii aerobe

147

FICAT SÂNGE MUŞCHI

glicogen

glucoză

gluco-neo-geneza

glicolizaanaerobă

ac.lactic

glucoză

ac.lactic

glicogen

glucoză

ac.lactic

CO2 + H2O + E

1/5

4/5

citrică (produs final acidul citric)

Fermentaţia lactică (cenobioza) este procesul de degradare anae-robă a glucidelor sub acţiunea bacteriilor lactice. Bacteriile lactice trans-formă glucoza în acid lactic după un mecanism asemănător cu cel al glicolizei anaerobe din muşchi. Bilanţul energetic al procesului fermen-tativ este de 2 moli ATP/mol glucoză.

Fermentaţia lactică poate fi:- homofermentativă, când pe lângă acid lactic rezultă cantităţi

mici de alcool etilic, acizi volatili, substanţe de arome;- heterofermentativă, când pe lângă acid lactic rezultă cantităţi

mari de produşi secundari, cum ar fi: etanolul, dioxidul de car-bon.

Fermentaţia lactică este utilizată în procesele de obţinere a produ-selor lactate (iaurt, brânzeturi), în conservarea nutreţurilor prin însilozare şi în fermentarea şi conservarea legumelor. Procesul de fermentaţie lactică poate folosi ca substrat şi alte hexoze (fructoză, galactoză, manoză), diglucide (lactoză, zaharoză, maltoză) sau poliglucide (amidon) şi are trei faze:

faza preliminară, caracterizată printr-o fermentaţie violentă, însoţită de degajare de gaze, a cărei durată este funcţie de temperatură şi de natura produsului supus fermentaţiei (se recomandă un toptim = 18-20C);

faza principală sau faza determinantă a fermentaţiei, ce constă într-o acumulare masivă de acid lactic (creşte de la 0,3 la 1,5%);

faza finală, care se caracterizează printr-o reducere treptată de acid lactic ca urmare a dezvoltării unor microorganisme care îl consumă. O dată cu consumarea lui începe alterarea într-o măsură mai mare sau mai mică a produselor rezultate în urma fermentaţiei lactice.

STAREA PSE A CĂRNIIStarea PSE a cărnii (în special de porc) este o stare anormală a

muşchiului ce se caracterizează prin aspectul pal, moale (soft) şi exudativ (exudative) al acestuia. Această stare influenţează negativ calitatea cărnii, se instalează după sacrificarea animalului, când se între-rupe circulaţia sanguină şi se creează condiţii favorizante pentru glicoliza

148

anaerobă. Rezultă acid lactic care se acumulează rapid în muşchi, deter-mină scăderea pH-ului până la o valoare cuprinsă între 5,3-5,4 (valoare la care majoritatea enzimelor glicolizei anaerobe devin inactive) şi permite instalarea stării anormale PSE.

Cu cât viteza de desfăşurare a glicolizei anaerobe în muşchiul aflat în rigiditate va fi mai mare, cu atât se va instala mai rapid această stare anormală.

II - GLICOLIZA AEROBĂ sau procesul de metabolizare a piru-vatului pe cale aerobă (cu participarea oxigenului) este un proces enzi-matic care se realizează în mitocondrie.

Acidul piruvic obţinut prin metabolizarea anaerobă a glucozei este decarboxilat oxidativ în prezenţa coenzimei A şi transformat în acetilCoA:

COOH׀ C = O + NAD+ + CoASH CH3COSCoA + CO2 + NADH(H+)׀ CH3

acid piruvic acetilCoA

În mecanismul de reacţie intervin şi coenzimele NAD+ care sunt reduse la NADH(H+), tiaminpirofosfatul şi ionii de magneziu.

AcetilCoA intră apoi într-un proces enzimatic ciclic de degra-dare din care rezultă CO2, coenzime reduse şi ATP, denumit ciclul acizilor tricarboxilici (ciclul acidului citric) sau ciclul Krebs.

Ciclul Krebs este o cale oxidativă majoră, comună, de degradare a glucidelor, lipidelor, proteinelor care furnizează în acelaşi timp şi o serie de precursori implicaţi în procese de biosinteză a aminoacizilor, a bazelor azotate purinice sau pirimidinice sau a nucleului porfirinic din structura hemului.

Etapele ciclului Krebs: 1. Formarea acidului citricIniţierea ciclului este datorată acidului oxalilacetic. Printr-o reacţie

de transacetilare, sub acţiunea enzimei citratsintaza, are loc condensarea acetilcoenzimei A cu acidul oxalilacetic, rezultând acid citric, primul acid tricarboxilic format în acest proces.

149

decarboxilază

piruvat-

2. Izomerizarea acidului citric în acid izocitric în prezenţa aconi-tazei.

3. Oxidarea şi decarboxilarea acidului izocitricSub acţiunea izocitrat dehidrogenazei şi a coenzimei NAD+ are loc

oxidarea grupării hidroxil la gruparea ceto. În acelaşi timp enzima deter-mină decarboxilarea cu eliberarea primei molecule de dioxid de carbon. Rezultă acid -cetoglutaric.

4. Decarboxilarea oxidativă a acidului -cetoglutaricSub acţiunea unui complex enzimatic (-cetoglutarat decarboxi-

laza) are loc eliminarea celei de a doua molecule de dioxid de carbon, iar gruparea ceto este oxidată cu ajutorul NAD+ la grupare carboxil. Radi-

150

COOH׀C = O׀CH2

׀COOH

+ CH3 CO SCoA

COOH׀ CH2

׀ HO C COOH׀ CH2

׀ COOH

Acid oxalilacetic

Acetil coenzimă A

Acid citric

H2O

CoASH

Citrat-sintază

COOH׀ CH2

׀ HC COOH׀ HO CH׀ COOH

Acid izocitric

COOH׀ CH2

׀ HO C COOH׀ CH2

׀ COOH

Acid citric

aconitază

COOH׀ CH2

׀ CH2

׀ C = O׀ COOHAcid -cetoglutaric

COOH׀ CH2

׀ HC COOH׀ HO CH׀ COOH

Acid izocitric

Izocitrat dehidrogenază

NAD+NADH + H+ CO2

calul succinil astfel format este fixat de către coenzima A sub formă de succinil-coenzima A.

Legătura tioester din structura succinil-coenzimei A este foarte bogată în energie. Aceasta este transferată, în prezenţa succinil-coenzima A - sintazei, unei molecule de GDP, care fixează ionul fosfat şi se trans-formă în GTP. În acelaşi timp rezultă şi acidul succinic liber.

Ulterior, ionul fosfat şi energia din GTP pot fi transferate pe ADP.

GTP + ADP GDP + ATP

Aceasta este singura reacţie a ciclului Krebs în care se eliberează energie sub formă de ATP direct de pe substrat.

5. Oxidarea acidului succinic la acid malicAcest proces are loc prin două reacţii. Prima o reprezintă dehidro-

genarea acidului succinic sub acţiunea succinat dehidrogenazei şi a FAD,

151

COOH׀ CH2

׀ CH2

׀ CO SCoA

Succinil - CoA

COOH׀ CH2

׀ CH2

׀ C = O׀ COOHAcid -cetoglutaric

-cetoglutarat dehidrogenază

NAD+NADH + H+ CO2

CoASH

COOH׀ CH2

׀ CH2

׀ COOH Acid succinic

Succinil-CoA sintază

CoASHGTP+ GDP

COOH׀ CH2

׀ CH2

׀ CO SCoA Succinil - CoA

rezultând acidul fumaric. În cea de a doua reacţie el este hidratat în prezenţa fumarazei, cu formare de acid malic.

6. Oxidarea acidului malic în prezenţa malat dehidrogenazei cu NAD+ conduce la formarea acidului oxalilacetic. Acesta închide, astfel, ciclul şi poate relua, în continuare, procesul de fixare şi degradare a acetilcoenzimei A.

Schema generală a ciclului Krebs:

152

COOH׀ HO CH׀ CH2

׀ COOH Acid malic

Succinat dehidrogenază

FADH2FAD

COOH׀ CH2

׀ CH2

׀ COOH Acid succinic

Fumarază

H2O

COOH׀ CH׀׀ HC׀ COOH Acid fumaric

COOH׀ HO CH׀ CH2

׀ COOH

Aşa cum rezultă din schema următoare, degradarea unui rest de CH3CO sub formă de acetilcoenzima A prin ciclul Krebs conduce la eliberarea a: 2 moli CO2, coenzime reduse (3 moli NADH şi 1 mol FADH2), 1 mol GTP direct în reacţie.

Acid malic

Malat dehidrogenază

NADH + H+

NAD+

Ecuaţia generală, sintetică, a acestui proces ce se desfăşoară în cadrul ciclului Krebs poate fi redată astfel:

CH3COSCoA 2CO2 + 3NADH + FADH2 + ATP

Coenzimele reduse NADH şi FADH2 intră apoi în lanţul respi-rator, unde sunt oxidate de către oxigenul molecular, cu formare de apă, iar energia eliberată este stocată prin fosforilare oxidativă în molecule de ATP.

LANŢUL RESPIRATORCoenzimele reduse NADH şi FADH2 rezultate în etapele anteri-

oare de degradare şi în principal în ciclul Krebs sunt reoxidate de către oxigenul molecular în lanţul respirator cuplat cu fosforilarea oxidativă. De fapt aceasta este efectiv etapa aerobă a întregului metabolism aerob. Această oxidare a NADH şi FADH2 este cuplată cu reacţia de

153

3NAD+ FAD ADP +

fosforilare a ADP la ATP şi de aceea ea poartă numele de fosforilare oxidativă.

Schematic, reacţiile de oxidare a coenzimelor cuplate cu fosfori-larea oxidativă pot fi redate astfel:

NADH + H+ + ½ O2 NAD+ + H2O G0 = 218,8 kJ/mol FADH2 + ½ O2 FAD + H2O G0 = 181,6 kJ/mol ADP + ATP G0 = + 31,5 kJ/mol

După cum se vede, oxidarea coenzimelor reduse are loc cu o mare scădere a energiei libere, aceasta fiind utilizată în reaţia de fosforilare oxidativă.

Mecanismul reacţiei de oxidare a coenzimelor implică, de fapt, două etape intermediare şi anume:

oxidarea coenzimelor, cu eliberare de electroni şi protoni

NADH NAD+ + H+ + 2e

FADH2 FAD + 2H+ + 2e

transportul electronilor pe moleculele de oxigen şi oxidarea lor la apă

O2 + 4H+ + 4e 2H2O

În mitocondrii, sediul respiraţiei celulare, electronii eliberaţi de coenzime nu ajung direct pe moleculele de oxigen. Ei sunt transferaţi intermediar de pe un acceptor pe altul şi abia în final pe moleculele de oxigen. Aceasta poartă numele de lanţul transportor de electroni sau lan-ţul respirator. El este constituit dintr-o flavoproteină ca prim acceptor de electroni, coenzima Q şi patru citocromi b, cl, c şi a (citocromoxidaza).

Coenzima Q sau ubichinona are o structură asemănătoare cu cea a vitaminelor K şi poate exista în formă oxidată şi redusă. Pe această proprietate se bazează mecanismul prin care ea preia atomii de hidrogen de la flavoproteine.

CoQ CoQH2

oxidată redusă

Oxidarea coenzimei Q de către citocromul b are loc prin transferul electronilor pe ionul de fier din structura hemului.

154

+ 2H

2H

Cit b (Fe3+) Cit b (Fe2+) oxidat redus

Mecanismul transferului atomilor de hidrogen, respectiv al elec-tronilor, de pe coenzima Q pe citocromul b poate fi redat prin reacţia:

CoQH2 + 2Cit b (Fe3+) CoQ + 2Cit b (Fe2+) + 2H+

Toate enzimele ce alcătuiesc lanţul respirator transportor de elec-troni sunt localizate în interiorul membranei mitocondriale, într-o succe-siune strictă ce permite transferul direct al electronilor. În acelaşi timp aceste enzime se caracterizează prin potenţiale de oxidoreducere a căror valoare scade succesiv. De aceea transferul electronilor este însoţit de o scădere treptată a energiei libere G0.

Transportul atomilor de hidrogen şi al electronilor în cadrul lanţu-lui respirator poate fi reprezentat prin următoarea schemă:

Din această schemă se observă că NADH şi FADH2 sunt donorii iniţiali de electroni, în timp ce oxigenul este acceptorul final.

Transferul electronilor de pe citocromul a pe molecula de oxigen, cu formarea moleculei de apă, are loc conform ecuaţiei:

155

+ e

e

NADH + H+

NAD+

2H

2H

2H

G0 = 38,5 kJ/mol

G0 = 34,7 kJ/mol

G0 = 102,1 kJ/mol

Flavoproteină

FADH2

FAD

2H+

H2O ½O2

CoQ

Cit b

Cit c1

Cit c

Cit a + a3

2e

2e

2e

2e

2e

2Cit a (Fe2+) + ½O2 + 2H+ 2Cit a (Fe3+) + H2O formă redusă formă oxidată

Celulele au capacitatea şi mecanismul necesar pentru a cupla acest proces de oxidare însoţit de o scădere a energiei libere cu procesul de fosforilare a ADP, prin care energia este stocată în molecule de ATP. După cum rezultă din schemă, oxidarea fiecărui mol de NADH determină formarea a trei moli de ATP; un mol de NADH este echivalent din punct de vedere energetic cu trei moli de ATP:

NADH + H+ + ½O2 NAD+ + H2O + 3ATP

Oxidarea unui mol de FADH2 este cuplată cu fosforilarea a doi moli de ADP şi este echivalent din punct de vedere energetic cu doi moli de ATP :

FADH2 + ½O2 FAD + H2O + 2ATP

Mecanismul cuplării transportului de electroni cu reacţia de fosfo-rilare a ADP implică transferul de protoni din matricea mitocondriei spre spaţiul intermembranal al acesteia. Fosforilarea ADP şi sinteza de ATP sunt catalizate de ATP-sintaza. Pentru formarea ATP este necesară o cantitate de energie, condiţie care este îndeplinită numai de trei segmente din lanţul respirator:

NADH + H+ CoQH2

Cit b Cit c

Cit a + a3 ½Reglarea respiraţiei celulareDesfăşurarea lanţului respirator cuplat cu fosforilarea oxidativă

este direct determinată de concentraţia în acetilcoenzima A şi în oxigen, dar în realitate reglarea sa are loc prin valoarea raportului ATP/ADP din

156

3ADP + 3

3ADP + 3

ATP

ATP

ATP

celulă. Producerea de ATP prin fosforilare oxidativă este direct coman-dată de necesităţile energetice ale celulei, respectiv de consumul de ATP în reacţiile endergonice sau pentru alte scopuri. Datorită acestei cuplări, degradarea aerobă reprezintă un mod eficient şi economic de furnizare de energie ce se stochează sub formă de ATP. Această energie este utilizată de celulă în primul rând în biosinteza diferitelor componente necesare.

Schema generală a glicolizei aerobe:

Din această schemă se observă că dintr-un mol de glucoză se formează:

- 6 CO2

- 10 NADH echivalent cu 10 3 = 30 ATP- 2 FADH2 echivalent cu 2 2 = 4 ATP- 4 ATP direct în reacţii = 4 ATP

Total = 38 ATPReacţia generală de oxidare a glucozei în procesul respiraţiei

celulare va fi:

C6H12O6 + 6O2 + 38(ADP + ) 6CO2 + 38ATP + 44H2O

157

glucoză

sau

C6H12O6 + 6O2 6CO2 + 6H2O ΔH = 2870 kJ/mol

Degradarea aerobă a glucozei este, deci, deosebit de eficientă, generând 38 moli ATP/1 mol glucoză, ceea ce înseamnă că 38% din ener-gia eliberată prin degradare este conservată sub formă de ATP (1 ATP 8000 calorii).

7.2.1.4. Calea pentozofosfaţilor (şuntul hexoz-monofosfaţilor)

Este o cale alternativă oxidativă de degradare a glucozei (circa 8 - 30% din glucoză este degradată pe această cale). Este calea de degra-dare ce răspunde unor cerinţe specifice ale celulei, asigurând necesarul de pentoze (pentru sinteza nucleotidelor şi a acizilor nucleici), asigură nece-sarul de coenzime NADPH(H+) pentru sinteza acizilor graşi (lipide) şi pentru alte procese de biosinteză.

Sediul procesului este în ficat, cristalin, glanda mamară, rinichi şi este alcătuit din două etape:

a) etapele oxidative (ireversibile)b) etapele nonoxidative (reversibile)

a. Etapele oxidative Glucozo-6-fosfatul este transformat în ribozo-5-fosfat şi CO2,

concomitent cu oxidarea NADP+ la NADPH(H+):

158

b. Etapele nonoxidativeNevoile tisulare pentru cei 2 produşi ai etapei oxidative,

NADPH(H+) şi ribozo-5-fosfatul, variază foarte mult. Celulele adipoase şi hepatice posedă cantităţi mari din enzimele căii pentozofosfaţilor spre deosebire de celulele musculare la care aceste enzime lipsesc. Pe de altă parte, cererea pentru unul dintre cei doi produşi ai căii metabolice este mai mare decât pentru celălalt (la celulele în diviziune nu este necesar NADPH(H+), căci nu se sintetizează lipide, în schimb cererea de ribozo-5-fosfat este foarte mare).

Pentru a echilibra producerea şi excesul de compuşi rezultaţi în prima etapă, intervin reacţiile celei de-a doua etape.

159

Etapa nonoxidativă este rezultatul acţiunii în echipă a două enzi-me, transcetolaza şi transaldolaza, care realizează interconversia gluci-delor în concordanţă cu nevoile metabolice ale celulelor.

Aceste enzime detaşează de la o cetoză fosforilată unităţi de 2 şi de 3 atomi de carbon şi le ataşează la aldoze:

ribozo-5-fosfat ribulozo-5-fosfat xilulozo-5-fosfat aldoza (R-5-P) cetoza cetoza (X-5-P)

Doar o parte din ribozo-5-fosfat parcurge această reacţie, restul intră în următoarea:

160

2C5 C3 + C7 transcetolaza

C7 + C3 C4 + C6 transaldolaza

C5 + C4 C3 + C6 transcetolaza

Cele două molecule de gliceraldehid-3-fosfat vor fi transformate în glucoză prin reacţiile inverse glicolizei.

161

R1

R2

R3

Calea pentozofosfaţilor este extrem de flexibilă, corelând produ-cerea de metaboliţi cu consumul acestora:

Calea pentozofosfaţilor este întâlnită şi la plante. În perioada de creştere a tulpinilor predomină calea oxidativă, iar în cea de formare şi coacere a seminţelor şi boabelor cea de-a doua.

7.2.2. BIOSINTEZA GLUCIDELOR

7.2.2.1. Glicogenogeneza

Glicogenogeneza este procesul prin care se sintetizează glicogen din glucoză. Sediul biosintezei glicogenului este în principal celula hepa-tică şi într-o măsură mai mică celula musculară. Formarea glicogenului este un proces endergonic (consumator de energie), are loc prin adău-garea succesivă de unităţi de glucoză activată (fosforilată) la molecule de glicogen preexistent (glicogen primer).

Sinteza moleculei de glicogen foloseşte ca primer iniţial o pro-teină, glicogenina, care transferă opt radicali glucidici pe gruparea OH a tirozinei din structura proprie. Proteina rămâne în interiorul moleculei de glicogen. Adăugarea noilor unităţi de glucoză se face la capătul neredu-cător al lanţului poliglucidic:

162

ETAPE

1. Activarea glucozei

c.

163

a.

b.

2. Transferul glucozei activate pe molecula primer:

3. Ramificarea

Când lanţul glucidic ajunge la o lungime de opt unităţi de glucoză, intervine enzima de ramificare care permite stabilirea legăturilor C1C6

(formarea fragmentelor de izomaltoză).

* intervenţia compusului macroergic UTP în activarea ozelor are loc ori de câte ori este vorba despre biosinteza unor structuri glucidice mai complexe, atât în regnul vegetal, cât şi animal. Biosinteza digluci-delor, biosinteza amidonului la plante, au loc într-o manieră similară (inclusiv prezenţa enzimei de ramificare în sinteza amilopectinei).

164

Schema sintezei glicogenului din glucoză

7.2.2.2. Gluconeogeneza

Gluconeogeneza este procesul de biosinteză a glucozei din precur-sori neglucidici, care pot fi transformaţi în acid piruvic. Acest proces exclude acizii graşi şi acetilCoA, dar include acidul lactic, unii amino-acizi, glicerol. Importanţa procesului rezidă în faptul că permite conversia la glicogen a altor molecule, menţinând în acest fel glicemia la valori relativ constante. Aceasta este importantă pentru că o serie de ţesuturi şi celule (creierul, eritrocitele, retina, celulele parenchimului renal) folosesc exclusiv glucoza ca resursă energetică. Rezerva de glicogen a ficatului este mică şi se epuizează după 24 de ore de înfometare. Dar tot ficatul este cel care face ca viaţa să poată continua pentru că el este singurul capabil să biosintetizeze glucoza. Punctul de plecare îl constituie acidul piruvic. Examinând calea glicolitică observăm că doar 3 dintre reacţii sunt ireversibile:

(1) fosforilarea glucozei de către hexokinaza (glucokinaza) cu consum de ATP;

(2) fosforilarea fructozo-6-P cu consum de ATP;(3) transformarea fosfoenolpiruvatului în acid piruvic;

165

Biosinteza glucozei pe calea inversă este posibilă cu condiţia găsirii unor modalităţi de trecere peste aceste puncte cheie (ireversibile).

a) Calea gluconeogenetică pornind de la acid piruvic:

Enzimele din chenar sunt diferite de cele care apar în glicoliză.

166

b) Sinteza glucozei din glicerol (provenit din ţesutul adipos prin hidroliza gliceridelor)

Plantele şi bacteriile sunt capabile să transforme şi acetilCoA în glucoză prin intermediul unei succesiuni de reacţii numită ciclu glioxilat.

7.2.2.3. Biosinteza lactozei

Lactoza este un diglucid reducător sintetizat în glanda mamară, format prin condensarea unei molecule de -galactoză cu o moleculă de -glucoză, condensare în urma căreia apare o legătură de tip eter C1–C4.

Biosinteza ei porneşte de la -glucoză, care este activată mai întâi în prezenţă de UTP (uridintrifosfat).

Etapele biosintezei lactozei sunt:

+ ATP G – 6 – P + ADP

G – 6P G – 1 – P

1. G – 1 – P + UTP UDP – G + H4P2O7 (PPi)

2. UDP – G UDP – galactoză

3. UDP – galactoză + G – 1 – P lactoză

167

glucozasanguină

glucokinază

pirofosforilaza

4–epimeraza

glicoziltransferaza

H2O

URIDINDIFOSFAT – GLUCOZĂ (UDP – G)

7.2.3. REGLAREA METABOLISMULUI GLUCIDIC

Acest mecanism de reglare implică stabilirea unui echilibru între glicogenogeneză (biosinteză de glicogen din glucoză) şi glico-genoliză (degradare de glicogen cu formare de glucoză), echilibru care se află sub control hormonal. Hormonii implicaţi în reglarea metabolismu-lui glucidic sunt : insulina, cu rol hipoglicemiant şi glucagonul, adre-nalina, hormonii corticoizi şi cei tiroidieni, cu rol hiperglicemiant.

Din jocul antagonist al celor două tipuri de hormoni se asigură menţinerea glicemiei (a nivelului fiziologic de glucoză în sânge) în limite constante.

Reglarea glicemiei se poate face şi pe cale nervoasă, prin acti-varea sau inhibarea unor enzime care participă la metabolismul glucidic.

Principala dereglare biochimică care are drept urmare creşterea nivelului de glucoză din sânge poartă numele de diabet zaharat şi se datorează unei secreţii insuficiente de insulină de către pancreas.

168

7.3. ASPECTE DE METABOLISM LIPIDIC

7.3.1. CONSIDERAŢII GENERALE

Principala clasă de compuşi biochimici cu rol energetic, atât pentru celulă, cât şi pentru organism ca întreg, o reprezintă lipidele.

Cea mai mare parte din rezerva energetică a organismului animal este reprezentată de ţesutul adipos. Aici au loc procese de hidroliză a trigliceridelor cu eliberare de acizi graşi, utilizaţi apoi pentru necesităţile energetice ale altor organe şi ţesuturi.

7.3.2. DEGRADAREA LIPIDELOR

7.3.2.1. Digestia lipidelor

La monogastrice, sediul digestiei totale este intestinul subţire unde, în prezenţa sucului intestinal şi pancreatic (ce conţine enzime de tip esterazic), precum şi a sărurilor biliare, are loc un proces de emulsionare a lipidelor şi apoi de scindare hidrolitică.

Emulsionarea lipidelor simple, adică transformarea lor în picături foarte fine, favorizează atacul enzimelor din clasa hidrolazelor, respectiv lipazelor, proces în urma căruia rezultă glicerol şi acizi graşi.

Scindarea hidrolitică a lipidelor complexe are loc în duoden sub acţiunea fosfolipazelor prezente acolo.

La poligastrice, lipidele simple şi complexe ajung în rumen, unde acţionează microorganismele rumenale ce secretă enzime capabile să hidrolizeze aceste lipide.

7.3.2.2. Absorbţia lipidelor

Acizii graşi cu masă moleculară mai mică (10-12 atomi de carbon) rezultaţi în urma digestiei lipidelor se absorb direct prin mucoasa intestinală şi prin vena portă ajung în ficat.

Acizii graşi cu masă moleculară mare (peste 12 atomi de carbon) se esterifică în mucoasa intestinală, rezultând mono-, di şi trigliceridele.

169

Aceste trigliceride nou sintetizate formează complexe lipoproteice ce ajung pe cale sanguină la ficat.

La poligastrice, acizii graşi nesaturaţi se transformă în acizi graşi saturaţi sub acţiunea hidrogenazelor rumenale, rezultând, în special, acid stearic.

Colesterolul se absoarbe fie direct prin peretele intestinal, fie sub formă esterificată şi vehiculat tot în complexele lipoproteice.

7.3.2.3. Degradarea trigliceridelor

Catabolismul trigliceridelor începe printr-un proces de hidroliză enzimatică sub acţiunea lipazelor specifice şi se desfăşoară în citoplasmă.

Glicerolul format poate intra în diferite căi metabolice în funcţie de necesităţile energetice ale celulei:

- se transformă în aldehidă glicerică parcurgând etapele glico-lizei;

- se transformă în glucoză pe calea gluconeogenezei;- este utilizat la sinteza altor trigliceride şi lipide complexe.

Acizii graşi rezultaţi în urma catabolismului trigliceridelor intră într-un proces de degradare enzimatică localizat în mitocondrie, format dintr-o succesiune de reacţii care poartă numele de -oxidare.

170

CH2OCOR1

׀ HCOCOR2

׀ CH2OCOR3

CH2OH׀ HCOCOR2

׀ CH2OCOR3

CH2OH׀ HCOCOR2

׀ CH2OH

CH2OH׀ HCOH׀ CH2OH

lipaze

R2COOH

lipaze

R3COOH

lipaze

R1COOH

trigliceridă gliceroldigliceridă monogliceridă

Schema metabolizării glicerolului este:

7.3.2.4. Degradarea acizilor graşi

Pentru a putea fi transportaţi din citosol în mitocondrie, unde are loc procesul -oxidării, acizii graşi trebuie activaţi în prezenţă de coenzima A (HS–CoA) şi de aciltiokinază, cu formare de acid gras activat, singura formă sub care acizii graşi pot străbate membrana mito-

171

resinteză de triglicerideşi lipide complexe

GLICEROL

ATP

ADP

´-GlicerofosfatNAD+

NADH(H+)

Gliceraldehid-3 fosfat

Dihidroxiacetonfosfat

Fructozo-1,6 difosfat

Fructozo-6 fosfat

Glucozo-6 fosfat

Glucoză

Glicogen

Piruvat

AcetilCoA

C.K. CO2

Respiraţie celulară H2O

ATP

condrială. Această reacţie necesită un consum de ATP care este hidrolizat la AMP şi acid pirofosforic.

R–COOH + ATP + CoA–SH R–COSCoA + AMP + H4P2O7

acid gras acid gras activat (acil gras CoA)

2H3PO4

Transferul acidului gras activat prin membrana mitocon-drială este posibil numai după cuplarea acestuia cu carnitina, când rezultă acilgras-carnitina, ce este preluat de tranzlocază (o proteină specifică) şi adus în mitocondrie:

R–CH2–COSCoA + CARNITINA R–CH2–CO–CARNITINA

-oxidarea reprezintă o succesiune de patru reacţii enzimatice în urma cărora se eliberează câte o moleculă de acetilCoA şi rezultă un acid gras activat cu doi atomi de carbon mai puţin decât cel iniţial. Acest acid gras intră din nou în secvenţa celor patru reacţii şi procesul se repetă până când tot acidul gras activat s-a transformat numai în molecule de acetilCoA. Procesul complet de degradare are aspectul unei spirale (spirala Lynen), pe fiecare tură eliberându-se o moleculă de acetilCoA, un NADH(H+) şi un FADH2.

172

piro-fosfatază

carnitinacil-transferaza

CITOSOL

MEMBRANĂMITOCONDRIALĂ

MATRIXMITOCONDRIAL

R–CH2–CO–CARNITINA

R–CH2–COSCoAacilgras CoA

intră în procesul-oxidării

CARNITINA

Spirala Lynen:

Etapele -oxidării sunt:

acid gras cu 2 atomi acetil CoA mai puţin

173

acid gras cun-2 atomi C

acid gras cun-4 atomi C

acid gras cun atomi C

CH3COSCoANADH(H+)FADH2

CH3COSCoANADH(H+)FADH2

Bilanţul energetic al -oxidării:

pentru fiecare tură rezultă : 1 NADH(H+) = 3 ATP 1 FADH2 = 2 ATP Total 5 ATP

fiecare moleculă de acetilCoA intră în ciclul Krebs 12 ATP pe 1 ciclu Krebs.

Exemplu: pentru acidul palmitic (C16) bilanţul energetic al -oxi-dării se calculează astfel:

7 5ATP / tură = 35 ATP spirală Lynen

nr. molecule CH3COSCoA = = 8 molecule

8 12ATP / C.K. = 96 ATP

96 ATP + 35 ATP = 131 ATP

131 ATP – 1 ATP (consumat la activare) = 130 ATP* 1 ATP 7000 calorii

Oxidarea acizilor graşi nesaturaţi decurge la fel ca la cei saturaţi până se ajunge în vecinătatea dublelor legături, care sunt în pozi-ţie cis, ceea ce împiedică recunoaşterea de către acil grasCoAdehidro-genaza. În acest moment este necesară intervenţia unei izomeraze care transformă izomerul cis în cel trans, în continuare fiind parcurse aceleaşi etape. La acizii polinesaturaţi, cum ar fi acidul linoleic, cu două duble legături, în cazul primei se procedează ca mai sus, iar în cazul celei de-a

174

doua intervine o hidrogenază care-l aduce în starea saturată normală pentru -oxidare.

Oxidarea acizilor graşi cu număr impar de atomi de car-bon. Procesul apare în special la plante, dar într-o mică proporţie şi la animale, unde acizii graşi cu număr impar de atomi de carbon provin din hrana de origine vegetală. Degradarea are loc pe calea -oxidării până când se ajunge la un fragment final de -cetoacil cu 5 atomi de carbon, în loc de acetoacetilCoA cu 4 atomi de carbon. Prin ruperea acestuia rezultă acetil-CoA şi propionilCoA:

CH3-CH2-CO-CH2-CO-S-CoA + CoA-SH CH3-CH2-CO-S-CoA + CH3-CO-S-CoA propionilCoA

PropionilCoA este transformată în succionilCoA care intră în ciclul acizilor tricarboxilici.

Ultima enzimă necesită prezenţa celei mai complexe coenzime, deoxiadenozilcobalamina, un derivat al vitaminei B12.

Această cale de metabolizare a propionatului este importantă întrucât el poate proveni şi din degradarea a patru aminoacizi, valina, izoleucina, metionina şi treonina, ca şi din carena laterală a colesterolului.

Deficienţa în enzima metilmalonilCoAmutaza sau incapacitatea organismului de a sintetiza cofactorul necesar pornind de la vitamina B12 conduce la o stare patologică numită acidoza metilmalonică, care este fatală în prima perioadă de viaţă.

Oxidarea acizilor graşi la nivelul peroxizomilor. Peroxizomii sunt vezicule mici, ataşate de membrana multor celule animale. -oxida-rea acizilor graşi la nivelul peroxizomilor diferă de cea mitocondrială prin aceea că FADH2 este direct oxidat de O2, producând H2O2. Funcţia pero-xizomilor este mai puţin înţeleasă decât a altor organite, dar se crede că au un rol important în preluarea şi degradarea acizilor graşi cu mai mult de 18 atomi de carbon, pe care sistemul mitocondrial nu-i oxidează.

175

COOHCH3-CH-CO-S-CoACH3-CH2-CO-S-CoA + + ATP

propionilCoAcarboxilaza

AMP + PPi metilmalonilCoA

CH3-CH-CO-S-CoA COOH

metilmalonilCoAmutaza

succinilCoA

HOOC-CH2-CH2-CO-S-CoA

metilmalonilCoAepimeraza

7.3.2.5. Formarea corpilor cetonici

După cum s-a menţionat, organismul poate fi în situaţia de a folosi catabolismul acizilor graşi ca principală sursă de energie. Aceasta se întâmplă în perioadele de înfometare, când rezerva de glicogen s-a con-sumat, sau la diabetici, care nu pot reţine glucoza. În aceste situaţii celu-lele adipoase pun în circulaţie cantităţi mari de acizi graşi liberi care sunt preluaţi de ficat şi acesta produce cantităţi excesive de acetilCoA, exce-siv în sensul că se depăşeşte capacitatea de alimentare a ciclului Krebs.

Procesul prin care, în ficat, mai exact în mitocondriile hepatoci-telor, excesul de acetilCoA este convertit în acetonă, acid acetilacetic şi acid -hidroxibutiric se numeşte cetogeneză, iar aceşti produşi se numesc corpi cetonici.

2CH3-CO-S-CoA CH3-CO-CH2-CO-S-CoA + CoA-SH acetoacetilCoA

Această reacţie este inversa celei catalizate de -cetotiolaza (etapa „d“ din -oxidare).

176

Acidul acetilacetic şi acidul -hidroxibutiric pot fi folosiţi de unele celule (inclusiv cele din creier) pentru obţinerea de energie, după o transformare enzimatică în acetilCoA. Totuşi, atunci când producerea corpilor cetonici depăşeşte capacitatea de eliminare urinară şi utilizare, se instalează o stare patologică numită acidoza metabolică sau cetoza.

7.3.3. BIOSINTEZA LIPIDELOR

Biosinteza lipidelor apare mai ales ca urmare a excesului de glucide, înlocuind glicogenul cu o formă de depozitare mai convenabilă, lipidele neutre. Alcoolul şi unii aminoacizi pot de asemenea genera lipide. Biosinteza lipidelor apare la animale ca urmare a unui exces de hrană şi mai puţin pentru necesităţile reparatorii ale membranelor celulare. La plante, cu excepţia celor la care lipidele reprezintă forma de rezervă a combustibilului metabolic (oleaginoase), are loc numai pentru a asigura creşterea şi repararea structurilor membranare.

177

7.3.3.1. Biosinteza acizilor graşi

Atât în regnul vegetal, cât şi în cel animal, precursorul este acetilCoA, care poate proveni din glucide (prin decarboxilarea acidului piruvic rezultat în glicoliză), din lipide (din -oxidarea acizilor graşi), din aminoacizii glucoformatori care se transformă în acid piruvic.

În funcţie de localizarea procesului de biosinteză există două căi:- calea citoplasmatică (calea malonilCoA)- calea mitocondrială (calea elongaţiei).Principiul general respectat în ambele căi de biosinteză, atât în

regnul vegetal, cât şi animal, este acela că spre deosebire de căile metabo-lice, în care gruparea acil este vehiculată sub formă de acetilCoA, în bio-sinteză intervine un sistem multienzimatic complex, acilgras sintetaza.

Una dintre componentele acesteia este proteina purtătoare de grupări acil (Acyl Carrier Protein-ACP). Aceasta prezintă asemănări cu coenzima A, inclusiv în modul de legare a grupării acil:

P -Riboza-Adenina CoA-SH

P -Pantotenat-Cisteamina-SH

ACP P -Pantotenat-Cisteamina-SH

CH3-CO-S-CoA + HS-ACP CH3-CO-S-ACP

R-CO-S-CoA + HS-ACP R-CO-S-ACP

Biosinteza acizilor graşi pe calea malonilCoA are loc în cito-plasmă. Prima etapă constă în formarea malonilCoA prin carboxilarea acetilCoA sub acţiunea unei carboxilaze care are drept coenzimă biotina şi necesită ATP şi Mg:

CH3-CO-S-CoA + CO2 + ATP HOOC-CH2-CO-S-CoA + ADP + H3PO4 malonilCoA

178

CoA-SH

CoA-SH

Mecanismul biosintezei constă în transferul succesiv al câte unei unităţi de malonilCoA pe acetilCoA-ACP (iniţial pe acetil-ACP), elibe-rându-se câte un CO2:

CH3-CO-S-ACP + HOOC-CH2-CO-S-CoA

CH3-CO-CH2-CO-S-ACP + CO2 + CoA-SH

Urmează patru reacţii care au ca scop reducerea la acil grasCoA activat:

CH3-CO-CH2-CO-S-ACP (-cetoacil-ACP)

OH -cetoacil-ACP reductaza ׀ CH3-CH-CH2-CO-S-ACP (-hidroxibutiril-ACP)

CH3-CH=CH-CO-S-ACP (crotonil-ACP sau -enoil-ACP)

CH3-CH2-CH2-CO-S-ACP (butiril-ACP sau acil-ACP)Ciclul se poate relua având în loc de acetil-ACP, butiril-ACP,

până la acidul palmitic. În această cale rolul central revine malonil-CoA. Totuşi implicarea acetilCoA este nemijlocită în acest proces. AcetilCoA este transferată din mitocondrie (locul de producere) în citosol (locul de utilizare) printr-un proces enzimatic complex, având în vedere impermea-bilitatea membranei mitocondriale interne:

179

malonilCoA-ACP-aciltransferaza-cetoacilCoAsintaza

NADPH(H+)

NADP+

reducere

NADPH(H+)

NADP+

deshidratare

reducere

HOH

Succesiunea oxaloacetat malat piruvat este destinată transfe-rului electronilor de la NADH(H+) la NADPH(H+). O altă sursă pentru coenzima NADPH(H+) este şi şuntul pentozofosfaţilor prezentat anterior.

Cea de-a doua cale este numită şi calea elongaţiei deoarece are ca precursor acidul palmitic sintetizat în citoplasmă.

Reacţiile sunt ca şi cele prezentate la calea malonilCoA, cu excep-ţia faptului că unitatea adăugată este acetilCoA. La sfârşitul parcurgerii celor patru reacţii (acilare, reducere, deshidratare, reducere) se obţine un acid saturat cu 2 atomi de carbon în plus.

7.3.3.2. Biosinteza glicerolului

Biosinteza glicerolului are ca precursori triozele fosforilate din glicoliză:

180

C-HO׀CH2OH׀CH2-O- P

CH2-OH׀CHOH׀CH2-O- P

CH2-OH׀CHOH׀CH2OH

CH2-OH׀C=O׀CH2-OH

NADPH(H+)

NADP+

ADP

ATP

NADPH(H+)

NADP+

7.3.3.3. Biosinteza gliceridelor

Biosinteza gliceridelor foloseşte ca precursori glicerolul activat sub formă de glicerofosfat şi acizii graşi activaţi sub formă de acil gras-CoA:

Biosinteza colesterolului are ca precursor tot molecula de acetilCoA.

7.3.4. REGLAREA METABOLISMULUI LIPIDIC

Acest mecanism de reglare implică un echilibru între lipoliză (degradarea lipidelor) şi lipogeneză (biosinteza lipidelor).

În metabolismul lipidelor se pot produce diferite dereglări, cunos-cute sub numele de lipidoze, care constau în tulburări de digestie şi ad-

181

CH2-O-CO-R1

׀CH-O-CO-R2

׀CH2-O-CO-R3

CH2HO׀CHOH׀CH2OH

CH2OH׀CHOH׀CH2-O- P

CH2-O-CO-R1

׀CH-O-CO-R2

׀CH2-O- P

ATP

ADP R1-CO-S-CoA R2-CO-S-CoA -2CoA-SH

-glicerokinaza

glicerol

aciltransferaza

acid fosfatidic

CH2-O-CO-R1

׀CH-O-CO-R2

׀CH2-OH

R3-CO-S-CoA -CoA-SH

aciltransferaza

H3PO4

HOHfosfataza

’-glicerofosfat

sorbţie, tulburări ale mecanismului de mobilizare a lipidelor depozitate, tul-burări de transport sau ale etapelor chimice de catabolizare sau anabolizare.

Hiperlipemia este o stare patologică caracterizată prin creş-terea anormală a gliceridelor în sânge, ceea ce conferă acestuia un aspect lactescent.

Tulburările cauzate de depozitarea lipidelor pot fi:- sfingomielinozele (acumularea sfingomielinei în reticulul

endotelial, în celulele nervoase sau în alte ţesuturi);- cerebrozidoze (formare de cerebrozide anormale care se

depozitează în ficat şi măduva osoasă);- steatoza sau infiltraţia grasă a ficatului.

7.4. ASPECTE DE METABOLISM PROTIDIC

Protidele (în speţă proteinele şi acizii nucleici) sunt biomolecule fundamentale pentru organizarea şi funcţionarea organismului animal. Proteinele din hrană sunt preluate şi transformate în aminoacizi care sunt folosiţi ulterior la sinteza de proteine proprii organismului.

7.4.1. DIGESTIA PROTEINELOR

Schema digestiei proteinelor la monogastrice este:

Trebuie menţionat faptul că în stomac există pepsinogenul (formă inactivă) care, sub acţiunea acidului clorhidric, trece în pepsină (forma activă a acestei peptidaze), iar în duoden tripsina (care este forma activă)

182

PROTEINEALIMENTARE

ÎN STOMACLA pH=1,5-2,5

SUB ACŢIUNEAPEPSINEI(ENZIMĂ

PROTEOLITICĂ)

FRAGMENTE MOLECU-LARE PROTEICE CU

MASĂ MOLECULARĂ MAI MICĂ (POLIPEP-TIDE, PROTEOZE ŞI

PEPTONE)

ÎN DUODENLA pH=7,5-8,7

SUB ACŢIUNEATRIPSINEI ŞI

CHIMOTRIPSINEI

OLIGOPEPTIDE CU6-8 AMINOACIZI SUB ACŢIUNEA

CARBOXIPEPTIDAZEIŞI AMINOPEPTIDAZEI

DIPEPTIDEDIPEPTIDAZE

AMINOACIZI

şi se obţine în pancreasul exocrin din tripsinogen (forma inactivă) sub acţiunea enterochinazei.

De altfel, toate enzimele proteolitice care acţionează asupra macromoleculelor proteice, pe tot parcursul tractului digestiv, se clasifică în două categorii:

- endopeptidaze - enzime hidrolitice care acţionează în interiorul lanţului polipeptidic şi scindează legăturile peptidice (CO-NH), cum ar fi: pepsina, tripsina şi chimotripsina;

- exopeptidaze, care scindează lanţul polipeptidic la capete şi pot fi carboxipeptidaze (scindează hidrolitic gruparea carboxil) sau amino-peptidaze (care scindează hidrolitic gruparea NH2 de la capătul lanţului).

La poligastrice, digestia proteinelor ingerate începe în prestomace, sub acţiunea unor microorganisme rumenale care secretă enzime proteolitice şi care scindează aproximativ 50% din totalul protei-nelor ingerate. Rezultă polipeptide mici a căror hidroliză finală are loc în duoden cu formare de aminoacizi.

În sucul gastric la animalele sugare există renina, enzimă care precipită cazeina din lapte pentru ca astfel precipitată să staţioneze mai mult în stomac pentru a fi hidrolizată.

7.4.2. ABSORBŢIA PROTEINELOR

Absorbţia proteinelor se poate realiza numai sub formă de aminoacizi la nivelul intestinului subţire, printr-un fenomen de compe-tiţie, sub acţiunea unor proteine specifice dependente de ionii de Na, numite translocaze. S-au identificat în epiteliul intestinal nu mai puţin de 7 sisteme transportoare specifice care acţionează pe tipuri de aminoacizi.

O dată absorbiţi, aminoacizii ajung prin vena portă la ficat, unde o parte sunt catabolizaţi, iar altă parte sunt preluaţi de sânge şi duşi la toate celulele pentru utilizarea lor în biosinteza proteinelor hepatice, tisulare, plasmatice şi enzimatice.

Fetusul şi nou-născuţii pot absorbi şi proteine intacte prin procesul de endocitoză (pinocitoză), care constă în internalizarea unor fragmente din membrana plasmatică de care sunt legate proteinele străine şi care prezintă importanţă pentru transferul anticorpilor materni în special la mamifere.

183

7.4.3. CATABOLISMUL AMINOACIZILOR

Catabolismul aminoacizilor este procesul de degradare a aces-tora, la nivel celular, printr-una din următoarele căi generale de catabo-lizare:

I. deaminarea;II. decarboxilarea;III. transaminarea.

I - Deaminarea este procesul enzimatic de degradare a amino-acizilor prin care aceştia pierd gruparea amino (NH2), rezultând amoniac şi un alt compus. În acest proces acţionează aminoacid deaminazele (AAD), enzime din clasa liazelor.

În funcţie de mecanismul de deaminare, există patru posibilităţi de desfăşurare a acestui proces:

a. Deaminarea oxidativă:

Aceiaşi produşi se obţin şi în prezenţa altei dehidrogenaze depen-dente de NADP+.

b. Deaminarea hidrolitică

184

aminoacidoxidaza + HOHR׀CH-NH2

׀COOH

-cetoacid

R׀C=NH׀COOH

R׀C=O + NH3

׀COOH

FMN

FMNH2

H2O2

O2

HOHR׀CH-NH2

׀COOH

-cetoacid

R׀C=O + NH3

׀COOH

NADP+

NADPH(H+)

R׀CH-NH2 + HOH׀COOH

-hidroxiacid

R׀CH-OH + NH3

׀COOH

NAD+NADH(H+)

c. Deaminarea reductivă caracteristică bacteriilor

d. Deaminarea intramoleculară

II - Decarboxilarea aminoacizilor este procesul enzimatic care are loc sub acţiunea aminoacildecarboxilazelor şi prin care aminoacizii pierd gruparea carboxil sub formă de dioxid de carbon. Rezultă produşi numiţi amine biogene.

Aminele biogene au funcţii specifice. De exemplu, histamina, provenită din decarboxilarea histidinei, este localizată mai ales în granu-lele mastocitelor, în plachetele sanguine, în leucocitele bazofile. Induce creşterea permeabilităţii capilarelor, este vasodilatator, produce contracţia muşchilor netezi, creşte secreţia nazală, lacrimală şi bronşică. Tiramina provine din tirozină şi este prezentă în brânzeturile fermentate. Exercită acţiuni antagoniste histaminei.

185

COOH׀ CH2

׀ H-C-NH2

׀ COOHacid aspartic

COOH׀CH׀׀CH׀COOH

acid fumaric

AAD+ NH3

R׀ CH-NH2

׀ COOH

R׀CH2

׀NH2

CO2

R׀CH-NH2 + H2

׀COOH

R׀CH2 + NH3

׀COOH

acid carboxilic

Prin decarboxilarea aminoacizilor cu mai multe grupări amino (poliaminici, de exemplu lisina sau arginina) rezultă poliamine, substanţe cu rol esenţial în controlul biosintezei acizilor nucleici şi a proteinelor. La plante aminele biogene intervin nu numai în reglarea biosintezei protei-nelor şi acizilor nucleici, dar constituie precursori pentru biosinteza unor alcaloizi (ornitina pentru cocaină, cadaverina pentru sparteină).

III - Transaminarea este reacţia reversibilă prin care gruparea amino este transferată de pe un aminoacid pe un -cetoacid, cu formarea unui alt aminoacid şi a unui alt -cetoacid, transferul fiind realizat de enzimele numite transaminaze. Toate transaminazele au drept cofactor un derivat al vitaminei B6, piridoxalfosfatul, care funcţionează ca accep-tor intermediar al grupării amino:

Transaminarea este cea mai comună reacţie care implică amino-acizii liberi şi numai treonina şi lisina nu participă la astfel de reacţii. Un cuplu obligatoriu prezent este acidul glutamic - acid -cetoglutaric:

186

CHO

CH2OHO

H3C

piridoxalfosfatul

COOH׀CH2

׀CH2 +׀CH-NH2

׀COOH

ac. glutamic(Glu)

CH3

׀C=O׀COOH

ac. piruvic

COOH׀CH2

׀CH2 +׀C=O׀COOH

ac. -cetoglutaric

CH3

׀CH-NH2

׀COOH

alanina(Ala)

glutamat-piruvat transaminaza(GPT)

COOH׀CH2

׀CH2 +׀CH-NH2

׀COOH

Glu

COOH׀C=O׀CH2

׀COOH

ac. oxalilacetic

COOH׀CH2

׀CH2 +׀C=O׀COOH

ac. -cetoglutaric

COOH׀CH-NH2

׀CH2

׀COOH

ac. aspartic(Asp)

glutamat-oxalilacetat transaminaza(GOT)

Distribuţia unora dintre transaminaze în anumite ţesuturi animale este utilizată ca diagnostic prin determinarea cantităţii de enzimă eliberată datorită lezării ţesutului hepatic.

Trebuie menţionat că transaminarea este un proces complex de degradare şi sinteză a aminoacizilor, întrucât permite biosinteza altor aminoacizi pe baza cetoacizilor proveniţi din hrană sau din alte procese metabolice.

7.4.4. METABOLISMUL AMONIACULUI

Amoniacul, care se formează la nivel celular prin deaminarea aminoacizilor, din diferite amine biogene sau din catabolizarea baze-lor azotate (componente structurale ale acizilor nucleici), este un compus toxic pentru organismul viu (mai ales pentru sistemul nervos central). De aceea organismul viu posedă mecanisme eficiente şi rapide de blocare şi eliminare a amoniacului toxic, de fapt mecanisme de detoxifiere, care pot fi de două feluri:

a) transformarea amoniacului toxic în uree netoxică (ciclul ureogenetic) şi eliminarea acesteia pe cale renală;

b) transformarea amoniacului toxic în glutamină, substanţă netoxică.

a) Transformarea amoniacului în uree se realizează prin pro-cesul de ureogeneză, la nivel hepatic.

Ciclul ureogenezei, ca şi cel al acizilor tricarboxilici, a fost descoperit de Sir Hans Krebs; ciclul începe şi se termină cu ornitina într-o succesiune de doar patru reacţii enzimatice ce se desfăşoară în mitocondrie.

Mai întâi amoniacul intră în ciclu după condensare cu bicarbo-natul (forma de vehiculare a CO2), când rezultă carbamoilfos-fatul. Acesta reacţionează cu ornitina, formând citrulina. Citrulina reac-ţionează cu aspartatul şi rezultă argininosuccinatul care va fi scindat în

187

arginină şi acid fumaric. Prin hidroliza argininei se eliberează ureea şi se reface ornitina.

Schema generală a ciclului ureogenetic este:

b) Transformarea amoniacului în glutamină este procesul de detoxifiere al organismului viu prin care amoniacul este blocat de acidul glutamic şi rezultă glutamina, compus netoxic:

Glutamina intervine în menţinerea echilibrului acido-bazic la nive-

lul rinichiului şi furnizează atomii de azot necesari biosintezei bazelor azotate adenină şi guanină.

La unele specii de păsări, reptile, nevertebrate, amoniacul se elimină sub formă de acid uric:

188

COOH׀ CH2

׀ CH2 + NH3

׀ HC-NH2

׀ COOH

acid glutamic

ATP

H2O

glutamina

C ׀ CH2

׀ CH2

׀ HC-NH2

׀ COOH

O

NH2

7.4.5. CATABOLISMUL ACIZILOR NUCLEICI

Acizii nucleici sunt polinucleotide, nucleotidele fiind componente structurale ale compuşilor macroergici (ATP, GTP,CTT, TTP şi UTP) şi totodată unităţile monomere constituente ale acizilor nucleici.

Schema generală a catabolismului acizilor nucleici este urmă-toarea:

Pentozele rezultate din catabolismul acizilor nucleici se absorb la nivelul intestinului subţire.

Bazele azotate insolubile în mediul apos din intestin se absorb foarte greu. Degradarea bazelor azotate se face pe următoarele căi:

a) degradarea bazelor azotate purinice - la om, maimuţă, păsări, reptile, câine dalmaţian degradarea acestora este calea metabolică de for-mare a acidului uric. Acidul uric se biosintetizează în ficat, funcţia res-pectivă denumindu-se uricopoeză şi se elimină pe cale renală. La marea majoritate a mamiferelor produsul final îl constituie alantoina care pro-vine din transformarea enzimatică a acidului uric sub acţiunea uricazei.

Schema generală de biosinteză a acidului uric este:

189

ACIZI NUCLEICIDIN HRANĂ

(POLINUCLEOTIDE)

ÎN DUODEN

SUB ACŢIUNEADEOXIRIBO-NUCLEAZELOR,RIBONUCLEA-ZELOR ŞI A APEI

MONONUCLEOTIDE(BAZĂ AZOTATĂ +PENTOZĂ + H3PO4)

H3PO4

SUB ACŢIUNEANUCLEOTIDAZELOR

NUCLEOZIDE

H2O

SUB ACŢIUNEANUCLEOZIDAZELOR

BAZE AZOTATEPURINICE (A şi G)

PIRIMIDINICE (U,T,C)

PENTOZERIBOZĂ

DEOXIRIBOZĂ

La om concentraţia fiziologică de acid uric din sânge este de 2-5 mg/100 ml sânge, valorile mărite (hiperuricemia) înregistrându-se în afecţiunea numită gută, care se manifestă prin depuneri de urat mono-sodic în cartilaje şi tendoane.

b) degradarea (catabolismul) bazelor pirimidinice:Citozina suferă un proces de deaminare şi trece în uracil, iar din

metil-citozină rezultă timina.Atât uracilul, cât şi timina se degradează printr-o secvenţă de

reacţii cu formare în final de -alanină, respectiv -aminobutirat

.

7.4.6. BIOSINTEZA ACIZILOR NUCLEICI

Precursorii imediaţi în biosinteza ADN şi ARN sunt nucleozid-5' fosfaţii, prezenţi în stare liberă în nucleul celular, iar enzimele implicate sunt ADN şi ARN-nucleotidil-transferazele.

190

+H3N CH2 CH COO ׀ CH3

7.4.6.1. Biosinteza ADN

Este procesul care se realizează înainte de fiecare diviziune celulară, asigurând transmiterea informaţiei genetice din generaţie în generaţie şi necesită existenţa unei molecule de ADN ce funcţionează ca tipar (model), purtând numele de ADN „primer“.

Procesul de biosinteză a ADN constă în două etape principale:- despiralizarea moleculei de ADN „primer“ la un capăt prin

ruperea legăturilor de hidrogen dintre bazele azotate complementare, rezultând două catene (lanţuri) polinucleotidice care nu se desprind din macromolecula de ADN „primer“ (se formează furca replicativă);

- pe fiecare catenă polinucleotidică despiralizată, ce serveşte ca matriţă, se sintetizează o catenă nouă, „replică“, care copiază succesiunea de baze azotate într-o manieră complementară (adenină-timină, guanină-citozină). Rezultă astfel două molecule de ADN hibrid, nou sintetizate, care conţin fiecare câte un lanţ polinucleotidic vechi, din molecula de ADN-„mamă“ şi câte un lanţ nou - „fiica“, complementar şi antiparalel, „replică a mamei“.

191

ADN„primer“

furca replicativă

catenă „fiică“

catenă „mamă“

catenă „fiică“

catenă „mamă“

lanţ nou

lanţ vechi

1 2 3 4

Figura 7.1 - Schema replicării semiconservative a ADN1 - ADN „primer“2 - DESPIRALIZAREA CATENEI MAMĂ3 - FORMAREA CATENELOR FIICE PRIN COPIEREA SUCCESIUNII DE BAZE AZOTATE ÎNTR-O MANIERĂ COMPLEMENTARĂ4 - MOLECULE DE ADN HIBRID

Procesul acesta se mai numeşte replicare, deoarece catena nou formată nu este identică cu matriţa, ci este o replică a acesteia care conţine bazele azotate complementare. Totodată biosinteza ADN este semiconservativă, deoarece molecula de ADN „primer“ se conservă, ea regăsindu-se în moleculele noi de ADN sub forma câte unui lanţ poli-nucleotidic.

După încetarea biosintezei, fiecare moleculă de ADN hibrid suferă o rotaţie în jurul axei proprii, rezultând astfel structura dublu elicoidală, specifică moleculei de ADN bicatenar.

Tot procesul replicativ al biosintezei ADN se află sub controlul unor enzime specifice ca: topoizomeraza, helicaza, ADN-polimeraza, cât şi a ionilor de Mg2+.

Energia necesară acestei biosinteze este furnizată de scindarea legăturilor macroergice ale fiecărui nucleotid trifosforilat ce participă la biosinteză şi care trece în deoxiribonucleotid monofosforilat:

ndATP dAMPndGTP dGMP ndCTP dCMPndTTP dTMP

7.4.6.2. Biosinteza ARN

Deoarece moleculele de ARN nu se pot autoreplica, pentru biosin-teza lor este nevoie tot de ADN „primer“ ca matriţă şi de enzima specifică ADN-polimeraza.

192

ADN-polimeraza

Mg2+

ADN „primer“n ADN „primer“

+ 4nH4P2O7 + E

După despiralizarea lanţului de ADN „primer“, pe fiecare catenă polinucleotidică se sintetizează o moleculă monocatenară de ARN, res-pectând principiul complementarităţii bazelor azotate, cu excepţia faptului că timina din ADN este înlocuită cu uracil. După o scurtă coexistenţă, acidul nucleic hibrid ADN-ARN se desface, ARN este translocat în citoplasmă unde îşi exercită rolul.

Biosinteza macromoleculelor de ARN şi în mod special a celor de ARNm are loc prin transcripţie, proces în care are loc transferul infor-maţiei genetice din ADN la molecula de ARNm nou sintetizată prin copierea secvenţei de nucleotide corespunzătoare. Enzima care recunoaşte pe una din catenele de ADN-activ punctul de iniţiere (promotorul) biosin-tezei ARNm este ARN-polimeraza. Această enzimă determină despirali-zarea şi desfacerea parţială a celor două catene de ADN din unitatea de transcriere, adică din regiunea în care este înscrisă informaţia genetică răspunzătoare de sinteza proteinei specifice. O dată rupte legăturile de hidrogen, enzima poate realiza biosinteza noului lanţ poliribonucleotidic, utilizând ribonucleotidele trifosforilate existente în nucleu. Acestea stabi-lesc legături de hidrogen cu bazele complementare de pe catena matriţă, iar enzima realizează stabilirea legăturilor 3' - 5' fosfodiesterice, cu pune-rea în libertate a pirofosfatului, energia eliberată fiind utilizată în forma-rea noului lanţ nucleotidic. Biosinteza are loc în sensul 5' - 3'.

În momentul în care ARN-polimeraza a parcurs întreaga unitate de transcriere, lanţul poliribonucleotidic nou sintetizat, respectiv molecula ARNm, se desprinde de pe catena matriţă a ADN-activ care l-a codificat, iar cele două catene ale ADN îşi refac legăturile de hidrogen. Molecula de ARNm trece în citoplasmă sub formă de complex ribonucleoproteic, denu-mit şi informozom.

Mecanismele de biosinteză a celorlalte două tipuri de ARN (ribo-zomal şi de transfer) sunt aceleaşi ca pentru ARNm, dar fiecare tip este codificat de regiuni bine determinate de pe una din catenele ADN, diferite

193

de cele care codifică ARNm. Biosinteza ARNr are loc în nucleol, transcri-erea lui fiind realizată de ADN nucleolar. Imediat ce este sintetizat, ARNr

se asociază cu proteine, constituind fibrilele nucleolare.

7.4.7. BIOSINTEZA PROTEINELOR

7.4.7.1. Codul genetic

Macromoleculele de ADN din cromozomi reprezintă suportul material al informaţiei genetice, al transmiterii caracterelor ereditare din generaţie în generaţie. O serie de constatări dovedesc acest lucru:

- La organismele superioare există o corelaţie între cantitatea de ADN din celulă şi cantitatea de informaţii genetice. Astfel, cantitatea de ADN conţinută în nucleii celulelor somatice, diploide (cu 2n cromozomi) este de două ori mai mare faţă de cea conţinută în nucleii gameţilor, haploizi (cu n cromozomi).

- Agenţii fizici sau chimici care pot să producă mutaţii sunt capa-bili să altereze structura ADN.

- S-a constatat că prin transferul unor fragmente de ADN de la un organism la altul se transmit şi caracterele ereditare corespunzătoare.

- Infecţia virală.Genele sunt purtătoarele fiecărei informaţii genetice, a fiecărui

caracter ereditar. Fiecare genă reprezintă un fragment de ADN în care informaţia genetică este codificată printr-o secvenţă caracteristică a nucleotidelor. Ea este cea care permite celulei biosinteza unei proteine specifice. Aşa se explică de ce o mutaţie la nivelul unei gene se traduce printr-o proteină modificată, urmată de dispariţia sau alterarea activităţii biologice a acesteia. Dar o mutaţie poate avea şi un efect favorabil, con-ferind organismului un caracter benefic. Evoluţia speciilor are la bază tocmai selecţia naturală a mutaţiilor favorabile.

Biosinteza proteinelor specifice şi, deci, transferul de informaţii, conform regulei „o genă o enzimă“ sau mai corect „o genă un lanţ polipeptidic“, se realizează cu participarea directă a celor trei tipuri de ARN. Au loc, astfel, următoarele transferuri de informaţii:

- Transfer ADN ADN. Prin replicare, în procesul de biosin-teză a ADN, are loc conservarea informaţiei genetice.

194

- Transfer ADN ARN. Prin transcripţie are loc transmiterea informaţiei de la ADN la diversele tipuri de ARN şi în primul rând la ARNm.

- Transfer ARN proteină. Prin translaţie are loc biosinteza proteinei specifice, conform informaţiei conţinute în ARNm.

În afară de acestea, la virusuri cu ARN mai există două posibi-lităţi:

- Transfer ARN ARN. În acest fel are loc replicarea geno-mului ribonucleic.

- Transfer ARN ADN. Un genom ribonucleic poate fi astfel integrat în genomul deoxiribonucleic al celulei gazdă, parazitate.

Toate aceste transferuri de informaţii de la ADN la proteină prin intermediul ARN au loc conform codului genetic. Acesta este constituit din codoni. Un codon reprezintă o succesiune de trei nucleotide care codifică un aminoacid. În biosinteza unei proteine, aminoacizii se succed exact în ordinea în care se succed codonii în ARNm.

Există 64 de codoni (4 nucleotide luate câte 3 reprezintă 43 = 64 de posibilităţi). Din totalul lor doar 61 de codoni codifică aminoacizi. Cum nu există decât 21 de aminoacizi, înseamnă că sunt mai mulţi codoni care pot codifica acelaşi aminoacid. Aceştia poartă numele de codoni sinonimi. În structura codonilor sinonimi primele două nucleotide sunt aceleaşi, numai al treilea nucleotid diferă. Această structură reprezintă factorul de stabilitate genetică ce permite ca înlocuirea unei singure baze azotate cu alta la nivelul celui de al treilea nucleotid să nu aibă repercusiuni asupra naturii aminoacidului codificat, deci să nu inducă o mutaţie. Există şi trei codoni non-sens, care nu codifică nici un aminoacid. Ei indică sfârşitul mesajului, al informaţiei genetice. Un codon non-sens dictează încetarea transferului de aminoacizi, sfârşitul biosintezei proteinei.

Codul genetic este universal, de la virusuri şi bacterii până la plante şi animale superioare, inclusiv om.

Mecanismul codificării se realizează prin transcripţie şi translaţie.7.4.7.2. Etapele biosintezei proteinelor

Proteinele sunt modul de expresie a informaţiei genetice şi, ca atare, rolul major în biosinteza lor îl joacă acizii nucleici. Este necesar transferul de informaţie de la ADN prin intermediul ARNm până la molecula proteică. Biosinteza unei proteine implică, deci, cele două pro-cese ale codificării, transcripţia şi translaţia.

195

ADN ARNm Proteină

Aşa cum s-a arătat, prin transcripţie are loc biosinteza ARNm, cu transcrierea exactă a succesiunii de codoni (de nucleotide) ai genei din ADN în molecula monocatenară a ARNm. Aceasta conţine exact aceeaşi succesiune de codoni care permite biosinteza unei proteine specifice genei respective. Uneori, moleculele de ARNm sunt policistronice, rezultând prin transcrierea mai multor gene (cistroni) şi includ informaţia necesară pentru biosinteza mai multor proteine. Acesta este cazul enzimelor care participă într-o secvenţă de reacţii metabolice, iar genele lor corespun-zătoare sunt grupate într-un operon.

Biosinteza propriu-zisă a proteinelor, asamblarea aminoacizilor în lanţul polipeptidic în ordinea dictată de ARNm au loc în procesul de translaţie.

Prin translaţie are loc descifrarea codului genetic, transformarea succesiunii de codoni (nucleotide) în succesiune de aminoacizi. Cu alte cuvinte, are loc traducerea limbajului codonilor în limbaj al amino-acizilor.

Translaţia are la bază acelaşi principiu fundamental al replicării ADN sau al transcripţiei ARNm şi anume complementaritatea bazelor azotate. Decodificarea sau recunoaşterea codonilor din ARNm şi asam-blarea aminoacizilor în succesiunea dictată de acesta sunt realizate de către ARN de transfer. Fiecare ARNt se caracterizează printr-un anumit anticodon specific. Prin acest anticodon ARNt respectiv, care poartă legat aminoacidul specific, va recunoaşte codonul corespunzător din structura ARNm. În felul acesta, pe baza complementarităţii specifice între codonii succesivi ai ARNm şi anticodonii ARNt se asigură încorporarea ordonată, corectă, conform informaţiei genetice, a aminoacizilor în proteina ce se sintetizează. ARN de transfer joacă rolul unui adaptor molecular: pe de o parte recunoaşte şi leagă aminoacidul specific corespunzător anticodo-nului caracteristic, iar pe de altă parte transportă acest aminoacid la nivelul lanţului polipeptidic unde este încorporat în locul corect, specificat de codonul complementar din ARN mesager.

Acest mecanism de translaţie, respectiv de biosinteză a proteinelor implică următoarele etape principale:

- activarea aminoacizilor

196

Transcripţie Translaţie

- iniţierea lanţului polipeptidic- elongaţia (alungirea lanţului polipeptidic)- terminarea biosintezei lanţului polipeptidic şi eliberarea

protei-nei native.În desfăşurarea acestor etape sunt implicaţi o serie de componenţi

specifici, factori absolut necesari:- aminoacizi- ARN de transfer, ATP, Mg2+, aminoacil-sintetază- ARN mesager- unităţi ribozomale 30S şi 50S asamblate sub formă de ribozomi

funcţionali 80S sau 70S, care la rândul lor se ataşează pe ARNm şi formează agregate numite poliribozomi sau polizomi; fiecare ribozom funcţional are două situsuri: unul denumit situs A (acceptor), pentru fixarea aminoacil-ARNt, iar celălalt denumit situs P (peptidil sau donator) pentru fixarea peptidil-ARNt

- GTP ca furnizor al energiei necesare diferitelor reacţii de iniţi-ere, alungire, de eliberare a lanţului polipeptidic

- o serie de alţi factori ce intervin în procesele de iniţiere, alun-gire şi eliberare a lanţului polipeptidic, ei înşişi fiind de natură proteică.

Activarea aminoacizilorPrima etapă în biosinteza proteinelor este reprezentată de o succe-

siune de două reacţii catalizate de aceeaşi enzimă numită aminoacil-ARN t

-sintetază, caracteristică pentru fiecare aminoacid în parte ce urmează să participe în structura proteinei.

Într-o primă reacţie, aminoacidul este activat cu ATP şi transfor-mat în aminoacil-AMP legat de enzimă. În felul acesta are loc ridicarea aminoacizilor la un potenţial energetic foarte înalt, necesar pentru a asigura stabilirea legăturilor peptidice între ei. În continuare, aminoacidul astfel activat este legat la molecula de ARNt specific, la capătul la care succesiunea de nucleotide este CCA. Paralel are loc eliberarea AMP. Se formează, astfel, complexul aminoacil-ARNt, cu participarea aceleiaşi enzime, aminoacil-ARNt-sintetaza.

aa1 + ATP aa1 AMP E1 aa1 ARNt1

197

aminoacil-ARNt-sintetază (E1)

Mg2+

PPa

ARNt1

AMP E1

Aminoacil - ARNt - sintetaza este enzima care recunoaşte pe de o parte aminoacidul corespunzător, ea neputând cataliza decât activarea acestuia. Pe de altă parte, ea recunoaşte şi ARNt corespunzător, de care poate lega numai aminoacidul pe care l-a activat şi nu altul. Această enzimă conferă o înaltă specificitate absolut necesară pentru evitarea ero-rilor în biosinteza proteinelor. Celula nu dispune de un alt mecanism de control prin care să verifice natura aminoacidului şi să evite încorporarea unui aminoacid eventual incorect fixat. În fiecare celulă există cel puţin 20 de tipuri de enzimă aminoacil - ARNt - sintetază, câte un tip pentru fiecare aminoacid pe care îl recunoaşte şi îl activează ca aminoacil-ARNt. Sub această formă, fiecare aminoacid este transportat la polizomi, locul de biosinteză, de încorporare în lanţul proteic.

Iniţierea biosintezei lanţului polipeptidicÎn această etapă participă ribozomii, ARN mesager, o serie de

factori de iniţiere care asamblează ribozomii pe ARNm formând poli-zomii, concomitent cu recunoaşterea codonului de iniţiere a biosintezei de către metionin - ARNt, la capătul 5' al ARNm.

Elongaţia lanţului polipeptidicÎn această etapă are loc formarea treptată a legăturilor peptidice

între aminoacizi, care conduc la biosinteza lanţului polipeptidic.O dată cu fixarea primului aminoacil-ARNt pe ribozomi la situsul

P (peptidil) are loc selectarea următorului aminoacil-ARNt şi fixarea sa la situsul A cu anticodonul corespunzător cu codonul de pe ARNm. Această fixare necesită energie furnizată de GTP, precum şi o serie de factori de elongaţie.

Formarea legăturilor peptidice, catalizată de o peptidil-transferază sau peptid-sintetază, are loc între gruparea amino - NH2 a aminoacidului nou adus şi gruparea carboxil - COOH a celui legat deja în lanţul peptidic iniţiat. Lanţul peptidic se sintetizează de la capătul său -NH2 terminal spre cel -COOH terminal. Noul lanţ peptidic format rămâne legat de ARN t

specific ultimului aminoacid, în situsul P.

198

În continuare are loc translocarea peptidil-ARNt pe situsul P pe seama energiei furnizate prin hidroliza GTP. În acelaşi timp, ribozomul se deplasează faţă de ARNm pentru a permite codonului următor să fixeze în situsul A un aminoacil-ARNt cu anticodonul complementar. Urmează aceeaşi succesiune de reacţii care conduc la stabilirea unei noi legături peptidice. Procesul continuă până la traducerea întregului mesaj înscris în molecula de ARNm. Citirea acestui mesaj se face de la capătul 5' spre cel 3' al ARNm. Moleculele de ARN de transfer eliberate trec în citoplasmă şi participă la legarea şi transportul altor molecule de aminoacizi la locul de biosinteză a proteinei respective.

Încetarea biosintezei proteiceÎntreruperea procesului de elongaţie este determinată de apariţia

codonilor non-sens din molecula ARNm pe ribozomul funcţional. Aceşti codoni pun punct mesajului, biosinteza lanţului polipeptidic este sistată şi, în acelaşi timp, se rupe legătura acestuia cu ARNt care a transportat ulti-mul aminoacid. Proteina astfel sintetizată este pusă în libertate cu confi-guraţia tridimensională caracteristică. Se consideră că mai ales distribuţia resturilor de cisteină, precum şi a aminoacizilor hidrofobi sunt factori ce determină configuraţia spaţială care se stabileşte chiar în timpul proce-sului de elongaţie.

199

O dată cu eliberarea proteinei native are loc şi eliberarea ribozo-milor de pe ARNm, precum şi a ARNt, aceştia putând relua procesul de biosinteză al unei alte proteine.

7.5. INTERCONEXIUNI METABOLICE

7.5.1. CONSIDERAŢII GENERALE

Metabolismul, respectiv totalitatea reacţiilor enzimatice de degradare şi sinteză care se petrec în organismul viu, se caracterizează printr-o mare diversitate biochimică.

Transformările metabolice implică o interconexiune a diferite-lor reacţii biochimice exprimată pe baza unor corelaţii care au carac-ter unitar şi integrativ. Corelaţiile metabolice se stabilesc prin apariţia unor metaboliţi comuni şi prin căi metabolice comune între catabo-lismul şi anabolismul biomoleculelor ce aparţin diferitelor clase de compuşi biochimici.

Anumiţi metaboliţi comuni, ca de exemplu acetilcoenzima A, rezultată din metabolismele intermediare, constituie puncte de interfe-renţă (de răscruce) ale acestor căi.

De asemenea, unele căi metabolice reprezintă căi comune pen-tru diferite secvenţe de reacţii biochimice, ca de exemplu Ciclul Krebs, care este definit în acest context ca fiind calea comună majoră de metabolizare a glucidelor, lipidelor, protidelor.

200

7.5.2. EXEMPLE DE CORELATII (INTERCONEXIUNI) METABOLICE

CORELAŢIA ÎNTRE METABOLISMUL GLUCIDIC-LIPIDIC-PROTIDIC ( SCHEMĂ)

201

GLUCIDE

OZE (Glucoză)

Glicoliza

BIOSINTEZĂ

BIOSINTEZĂ

CORPICETONICI

COLESTEROL

LIPIDE

ACIZI GRAŞI

-oxidare

ACETIL-CoA

CICLULKREBS

RESPIRAŢIACELULARĂ

FOSFORILAREAOXIDATIVĂ

PROTIDE

AMINOACIZIdeaminare

transaminare

-CETOACIZI(ACID PIRUVIC)

(ACID -CETOGLUTARIC)ACID OXALILACETIC

ACIDFUMARIC

ACIDOXALILACETIC

ACIDASPARTIC

BIOSINTEZĂ

BAZE AZOTATEPURINICE ŞI

PIRIMIDINICE

+

CICLULUREOGE-

NETIC

deaminare

BIBLIOGRAFIE SELECTIVĂ

1. ALBERTS B., BRAY D., LEWIS J., RAFF M. - Molecular Biology of the Cell, Garland, New York, 1999.

2. CHAMPBELL P., SMITH A. - Biochemistry Illustrated, Churchill Livingstone, London, 2000.

3. CHEFTEL J.C. et CHEFTEL H. - Introduction a la biochimie et a la technologie des alimentes, Technique et Documentation, Paris, 1992.

4. CHIRILĂ R. - Biochimie vegetală, Ed. Printech, Bucureşti, 2000.

5. DAVIDSON V., SITTMAN D. - Biochemistry, Harwal Publ., Philadelphia, 1994.

6. GÂRBAN Z. - Noţiuni de biologie moleculară, Ed. Eurobit, Timişoara, 1997.

7. IONESCU E., ŞERBAN M. - Biochimie animală, Ed. Fundaţiei România de Mâine, Bucureşti, 2001.

8. LEHNINGER A., NELSON D., COY M. - Principles of Biochemistry, Worth Publ., New York, 2000.

9. PAPUC C., ŞERBAN M. - Biochimie structurală, Ed. Printech, Bucureşti, 2003.

10. POP A., ŞERBAN M. – Elemente de biochimie veterinară, Ed. Printech, Bucureşti, 1999.

11. ROŞOIU N., ŞERBAN M. - Biochimie medicală, Ed. Muntenia, Constanţa, 2003.

12. STREYER L., BERG J., TIMOCZOKO J. - Biochemistry, W. Freeman Comp., New York, 2002.

13. ŞERBAN M. - Biochimie medicală veterinară, Ed. Didactică şi Pedagogică, Bucureşti, 1982.

202