1. Celule si genomuri

Cercetarile din ultimul deceniu au aratat ca toate organsimele vii sunt formate din celule: unitati mici, delimitate de membrane, continand o solutie apoasa de substante chimice si inzestrate cu capacitatea de a se replica.Se estimeaza ca exista 10-100 de milioane de specii pe Pamant, fiecare reusind, prin fenomenul numit ereditate sa isi transmita caracteristicile catre urmasi. Fie ca vorbim de organisme unicelulare sau parte a unui organism multicelular, celula este baza acestui fenomen, avand posibilitatea sa adune materiile prime din mediul incojurator si sa creeze o noua celula identica ei.Fiecare celulele stocheaza informatia sub forma de ADN, polimeri lungi, neramificati, formati din monomeri numiti nucleotide. Doi polimeri se rotesc unul in jurul celuilalt, for dublux helix ADN. Fiecare nucleotida este formata dintr-un zahar (deoxiriboza) avand atasat de el o grupare fosfat, si o baza azotata (adenina - A, guanina - G, citozina C, sau timina - T). In celula vie, AND-ul este sintetizat pe un sablon format de o catena ADN preexistenta, prin complementaritate (A cu T si C cu G). Pentru a-si indeplini functiile, ADN-ul trebuie sa se replice si trebuie sa isi exprime informatia pentru sinteza altor molecule din celula. Procesul de exprimare al informatiei are loc prin transcriptie: sinteza de ARNm, care apoi prin translatie vor determina sinteza de proteine. ARN-ul are o structura foarte asemanatoare ADN-ului, deoxiriboza fiind inlocuita de riboza si timina de uracil.Proteinele sunt polimeri neramificati formati din monomeri numiti aminoacizi (20 de tipuri). In urma evolutiei, secventele de aminoacizi au fost selectate astfel incat proteinele au functii specifice in urma foldarii tridimensionale: functie enzimatica, rol structural, generarea miscarilor, captarea semnalelor, etc. informatia de pe molecula ARN este citita in grupuri de 3 nucleotide o data: un triplet, numit si codon, fiecarui aminoacid corespunzandu-i unul sau mai multi codoni. Codonii sunt cititi de catre ARNt, care identifica aminoacizii necesari si ii leaga.Fiecare segment ADN care codifica o proteina sau un fragment ARN reprezinta o gena. In cadrul celulelor, expresia individuala a genelor este reglata in functie de nevoi. Astfel, genomul celulei (totalitatea informatiei genetice) dicteaza atat tipul de proteine, dar si cand si unde acestea vor fi sintetizate. Numarul minim de gene pentru o celula viabila este probabil aproximativ 300, desi exista aproximativ 60 de gene in setul de baza, existent in toate speciile vii.O celula vie este un sistem chimic dinamic, care are nevoie pentru a creste si a se replica atat de materii prime, cat si de energie libera din mediul inconjurator. Astfel, pentru sintea ADN, ARN si a proteinelor, celula are nevoie de molecule mici, de zaharuri, nucleotide, aminoacizi, dar si de alte substante cum ar fi ATP, atat pentru sinteza cat si pentru energia libera pe care o stocheaza, necesara unei mari majoritati a reactiilor chimice din interiorul celulei.O alta caracteristica universala este ca celula este delimitata de o membrana plasmatica, cu rol de bariera selectiva, permitand celulei sa concentreze nutrientii, sa retina produsii de sinteza si sa elimine substantele care nu sunt necesare. Lipidele care alcatuiesc membarna formeaza un bistrat datorita proprietatilor lor amfifile (o parte hidrofoba si o parte hidrofila). Inserate in acest bistrat lipidic avem proteine, cu rol in transportul transmembranar.

Organismele vii isi pot obtine energia libera sub mai multe forme Organisme organotrofe: animalele, fungii, unele bacterii, prin hranire cu alte vietati sau compusii chimici pe care acestia ii produc Organisme fototrofe, care folosesc energia solara: bacterii, plante, alge Organisme litotrofe isi obtin energia direct din substantele anorganice din mediuProteinele, ADN-ul si ARN-ul sunt formate din doar 6 elemente: H, C, N, O, S si P, care desi exista din belsug in atmosfera, apa si sol, nu se gasesc in forme care sa permita incorporarea facila in molecule biologice. Astfel, o mare parte din celule au nevoie de alte celule sa le furnizeze aceste elemente: de exemplu, animalele depind de plante ca sursa pentru compusi organici cu carbon si azon, iar plantele au nevoie de unele tipuri de bacterii pentru procurarea azotuluiOrganismele vii pot fi clasificate, dupa forma nucleului in eucariote si procariote. Astfel, eucariotele(plante, animale, fungi) prezinta nucleu, un compartiment separat printr-o membrana in care isi pastreaza materialul genetic, iar procariotele (bacterii, archaea) nu au un compartiment distinct pentru materialul genetic.Majoritatea celulelor procariote sunt mici, de forma sferica sau de bastonas, cu dimensiuni de cativa micrometri. De cele mai multe ori, prezinta un perete celular extern, rezistent, sub acesta membrana plasmatica cu un singur compartiment care contine ADN, ARN, proteine si alte molecule mici. Ele traiesc intr-o varietate de medii, si au variabilitati extraordinare in metabolismul lor, putand folosi aproape orice tip de molecula organica, lumina solara, cat si CO2 sau H2S.Secventierea genomului ne-a aratat ca putem impartii lumea vie in 3 mari categorii: eucariote, bacterii si archaea, ultimele doua fiind pentru o lunga perioada de timp clasificate impreuna.In urma stocarii sau replicarii materialului genetic pot aparea accidente si erori care altereaza succesiunea de nucleotide, aparand astfel mutatii care pot afecta celulele fiice in mai multe moduri: pot produce schimbari care ofera celulei un avantaj, iar astfel de mutatii tind sa fie perpetuate, mutatii care nu au niciun rol major in celula, care pot fi perpetuate sau nu, si mutatii care afecteaza grav celula, ducand la moartea acesteia. Prin cicluri repetate de mutatii si selectie naturala, organismele evolueaza prin schimbarea materialului genetic, facandu-le mai eficiente in relatia cu mediul si in conflictul cu organismele din jur. Unele parti ale genomului se schimba mai greu decat altele, in functie de rolul lor in cadrul dezvoltarii celulei, rezultand astfel gene inalt conservate.Genele noi apar prin modificari aparute celor existente, prin urmatoarele mecanisme: Mutatii intragenice din timpul replicarii ADN Duplicatia genelor Amestecul segmentelor ADN a doua sau mai multe gene existente Transfer orizontal/intracelular de ADN intre genomuri a doua celule diferiteDuplicatia genelor apare atunci cand, in urma multiplicarii celulare, o celula retine ambele copii ale unei gene. Astfel, una dintre copii este libera sa produca mutatii si sa se specializeze intr-o alta functie de-a lungul evolutiei. Astfel apar familii de gene in cadrul aceluiasi genom. Avem astfel, in functie de relatia dintre gene si modul de diferentiere: ortologi (gene care au evoluat dintr-o gena comuna), paralogi (gene care au rezultat in urma duplicarii) si omologi (gene care s-au format prin oricare dintre aceste moduri).Genele pot fi transferate intre organisme, mai ales la procariote, prin intermediul virusurilor (bacteriofagi) sau prin transfer orizontal, cu ajutorul plasmidelor. Se obtin astfel avantaje selective, cum ar fi rezistenta la antibiotice sau capacitatea de secretie a unei toxine.In urma secventierii genomice s-a concluzionat ca exista mai mult de 200 de familii de gene comune tuturor celor 3 domenii ale vietii, cu 63 prezente in toate organismele analizate. Majoritatea au rol in translatie si metabolismul aminoacizilor.Studiul functiilor unei gene se poate face prin doua metode: cea genetica, prin producerea de mutatii, si observarea efectelor asupra organismului, si cea biochimica prin analizarea functiei moleculelor. Studiile au fost incepute pe E. coli, bacterie care creste foarte usor pe mediile de cultura. Majoritatea mecanismelor vietii (replicarea ADN, sinteza proteica) au fost studiate initial pe E. coli, si s-a observat ca aceste mecanisme sunt bine conservate de-a lungul evolutiei.Majoritatea bacteriilor si archaea au in jur de 1000-6000 de gene, cu putin ADN reglator, datorita conflictului mare pentru hrana si necesitatea replicarii rapide. Celulele eucariote au, in general, dimensiuni si genomuri mai mari si mai elaborate decat cele ale celuleor procariote. Celulele eucariote au, pe langa nucleul inconjurat de anvelopa nucleara si dimensiunile mai mari, si alte proprietati: prezenta citoscheletului, a membranelor interne si lipsa peretelui celular. Se pare ca celula eucariota primordiala ar fi fost un pradator, care manca celule procariote mici. Acest stil de viata necesita o dimensiune celulara mare, un citoschelet care sa sustina si sa miste membrana, si sechestrarea nucleului pentru a-l proteja in timpul miscarilor. Aceasta teorie explica si aparitia mitocondriilor, organite cu dubla membrana, care preiau oxigenul si produc o mare parte a ATP-ului necesar activitatii celular. Mitocondriile au evoluat in urma inghitirii de catre o celula eucariota a unei bacterii aerobe, si dezvoltarea unei relatii de simbioza intre acestea. Unele celule eucariote contin de asemnea si cloroplaste, organite care efectueaza fotosinteza, folosind energia solara pentru a sintetiza carbohidrati din dioxidul de carbon atmosferic si apa. Fungii, au atat mitocondrii, cat si perete celular, si au evoluat ca si necrofagi, hranindu-se din nutrientii din celulele moarte.Astfel, eucariotele au un genom hibrid, format din celula anaeroba promordiala si bacteria fagocitata. Majoritatea informatiei genetice este pastrata in nucleu, dar o mica parte ramane specifica mitocondriei(la om, codifica 13 proteine, 2 componente de ARN ribozomal si 22 tipuri de ARNt), respectiv cloroplastelor.Datorita lipsei de constrangere pentru pastrearea unui genom mic, celulele eucariote au acumulat cantitati impresionante de ADN care nu codifica proteine. O parte din acest ADN are rol de ADN reglator, care controleaza cand si in ce cantitate este exprimata o gena. Exprimarea genelor este influentata si de unele proteine (reglatori ai transcriptiei) care se leaga de zonele de ADN reglator adiacent genelor.Studiile asupra genomului eucariotelor a inceput pe drojdii, in special S. cerevisae, care se paote reproduce atat vegetativ, cat si sexuat, si are un genom relativ mic. Pe plante, cele mai reprezentative studii s-au facut pe Arabidopsis thaliana. In regnul animal, se folosesc un vierme (C. elegans), o musca (Drosophila melanogaster), pe care s-au si facut primele studii de genetica si ereditate, iar vertebratele sunt reprezentate de broaste din genul Xenopus, pestele Danio rerio, iar dintre mamifere soarecele. Exista un interes special pentru genomul uman, pentru catalogarea mutatiilor, pentru determinarea predispozitiilor la boli, raspunsul la medicamente, etc, existand deja cateva mii de genoame deja secventiate.

2. Chimia celulei si bioenergie

Organismele vii sunt formate doar dintr-o proportie mica de elemente dintre cele naturale, dintre care C, H, N si O reprezinta 96% din greutatea organismului. Pentru a forma molecule, ei sunt legati prin legaturi covalente puternice, care rezista la actiunea miscarilor termice si in se rup in mod normal doar in timpul reactiilor specifice cu alti atomi sau molecule. Reactiile din interiorul celuleor au lon intr-un mediu apos. Legaturile din cadrul moleculeor de apa sunt foarte polare datorita atractiei oxigenului pentru electroni. Astfel, moleculele de apa sunt atrase unele de altele prin intermediul legaturilor de hidrogen, mult mai slabe decat legaturile covalente. Moleculele polare sau cele care au sarcini electrice pot forma legaturi cu apa se dizolva usor(molecule hidrofile), in schimb ce moleculele hidrofobe, cele fara sarcina elecrica sau cu legaturi nepolare nu se dizolva. Exista 4 tipuri de atractii necovalente care intervin in reactiile din celula: atractiile electrostatice, legaturile de hidrogen, fortele van de Waals si forta hidrofoba.Substantele care cedeaza protoni la contactul cu apa se numesc acizi, caracterizati in functie de cat de usor cedeaza H+ in acizi puternici (ex: HCl) si azici slabi (acid acetic). Opusul unui acid este o baza: orice substanta capabila sa primeasca un proton. Datorita interactiunilor dintre protoni si moleculele din interiorul celuleor, concentratia acestora, exprimata sub forma scalei pH, trebuei sa fie foarte bine reglata prin prezenta sistemelor tampon si a pompelor membranare.Moleculele organice mici ale celulei sunt compusi pe baza de carbon cu greutati moleculare intre 100 si 1000, continand pana la 30 de atomi de carbon. Unele sunt folosite ca monomeri pentru construirea prin reactii de condensare a macromoleculelor (proteine, acizi nucleici, polizaharide), altii ca surse de energie. Ei pot fi clasificati in 4 mari familii: acizi grasi, nucleotide, zaharuri si aminoacizi.Proteinele sunt foarte abundente si extrem de versatile, indeplinind functii specifice in celule: multe sunt enzime, catalizatorii reactiilor chimice din celule, altele au rol structural (tubulina, histone), altele genereaza miscare (actina, miozina), etc. Majoritatea legaturilor covalente din macromolecule permit rotatia, oferind moleculei un numar variabil de conformatii. In plus, intre diferitele parti ale moleculei se formeaza legaturi necovalente, astfel incat polimerul va prefera o anumita conformatie particulara care va dicta functia structurii.Prin intermediul enzimelor (proteine, ARN - ribozomi), se creste reactivitatea chimica a reactiilor efectuate in interiorul celulelor. Reactiile chimice catalizate de enzime sunt conectate in serie, astfel incat produsul unei reactii devine substrat pentru urmatoarea.Exista doua serii de reactii care au loc in celula: calea catabolica, prin care se descompun alimentele in molecule mici, generand atat energie cat si monomeri pentru cea de-a doua cale si calea anabolica, sau de biosinteza care foloseste moleculele mici si energia pentru sinteza moleculelor necesare celulei. Aceste doua cai constituie metabolismul celular.Tendinta universala catre disordine este enuntata de cea de-a doua lege a termodinamicii se aplica si la nivel celular, iar gradul de dizordine este cuantificat si exprimat ca entropie. Celulele genereaza ordinea necesara supravietuirii, cresterii si inmultirii prin preluarea de energie din exterior, sub forma de nutrienti, lumina solara, molecule anorganice, dar eliberand caldura si crescand astfel entropia totala.Toate celulele plantelor si animalelor sunt alimentate prin energia stocata in legaturile chimice ale moleculelor organice, pe care organismele trebuie sa o extraga si sa o transforme intr-o forma usor de utilizat. Respiratia aeroba este procesul prin care se obtine energie din moleculele organice prin arderea controlata a acestora, in mai multi pasi in prezenta oxigenului, cu producere de CO2 si H2O, proces complementar fotosintezei. Oxidarea se refera la orice reactie in care exista electroni care se transfera de la un atom la altul, si este opusul reducerii, care inseamna adaugarea de electroni. Celulele folosesc enzime pentru a cataliza oxidarea moleculelor organice in pasi mici, printr-o secventa de reactii care permite strangerea si folosirea energiei. Desi cea mai favorabila(cu cea mai mare entropie/cu cea mai mica energie libera) forma a carbonului este de CO2 si H2O, moleculele au nevoie de o anumita energie de activare pentru a se porni reactia care o va trece intr-o stare mai stabila. In acest mod functioneaza enzimele, legandu-se de substrat, reducand energia de activare si ajuntand la cresterea vitezei de reactie. Cu toate acestea, enzimele nu pot schimba punctul de echilibru al unei reactii, ci doar maresc viteza cu care acest punct se va atinge. Enzimele organismelor vii au o specificitate remarcabila, fiecare enzima avand un situs activ (un buzunar sau un sant in structura sa) in care se va fixa doar substratul sau.Interactiunile dintre enzima si substrat au loc prin ciocniri repetate ale substratului de enzima, facilitate de miscarile de translatie, vibratie si rotatie ale moleculelor. Legarea se face prin legaturi necovalente specifice, iar dupa legare reactia chimica va fi catalizata.Desi enzimele grabesc reactiile, ele nu pot determina aparitia unor reactii nefavorabile energetic(cu energie libera pozitiva). Acest inconvenient este invins prin cuplarea reactiilor nefavorabile cu reactii favorabile, astfel incat energia libera la final sa fie negativa.Energia eliberata de catre oxidarea mancarii trebuie sa fie stocata temporar inainte ca ea sa fie folosita in procese anabolice. De cele mai multe ori, aceasta energie este stocata in legaturi chimice pe molecule caraus activate, mici, intr-o forma usor de schimbat, care difuzeaza rapid si transporta energia de la locul producerii, la locul unde este nevoie de ea. aceste molecule sunt numite si coenzime. Cele mai des intalnite astfel de molecule sunt ATP, NADH si NADPH.ATP-ul este molecula caraus activata cea mai utilizata. Este sintetizat printr-o reactie de fosforilare nefavorabila energetic, prin care o grupare fosfat este adaugate pe ADP. Cand este nevoie, ATP cedeaza energia prin hidroliza favorabila energetic in ADP si fosfat anorganic. ATP-ul este folosit pentru furnizarea de energie pentru transportul substantelor in si in afara celulei, pentru pompele ionice si pentru motoarele moleculare ce permit contractia musculara si miscarea veziculelor. De asemenea, moleculele ATP cedeaza energie pentru reactii de biosinteza si condensare.Alte molecule de importanta deosebita sunt NAD+ si NADP+ care preaiau energia a doi electroni si a unui proton, cu formare de NADH si NADPH. NADPH este folosit in principal pentru enzime in reactii anabolice, furnizand electroni cu eenrgie mare necesari sintezei de molecule biologice, in schimb ce NADH are un rol special ca produs intermediar in reactiile catabolice care genereaza ATP prin oxidare.Exista si alte molecule care stocheaza energie: Acetil CoA, biotina carboxilata, FADH2, UDP, etc.Acizii nucleici, proteinele si polizaharidele sunt polimeri produsi prin aditia repetata a monomerilor la unul dintre capetele lantului. Reactia de condensare are nevoie de energia furnizata prin hidroliza ATP. Daca energia hidrolizei ATP nu este necesara, aceasta reactie poate fi modificata astfel incat sa produca AMP si PPi, care produce o energie aproape dubla. Condensarea repetitiva care produce macromolecule poate fi orientata in una din doua moduri: polimerizare cap(energia pentru condensare este oferita de gruparea fosfat de pe polimer) sau polimerizare coada (energia pentru condensare este oferita de gruparea fosfat de pe molecula care urmeaza a fi adaugata).

Celulele au nevoie de un aport constant de energie pentru a genera si pastra ordinea care le tine in viata. Acest aport energetic provine din proteinele, lipidele si polizaharidele din hrana pe care o mancam. Digestia enzimatica le descompune in subunitati monomerice: zaharuri, acizi grasi, glicerol si aminoacizi, care vor intra in celula unde vor fi oxidate.Zaharurile sunt molecule combustibil importante, deoarece sunt oxidate al dioxid de carbon si apa, cu producere de ATP, NADH si alte molecule caraus activate. Glicoliza este procesul major de oxidare a zaharurilor, producand ATP fara a fi necesar oxigen. In timpul glicolizei care are loc in citosolul celuleor, glucoza este transformata in doua molecule de piruvat, avand ca rezultat obtinerea a doua molecule de ATP si doua de NADH. Pentru ogranismele anaerobe, glicoliza este principala sursa de energie, iar anumite tesuturi animale pot folosi mai departe piruvatul pentru obtinere de lactat in muschi si de etanol si CO2 in unele drojdii, cu convertirea NADH in NAD+.Toate organismele necesita un raport ATP/ADP mare pentru a-si mentine ordinea biologica, dar animalele au acces la mancare doar periodic, asa ca atat plantele cat si animalele transforma zaharurile si grasimile in forme de depozit. Astfel, acizii grasi sunt depozitati pe termen lung sub forma de trigliceride, in special in adipocite, iar glucoza pe termen mai scurt, este depozitata sub forma de glicogen. Zaharurile si ATP-ul de ce au nevoie plantele sunt produsi in organite separate: zaharurile in cloroplaste si ATP-un in mitocondrii. In momentele de exces de fotosinteza din timpul zilei, plantele transforma o parte din zaharurile produse in amidon si grasimi(difera de cele animale prin tipul de acizi grasi utilizati), si sunt stocate in interiorul cloroplastelor.La animale, dupa mese majoritatea necesarului energetic este acoperit de glucoza, dar in perioadele dintre mese, acest necesar este acoperit de acizii grasi oxidati direct.In cadrul metabolismului aerob, piruvatul obtinut in urma glicolizei este transportat in mitocondrii si decarboxilat, avand ca rezultat o molecula de CO2, o molecula de NADH si acetilCoA. Acizii grasi, sub forma de acid gras-acil-CoA sunt degradati complet intr-un ciclu de reactii care taie cate 2 atomi de carboni de la capatul carboxil, generand o molecul de acetil CoA, o molecula de NADH si o molecula de FADH2 la fiecare ciclu.Moleculele de acetil CoA obtinute sunt in continuare preluate in cadrul ciclului Krebs/ciclul acidului citric/ciclul acizilor tricarboxilici care are loc tot in mitocondrii. Astfel, gruparea acetil din acetil CoA este preluata pe oxaloacetat, formand acidul citric, care este apoi oxidat treptat, permitand preluarea energiei din aceste reactii. In urma unui ciclu de 8 reactii, oxaloacetatul este regenerat si intra intr-un nou ciclu. In plus fata de 3 molecule de NADH, din acest ciclu rezulta o molecula de FADH2, si o molecual de GTP. Acestia vor fi folostiti pentru obtinere de ATP in cadrul fosforilarii oxidative, proces care necesita prezenta de oxigen din atmosfera. NADH si de FADH2 sunt preluati pe lantul de transport de electroni de pe membrana interna mitocondriala, unde protonii vor fi transferati pe nivele de energie succesiv mai joase, proces in urma caruia se vor pompa protoni din matricea mitocondriala catre spatiul intermembranar, creand un gradient care va alimenta o mare varietate de reactii, printre care si fosforilarea ADP cu formare de ATP. La sfarsitul seriei de transferuri de electroni, acestia sunt trecuti pe molecule de oxigen, care se vor combina cu protonii, formand molecule de apa. In total, in urma oxidarii complete a unei molecule de glucoza, se obtin aproximativ 30 de molecule de ATP, doar 2 din acestea rezultand din glicoliza initiala.Atomii de sulf si azot trec din compus in compus intre organisme si mediu, intr-o serie de cilcuri reversibile. Vertebratele isi preiau tot azotul prin ingestia de proteine si acizi nucleici, care in corp sunt descompusi in aminoacizi si componentele nucleotidelor. Din cei 20 de aminoacizi, aproximativ jumatate sunt esentiali, iar ceilalti pot fi sintetizati. Nucleotidele necesare sintezei de ADN si ARN pot fi sintetizate prin cai metabolice specializate, niciun component al acestora nefiind esential. Aminoacizii neutilizati in biosinteza pot fi folositi ca surse de energie prin oxidare, formand CO2 si H2O, iar azotul este excretat sub forma de uree. Sulful este de asemenea obtinut din alimente, vertebratele neputand sintetiza sulful necesar. Fiecare celula are trasaturi metabolice distinctive, cooperand atat in stare normala, cat si in conditii de stress sau infometare. Echilibrul metabolic este foarte stabil, celula revenind la starea initiala oricand echilibrul este perturbat, datorita mecanismelor de control care regleaza si coordoneaza toate reactiile chimice.

3. Proteine

Proteinele sunt polipeptide formate dintr-un lant alcatuit din cei 20 de aminoacizi diferiti, fiecare proteina avand o secventa si insiruire unica a acestora. Secventa repetitiva de atomi de-a lungul lantului se numeste coloana vertebrala polipeptidica, de care sunt atasate portiunile aminoacizilor care un intervin in legaturile polipeptidice: lanturile laterale. Aceste lanturi laterale sunt nepolare si hidrofobe, altele sunt incarcate electric, unele formeaza legaturi covalente, si asa mai departe. Numarul posibil de conformatii diferite alea proteinelor este constrans de faptul ca atomii nu se pot suprapune, iar diferite parti din lantul polipeptidic se pot asocia prin intermediul legaturilor necovalente, care implica atat portiunile care participa la legaturile peptidice, cat si atomii din lanturile laterale. Legaturile necovalente idividuale sunt mult mai slabe decat legaturile covalente, dar prin sumarea mai multor legaturi se pot apropia portiuni din latul proteic. Aminoacizii nepolari, hidrofobi (ex: fenilalanina, leucina, valina, triptofan) tind sa se aglomereze la interiorul moleculei, pentru minimiarea suprafetei de contact cu apa. In schimb, aminoacizii polari, hidrofili (ex: arginina, glutamina, histidina) se pozitioneaza la exteriorul molecului, unde pot forma legaturi de hidrogen cu apa.Ca rezultat al acestor forte, proteinele adopta o structura tridimensionala, determinata de structura primara, numita conformatie, care tinde a minimizeze energia libera. La contactul cu anumite substante sau la variatii de temperatura, se rup legaturile necovalente, iar proteina se denatureaza. Cand factorul este eliminat, de cele mai multe ori proteina se replicatureaza spontan (renaturare). Majoritatea proteinelor au o singura conformatie stabila. Cu toate acestea, pot aparea mici schimbari in momentul interactiunii cu alte molecule, schimbari vitale functiei proteinei. In interiorul celulei, exista proteine speciale, numite chaperone moleculare care ajuta la pliera proteinelor, in special pentru a evita asocierea domeniilor hidrofobe intre proteinele nou sintetizate inaintea adoptarii conformatiei finale.Cand comparam structura tridimensionala a proteinelor, desi se observa o conformatie unica a fiecarei proteine, apar in mod regulat doua modele de asamblare. Primul model, -helixul este generat atunci cand un singur lant polipeptidic se roteste in jurul propriului ax si formeaza un cilindru rigid, frecvente localizate in proteine din membrana celulara (transportori, receptori). In cadrul altor proteine, -helixurile se rotesc unul in jurul celuilalt, formand o structura foarte stabila, coiled coil, care apare atunci cand portiunile hidrofobe ale lanturilor se gasesc intr-o parte a lantului, astfel incat in urma rotatiei, aceste portiuni raman la interior. A doilea model, de foaie plisata se poate forma din lanturi paralele din aceeasi proteina, sau din lanturi antiparalele, ambele formand o structura extrem de rigida, consolidata prin legaturi de hidrogen care conecteaza legaturile peptidice din lanturile apropiate.Exista 4 niveluri de organizare in cadrul structurii unei proteine: Secventa de aminoacizi este cunoscuta ca structura primara Portiunile de polipeptid care formeaza -helixurile si foile reprezinta structura secundara Ogranizarea completa, tridimensioana a intregii proteine reprezinta structura teriara Iar daca o molecula proteica este formata prin asocierea mai multor lanturi polipeptidice, structura completa are numele de structura cuaternaraIn cadrul proteinelor se observa si domeniile proteice, substructuri care se pot impacheta independent de restul proteinei intr-o structura stabila si compacta. Domeniile proteice sunt unitatile modulare din care proteinele mari sunt formate. Proteinele mici pot fi formate dintr-un singur domeniu, in timp ce proteinele mari pot contine cateva zeci de domenii, deseori legate intre ele prin lanturi polipeptidice nestructurate, flexibile.In urma procesului evolutiv, prin mutatii, duplicarea genelor, etc., majoritatea proteinelor pot fi grupate in familii de proteine, cu fiecare membru avand o structura primara si o conformatie asemanatoare cu celelalte. (ex: familia serine proteazelor: chemotripsina, tripsina, elastaza). Membrii unei familii de proteine au de obicei functii diferite. In urma secventierii genomului uman, s-au putut asocia aproximativ 40% din genele care codifica proteine cu proteine cunoscute, apartinand la aproximativ de 500 de familii de proteine. Structura tridimensionaal a proteinelor se poate determina cu ajutorlul cristalografiei cu raze X sau a rezonantei magnetice nucleare.Proteinele formate din mai multe domenii proteice au aparut printr-un proces numit amestec al domeniilor: alaturarea secventelor ADN care codifica fiecare domeniu in combinatii noi. O subgrupa de domenii proteice: modulele proteice au fost foarte mobile de-a lungul evolutiei: de exemplu, domeniul SH2 care apare in multe structuri proteice. Majoritatea modulelor proteica au domenii de foaie , cu succesc evolutionar deparece furnizeaza un cadru convenabil pentru noi situsuri de legare, necesitand doar modificari minore in buclele care proemina. De asemnea, ele pot fi foate usor incorporate in alte proteine prin asezare in linie, avand capetele N- si C-terminal la extremitati opuse, sau pe model plug-in, cu capetele N- si C-terminal apropiate. Majoritatea acestor domenii sunt pastrate atat la om, cat si la drojdii, plante, viermi, dar exista si exceptii, de exemplu domeniile MHC, prezente in 57 de copii la om, dar absente la celelalte specii, avand roluri specifice, proprii speciei umane. Desi jumtate din domeniile proteice sunt comune intre specii, asocierea acestora nu, indicand faptul ca au aparut tarziu in cadrul evolutiei.In urma secventierii genomului, s-a aratat ca la om exista aproximativ 21000 de gene codificatoare de proteine, numar asemenator cu cel al genomului plantelor si a viermilor. Cu toate acestea, proteinele umane sunt mult mai complexe datorita combinarii domeniilor proteice.Aceleasi legaturi necovalente ce permit proteinelor sa se impacheteze in confromatii specifice le permit de asemenea sa se lege una de alta pentru a produce structuri mai mari in cadrul celulei, prin intermediul unor domenii speciale numite situsuri de legare. O proteina poate avea situsuri de legare pentru alte proteine sau pentru molecule mici. In cazul asocierii mai multor proteine, fiecare lant este numit subunitate proteica. Unele proteine se pot asocia pentru a forma filamente care se intind pe toata lungimea unei celule. De exemplu, filamentele de actina sunt structuri helicoidale produse din mai multe molecule de actina, proteina globulara. Filamentele de keratina sunt asemenatoare, formand astfel filamentele intermediare. Proteinele de acest tip, numite si proteine fibroase sunt mai abundente in exteriorul celulei, unde formeaza matricea extracelulara cu rol in integritatea tesuturilor. Colagenul este cea mai abundenta proteina extracelulara si este format din 3 lanturi polipeptidice, cu glicina la fiecare al treilea aminoacid. Moleculele de colagen se leaga atat la capete, cat si in lateral formand siruri care se suprapund si conferind astfel rezistenta.Exista si proteine dispuse intr-un mod mai dezordonat, de exemplu elastina, prezenta ca si colagenul in matricea extracelulara. Lanturile sale sunt mai putin structurate si legate mai slab, astfel incat produc o retea elastica care poate fi trecuta usor dintr-o conformatie in alta, revenind pasiv la pozitia initiala. Alte proteine au portiuni putin structurate, asemanatoare elastinei, cu rol de situsuri de legare pentru alte proteine, situsuri pentru fosforilare/defosforilalre, si alte modificari declansate de semnalizarea celulara sau pot lega doua sau mai multe proteine intre ele (o functie asemanatoare o au si proteinele esafod/scaffold care permit legarea mai multor proteine in complexe multienzimatice).Pentru mentinerea structurii in mediul extracelular, cu conditii mai aspre decat mediul intracelular, lanturile plipeptidice ale proteinelor pot fi stabilizate si prin legaturi covalente. Cele mai frecvente astfel de legaturi sunt legaturile disulfidice, formate in reticulul endoplasmatic.

Aceleasi principii care stau la baza formarii filamentelor intervin si in asocierea proteinelor pentru formarea de structuri masive, cum ar fi complexele enzimatice, ribosomii, virusurile si membranele. Acestea sunt formarea prin legarea necovalenta a mai multor molecule sintetizate separat, care au rolul de subunitati a structurii finale. Avantajele asocierii proteinelor in macromolecule: Necesitatea de mai putin material genetic Controlul asupra asamblarii si dezasamblarii datorita asocierii prin legaturi cu energie joasa Erorile de sinteza sunt mai usor de evitat cu ajutorul mecanismelor de corectie din timpul asamblariiUnele subunitati proteice se asambleaza in acelasi plan, in modele hexagonale (ex: in cadrul membranei, sub forma plutelor lipidice). Cu modificari minore, se pot obtine conformatii de tuburi sau sfere (ex: capsida virala), cu mai multa stabilitate datorita multiplelor legaturi formate.Majoritatea complexelor de macromolecule se pot reasambla spontan, de exemplu TMV (tobacco mosaic virus) si componentele ribosomilor bacterieni (formati din 55 de proteine si 3 fragmente ARNr). Ribozomii, dupa autoasamblarea in vitro pot cataliza sinteza proteica. Inca nu se cunosc toate detaliile in legatura cu controlul autoasamblarii, dar de cele mai multe ori exista o proteina esafod care dicteaza marimea si forma viitorului complex.Cu toate acestea, nu toate macromoleculele se pot autoasambla. De exemplu, un cil sau o miofibrila nu se formeaza spontan. In aceste cazuri, este nevoie de enzime speciale, numite factori de asamblare care ghideaza procesul de asamblare dar nu fac parte din produsul final. Exista de exemplu virusuri care au nevoie de schele temporare care nu apar in particula virala finala. Alte macromolecule au nevoie de proteoliza limitata pentru a se asambla (colagen, insulina).Fibrele de amiloid sunt o clasa de proteine utilizate in procese celulare normale, dar cand nu sunt bine controlate contribuie la dezvoltarea bolilor. Fibrele sunt formate dintr-o serie de lanturi polipeptidice, stabile, sub forma de foi . In mod normal, se formeaza structuri fibroare lungi de cativa milimetri si groase de 5-15 nm. La om, controlul asupra formarii de astfel de proteine scade odata cu inaintarea in varsta, permitand ocazional formarea de astfel de agregate. ele pot fi si eliberate din celulele moarte, cu acumulare in spatiul extracelular. Creierul este foarte vulnerabil la acest tip de acumulare, cele mai grave manifestari ale acumularilor de amiloid fiind bolile neurdegenerative (boala Alzheimer si boala Parkinson)Bolile prionice sunt un tip special de boli, deoarece se pot transmite de la un organism la altul prin ingestia de tesut contaminat. Prionii sunt forme agregate, foldate necorespunzator a un proteine normale, PrP, localizata pe fata externa a membranei celulare, in special a neuronilor. Odata formata o astfel de proteina, va induce conformatia eronata si proteinelor din jur, culminand in final cu moartea. Exemple de boli prionice: Boala Creutzfeldt-Jakob, boala Kuru si encefalopatia spongiforma bovina.Fibrilele de amiloid sunt folosite de catre celule pentru a stoca diferite peptide sau hormoni in granulele secretorii si de catre bacterii pentru a creea biofilmuri care confera rezistenta in medii ostile. De asemenea, exista domenii de complexitate redusa care formeaza fibre de amiloid care disociaza usor (amiloid reversibil), formand corpi intracelulari. Se pare ca cele mai puternice forte de atractie care pot forma amiloid sunt interactiunile homotipice, intre domenii identice din proteine diferite.

Proprietatile biologice ale unei proteine sunt determinate de interactiunile acesteia cu alte molecule, prin legare. In unele cazuri, legarea este foarte stransa, iar in altele mai slaba si cu durata mica. In orice caz, legarea este specifica, astfel incat fiecare molecula proteica se poate lega doar de una sau cateva din moleculele pe caer le intalneste. Substanta legata de proteina este numita ligand. Legarea se face prin intermediul legaturilor necovalente (legaturi de hidrogen, forte van der Waals, atractii electrostatice si interactiuni hidrofobe), dar datorita fortei mici a acestor legaturi este nevoie ca suprafata ligandului sa semene foarte mult cu cea a proteinei. Regiunea proteinei care se asocieaza cu ligandul este numita situs de legare, si este de obicei o cavitate in suprafata proteinei formata din aminoacizi din zone diferite ale lantului polipeptidic. Suprafata fiecarei proteine are o reactivitate chimica unica, depinzand nu doar de aminoacizii expusi, ci si de orientarea lor relativa unul fata de altul. Din acest motiv, doua conformatii usor diferite ale aceleiasi molecule proteice poate avea proprietati chimice foarte diferite.Proteinele se pot lega intre ele in mai multe moduri. De exemplu, o bucla a unei proteine se poate lega de suprafata altei proteine, in interactiunea numita surface-string. O alta forma de legare este asocierea a doua helixuri si rotirea acestora unul in jurul celuilalt. Cea mai des intalnita interactiune intre proteine apare insa prin potrivirea exacta a suprafetelor celor doua, interactiuni care pot fi foarte puternice prin formarea a multor legaturi necovalente. Forta de legare intre doua molecule poate fi cuantificata prin constanta de echilibru (K), sau constanta de afinitate, care este cu atat mai mare cu cat forta de atractie creste si invers, si este o masuratoare directa a diferentei de energie dintre starile legata si nelegata.Cel mai bun exemplu pentru a arata variabilitatea situsurilor de legare sunt anticorpii, sau imunoglobulinele. Acestia sunt proteine produse de sistemul imun ca raspuns la patrunderea in organism a moleculelor straine. Acesti anticorpi se leaga strans, specific la suprafata moleculei tinta (antigen), actionand in doua moduri: inactivand-o sau marcand-o pentru distrugere. Deoarece exista milioane de particule antigenice cu care corpul uman se poate intalni, avem posibilitatea sa sintetizam milioane de anticorpi diferiti.Enzimele sunt molecule care determina transformari chimice care pot rupe sau forma legaturi. Ele se leaga de unul sau mai multi liganzi, numiti substrat, si ii modifica in unul sau mai multi produsi de reactie. Enzimele au rol de catalizatori, grabind reactiile, dar nemodificandu-si structura. Fiecare enzima este foarte specifica, catalizand un singur tip de reactie. Clasificarea enzimelor in functie de reactiile la care participa: Hidrolaze catalizeaza reactii de hidroliza Nucleaze hidrolaze specifice, care hidrolizeaza legaturile dintre nucelotide. Se impart in endonucleaze si exonucleaze Proteaze hidrolizeaza legaturile dintre aminoacizi Sintetaze participa la reactii anabolice Ligaze leaga doua molecule intr-un proces dependent de energie Isomeraze catalizeara rearanjarea legaturilor intr-o molecula Polimeraze catalizeaza reactii de polimerizare Kinaze catalizeaza adaugarea grupelor fosfat pe molecule Fosfataze elimina gruparile fosfat Oxidoreductaze ATP-aze hidrolizeaza ATP GTP-aze hidrolizeaza GTPPentru ca o enzima sa catalizeze o reactie, este absolut necesar ca fiecare molecula a substratului sa fie legata in prealabil. Odata cu cresterea concentratiei substratului, creste si viteza de formare a produsului, dar aceasta viteza poate atinge o valoare maxima, numita numar de turnover, valoare care caracterizeaza rapiditatea cu care enzima poate procesa substratul.Enzimele cresc viteza de reactie foarte eficient, din cateva motive. In primul rand, enzima creste concentratia locala a substratului la situsul catalitic, orientand substratul in pozitia potrivita reactiei care va urma. Prin legare, enzimele trec moleculele de substrat intr-o stare intermediara, instabila, numita stare de tranzitie, in care energia de activare este minima. Din acesta stare intermediata, trecerea substratului in produs este mult mai usoara, grabindu-se astfel semnificativ viteza de reactie. Enzimele pot folosi ca si catalizatori acizii, bazele, sau ambele in acelasi timp, datorita cadrului rezistent care nu permite combinarea reziduurilor de baze si acizi ca intr-o solutie. Potrivirea intre enzima si substrat trebuie sa fie precisa, o mica schimbare introdusa prin inginerie genetica sau mutatii putand avea efecte profunde. Pentru a indeplini functii care ar fi imposibile folosind doar aminoacizii din structura, enzimele se pot asocia cu molecule mici sau atomi de metale care asista la functiile lor catalitice. Aceste molecule sunt numite coenzime, multe dintre acestea fiind vitamine sau derivati ai acestora.Pentru a mentine vitezele de reactii necesare pastrarii integritatii celulare, concentratiile de substrat trebuie sa fie destul de mari. Acest fapt este imposibil datorita diversitatii reactiilor care au loc in mediul intracelular. Pentru a invinge acest inconvenient, celula creste vitezele de reactie prin asamblarea mai multor proteine in cadrum unui complex multienzimatic, care permite trecerea produsului unei enzime direct catre alta enzima, fara sa existe limite legate de viteza de difuziune. O alta solutie dezvoltata de catre celuelel eucariote este folosirea membranelor intracelulare, restrangand astfel enzimele si moleculele de substrat (ex: nucleul, reticulul endoplasmic).Activitatea catalitica a enzimelor este controlata prin: Numarul de molecule de enzima sintetizate Feedback negativ un produs obtinut tarziu intr-o reactie se leaga de un situs reglator al enzimelor, reducandu-le activitatea Feedback pozitiv un produs stimuleaza activitatea enzimaticaAtat feedbackul pozitiv, cat si cel negativ, sunt exemple de reglare alosterica, in care legarea se face pe un situs diferit de cel catalitic, un situs reglator, care un urma legarii determina o modificare conformationala a proteinei, care va modifica afinitatea situsului catalitic pentru substrat. Acest tip de reglare alosterica nu este valabil doar pentru enzime, ci si pentru receptori, proteine structurale si proteniele motrice. Daca cei doi liganzi prefera legarea de aceeasi conformatie a proteinei, cei doi cresc reciproc afinitatea situsurilor. Daca insa liganzii prefera conformatii diferite, afinitatea va scadea.In plus fata de reglarea alosterica, proteinele sunt influentate si de adaugarea uneia sau a mai multor molecule mici pe lanturile sale laterale. In celulele eucariote, cea mai frecventa modificare de acest tip este adaugarea de grupari fosfat. Foforilarea poate aduce 3 tipuri de moificari: datorita incarcarii negative, poate determina modificari conformationale, afectand legarea liganzilor in alta parte a proteinei; poate forma o structura recunoscuta de alte proteine; poate masca un situs de legare intre proteine. Fosforilarea reversibila controleaza activitatea, structura si localizarea enzimelor si proteinelor din celulele eucariote, si apare ca rezultat al semnalelor care cer schimbari in starea celulei. Procesul fosforilarii necesita o serie de enzime: protein kinase si protein fosfataze, constituite din familii de proteine, fiecare cu functie specifica, actionand pe proteine diferite.O alta modalitate de control este prin adaugarea sau eliminarea de grupari fosfat de pe GTP, legata strans de un grup de proteine, proteinele G (GTP binding proteins). Astfel, in momentul hidrolizarii GTP, domeniul de legare sufera modificari conformationale care inactiveaza proteina. Un exemplu de astfel de proteina este proteina Ras, cu rol important in semnalizarea celulara. Proteinele reglatorii in aces caz sunt GAP (GTPase activating protein) si GEF(guanine nucleotide exchange factor) analogii protein fosfatazelor si a protein kinzelor.Relglarea proteinelor se poate face si prin legarea covalenta a altor proteine, de exemplu ubiquitina. Cel mai frecvent proces de adaugare a ubiquitinei este poliubiquitinizarea, care directioneaza proteina marcata in interiorul proteazomilor, unde este transformata in lanturi scrute de polipeptide. Astfel, proteine particulare sunt distruse ca raspuns al fazei ciclului celular. In alte cazuri, proteinele pot fi marcate cu o singura molecula de ubiquitina, sau cu un lant diferit de polubiquitina, cu consecinte functionale diferite. Pe langa reglarea enzimatica si semnalizare, schimbarile conformationale au rol in generarea de miscare cu ajutorul proteinelor motrice. Aceste proteine genereaza fortele responsabile de contractia musculara, miscarea celulelor si la nivel intracelular, miscarea cromozomilor la capetele diferite ale celulei in timpul mitozei, miscarea organitelor, si miscarea enzimelor de-a lungul ADN-ului in timpul sintezei. Aceste miscari sunt obtinute prin cuplarea modificarilor conformationale cu hidroliza ATP, astfel incat modificarea conformationala sa nu poata reveni pasiv la pozitia initiala. Cele mai importante astfel de molecule sunt miozina, care foloseste ca suport filamente de actina, si kinezina care foloseste ca suport microtubulii.Proteinele pot de asemenea sa foloseasca energia derivata din hidroliza ATP, gradiente ionice sau procese de transport de electroni pentru a pompa ioni sau molecule mici printr-o membrana. Ca exemple avem transportorii ABC (ATP-binding cassette trasporters) care folosesc energia din hidroliza ATP pentru a determina modificari confromationale care permit miscarea moleculelor legate, in special molecule hidrofobe, de-a lungul membranei plasmatice. O alta pompa asemanatoare, ATP sintetaza, foloseste gradientul concentratiei de protoni creat de procesele de transport de electroni ale membranei interne mitocondriale pentru producerea de molecule de ATP.Ansamblurile mari de proteine legate prin legaturi necovalente, numite masinarii proteice efectueaza cele mai impresionante sarcini. In cadrul lor, o reactie favorabila energetic, cum ar fi hidroliza ATP sau GTP duce la o serie de schimbari conformationale, permitand intregului ansamblu sa se miste intr-un mod coordonat. Acest lucru se intampla, de exemplu, in sinteza proteica pe ribozomi, sau in replicarea ADN. Aceste asocieri au deseori nevoie de proteine esafod, care prezinta situsuri de legare pentru multe alte proteine si au atat rolul de solidarizare a proteinelor cat si rolul de a le pozitiona in locuri exacte in interiorul celulei. Exista astfel proteine esafod rigide, cum ar fi culina, sau flexibile, cum ar fi Dlg (disc large proteins) de pe fata interna a membranei plasmatice. Modificarile covalente asupra activitatii proteice nu se limiteaza la fosforilare, ubiquitinizare si legare de GTP. Exista si alte metode, cum ar fi adaugarea de grupe metil, plamitil sau N-acetilglucozamina. Astfel de modificari pot aparea si simultan, aceeasi proteina, pe lanturi laterale diferite, intr-un cod de reglementare combinatorie, schimband astfel rapid si variat raspunsul proteinei.