Biochimie
BIOCHIMIE
SUPORT CURS
PENTRU
ȘCOALA POSTLICEALĂ
NIVEL 5 AVANSAT
CALIFICAREA PROFESIONALĂ:
ASISTENT MEDICAL GENERALIST
DOMENIUL:
SĂNĂTATE ȘI ASISTENȚĂ PEDAGOGICĂ
Total ore: 60 ore
din care: laborator tehnologic 30 ore
Profesor,
BOUARIU Teodor-Cătălin
CUPRINS
CAPITOLUL 1. NOȚIUNI INTRODUCTIVE … … … 7
Definirea și clasificarea substanțelor organice
Compoziția și structura substanțelor organice. Elemente organogene
1.2.1. Compoziția substanțelor organice
1.2.1.1. Analiza elementară calitativă
1.2.1.2. Formule procentuale, brute și moleculare
1.2.2. Structura compușilor organici
1.2.2.1. Noțiunea de structură chimică
1.2.2.2. Principii generale de determinare a structurii compușilor organici
1.2.2.3. Metode chimice utilizate la studiul proprietăților și structurii substanțelor organice
1.2.2.5. Legături chimice în compușii organici
1.2.2.6. Hibridizare
1.2.2.7. Catene (lanțuri) de atomi de carbon
1.2.2.8. Tipuri de atomi de carbon
Metode de separare și purificare a substanțelor organice
1.4. Hidrocarburi
1.4.1. Alcani (parafine)
1.4.2. Cicloalcani (cicloparafine)
1.4.3. Alchene (olefine)
1.4.4. Diene și poliene
1.4.5. Poliene cu structura izoprenica (izoprenoizi sau izoprenoide)
1.4.6. Alchine (acetilene)
1.4.7. Hidrocarburi aromatice (arene)
Compuși organici cu funcțiuni
1.5.1. Compuși halogenați (derivați halogenați)
1.5.2. Alcooli
1.5.3. Fenoli
1.5.4. Amine
1.5.5. Compuși carbonilici (aldehide și cetone)
1.5.6. Acizi carboxilici
1.5.7. Esteri
CAPITOLUL 2. BIOCHIMIE DESCRIPTIVĂ (STRUCTURALĂ) … … … 99
2.1. Biochimia organismelor vii … … 99
2.1.1. Caracteristicile proprii materiei vii
2.1.2. Biomoleculele
2.1.3. Reacții chimice în celula vie
2.1.4. Autoreglarea reacțiilor din celule
2.1.5. Replicarea organismelor vii
2.2. Biomolecule anorganice … … 106
2.2.1. Apa
2.2.1.1. Generalități
2.2.1.2. Proprietățile fizice ale apei. Legături de hidrogen
2.2.1.3. Proprietățile de solvent ale apei
2.2.1.4. Soluții apoase. Concentrația soluțiilor
2.2.1.5. Interacții hidrofobe
2.2.1.6. Efectul substanțelor dizolvate asupra proprietăților apei
2.2.1.7. Ionizarea apei
2.2.1.8. Produsul ionic al apei. pH
2.2.2. Anioni și cationi
2.3. Biomolecule organice … … 117
2.3.1. Proteine … … 117
2.3.1.1. Definiție
2.3.1.2. Tipuri de proteine
2.3.1.3. Aminoacizi
2.3.1.4. Structura proteinelor
2.3.1.5. Masa moleculară a proteinelor
2.3.1.6. Proprietățile fizice ale proteinelor
2.3.1.7. Proprietăți chimice ale proteinelor
2.3.2. Enzime … … 137
2.3.2.1. Definiție
2.3.2.2. Clasificare și rol în organism
2.3.2.3. Coenzime
2.3.2.4. Proprietățile enzimelor
2.3.2.5. Cinetica reacțiilor enzimatice
2.3.2.6. Reglarea activității enzimelor
2.3.3. Hormoni … … 149
2.3.3.1. Definiție, rol
2.3.3.2. Clasificare
2.3.4. Glucide … … 153
2.3.4.1. Definiție
2.3.4.2. Nomenclatura
2.3.4.3. Clasificarea glucidelor
2.3.4.3.1. Monozaharide
2.3.4.3.2. Dizaharidele
2.3.4.3.3. Trizaharidele
2.3.4.3.4. Polizaharide
2.3.5. Lipide … … 162
2.3.5.1. Definiție
2.3.5.2. Funcțiile lipidelor
2.3.5.3. Rol în cadrul materiei vii
2.3.5.4. Structura lipidelor
2.3.5.5. Clasificarea lipidelor
2.3.5.6. Acizii grași
2.3.5.7. Trigliceride (triacilgliceroli)
2.3.5.8. Glicozildiacilgliceroli
2.3.5.9. Fosfogliceridele
2.3.5.10. Sfingolipidele
2.3.5.11. Ceruri
2.3.5.12. Lipide simple – nesaponificabile
2.3.5.13. Prostaglandine
2.3.5.14. Micele, monostraturi și dublu straturi lipidice
2.3.5.15. Sistemele lipoproteice
2.3.5.16. Lipoproteine de transport din plasma sangvina
2.3.6. Vitamine … … 179
2.3.6.1. Definiție
2.3.6.2. Nomenclatură
2.3.6.3. Clasificare
2.3.6.3.1. Vitaminele hidrosolubile
2.3.6.3.2. Pseudo-vitamine
2.3.6.4. Deficiențe și excese de vitamine
2.3.7. Acizi nucleici … … 184
2.3.7.1. Definiție
2.3.7.2. Funcții
2.3.7.3. Structura ADN
2.3.7.3.1. Structura primară a acizilor nucleici
2.3.7.3.2. Structura secundară a acizilor nucleici
2.3.7.3.3. Structura terțiară a acizilor nucleici
2.3.7.3.4. Suprarăsucirea moleculelor de ADN
2.3.7.4 Acizii ribonucleici
CAPITOLUL 3. BIOCHIMIE DINAMICĂ (METABOLISMUL) … … … 192
3.1. Definiție, generalități
3.2. Funcțiile metabolismului
3.3. Direcțiile de acțiune a metabolismului
3.4. Tipuri de metabolism
3.4.1. Metabolismul aminoacizilor
3.4.2. Biosinteza proteinelor
3.4.3. Metabolismul glucidelor
3.4.4. Metabolismul lipidelor
3.5. Metabolismul energetic
3.5.1. Determinarea metabolismului energetic
3.5.2. Metabolismul energetic de bază ( metabolismul bazal)
3.5.3. Metabolismul energetic variabil
CAPITOLUL 4. METODE ȘI TEHNICI DE ANALIZĂ BIOCHIMICĂ … … … 224
4.1. Operații uzuale de laborator
4.2. Metode și tehnici de analiză biochimică
4.2.1. Metode chimice de analiză
4.2.2. Metode fizico-chimice de analiză
4.2.3. Metode electrochimice de analiză
4.2.4. Metode radiochimice de analiză
CAPITOLUL 5. EXERCIȚII ȘI PROBLEME … … … 246
CAPITOLUL 6. NORME SPECIFICE DE LUCRU ÎN LABORATORUL DE BIOCHIMIE … … … 256
BIBLIOGRAFIE … … … 265
Programa de în vățământ – BIOCHIMIE
Descrierea componentelor materiei vii și legăturile dintre ele:
Componentele materiei vii – elementele fundamentale – C,H, O, N, P, S; substanțe organice – proteine, glucide, lipide; substanțe anorganice – apa, anioni, cationi;
Structura și proprietățile materiei vii și legăturile dintre acestea
Caracterizarea metabolismului materiei vii:
Metabolism – definiție, caracterizare, anabolism, catabolism;
Tipuri de metabolism – intermediar glucidic, lipidic, proteic, hidro-electrolitic; energetic și bazal – substanțele energetice, mecanismele termogenezei/termolizei, mecanismele de reglare a temperaturii corpului; căi metabolice principale;
Interrelațiile dintre diferitele tipuri de metabolism – căi metabolice comune, reglarea cailor metabolice, utilizarea specifică a resurselor metabolice, dereglările metabolice și efectele lor asupra organismului.
Importanța enzimelor, hormonilor și vitaminelor în reglarea funcțiilor organismului:
Vitaminele – generalități, clasificare, rol; manifestări determinate de carența lor;
Enzimele – biosinteză, biodegradare, rolul lor în funcționarea organismului;
Hormonii – definție, clasificare, rolul lor în organism, mod de acțiune; patologia legată de hipo/hipersecreția lor.
CAPITOLUL 1. NOȚIUNI INTRODUCTIVE
Definirea și clasificarea substanțelor organice
Chimia organică este partea chimiei care studiază compușii (substanțele) organici, sub următoarele aspecte: izolarea și purificarea compușilor organici; stabilirea compoziției și structurii compușilor organici; cunoașterea posibilităților de transformare chimică a substanțelor organice; sinteza – industrială sau de laborator – a compușilor cu importanță practică.
Substanțele organice sunt acele substanțe extrase din regnurile vegetal (plante) și animal.
Substanțele organice se clasifică în două mari clase: HIDROCARBURI (de exemplu metan, acetilenă, naftalină) și DERIVAȚI DE HIDROCARBURĂ (de exemplu: alcoolul etilic, acetona, oțetul, aspirina, glucoza, fructoza, celuloza, amidonul, proteinele, vitaminele etc.).
HIDROCARBURI – compuși organici care au în compoziția lor numai atomi de C și H.
DERIVAȚI DE HIDROCARBURĂ – compuși organici care, pe lângă C și H, conțin și alte elemente chimice: F, Cl, Br, I, O, N, S, P.
Obiectul chimie organice îl constituie:
izolarea și purificarea compușilor organici;
stabilirea structurii și compoziției compușilor organici;
cunoașterea posibilităților de transformare a compușilor organici;
sinteza, industrială sau de laborator, a compușilor organici cu importanță practică.
Clasificarea compușilor organici se face în funcție de compoziție și de grupele funcționale pe care le conțin în moleculă. Hidrocarburile conțin în moleculă numai atomi de carbon și de hidrogen și se clasifică în funcție de modul de legare a atomilor de carbon și de raportul numeric al atomilor C/H.
1.2. Compoziția și structura substanțelor organice. Elemente organogene
Compoziția substanțelor organice
în compoziția substanțelor organice se găsesc, în general, numai nemetale.
Elementele chimice care intră în compoziția substanțelor organice se numesc elemente organogene: C, H, O, N, S, P, F, Cl, Br, I.
Cel mai în tâlnit element organogen este C, prezent în toate substanțele organice. Se cunosc în prezent peste 10 milioane de substanțe organice, dintre care 90% sunt obținute în laborator (compuși de sinteză).
Compoziția unei substanțe organice se determină pe baza informațiilor (datelor) obținute la analiza elementară (Justus von Liebig, 1830) a unei probe din substanța studiată. După izolare și purificare, substanța organică este supusă analizei elementare calitative și cantitative.
1.2.1.1. Analiza elementară calitativă – urmărește identificarea speciilor de atomi care compun substanța organică studiată. în acest scop, substanța este supusă unor transformări chimice simple, ai căror produși finali sunt specifici și ușor de identificat.
Carbonul și hidrogenul se identifică prin reacții de combustie ( în călzirea probei de substanță organică până la descompunere, în prezența oxidului de cupru), când se formează dioxid de carbon și apă: Substanță organică (C, H) + CuO = CO2 + H2O + Cu
Azotul se identifică prin tratarea probei de substanță cu Na metalic și apoi identificarea compușilor anorganici formați, prin reacții simple și specifice:
Substanță organică (C, N, …) + Na = NaCN (cianură de sodiu)
2NaCN + FeSO4 = Fe(CN)2 + Na2SO4
cianură de sodiu sulfat feros cianură de fier II sulfat de sodiu
Fe(CN)2 + 4NaCN = Na4[Fe(CN)6]
cianură de fier II cianură de sodiu hexacianoferat II de sodiu
3Na4[Fe(CN)6] + 4FeCl3 = Fe4[Fe(CN)6]3 + 12NaCl
hexacianoferat II clorură de fier III hexacianoferat II de fier III clorură de sodiu
de sodiu (albăstru de Berlin)
Sulful se identifică prin descompunerea probei de substanță cu sodiu și apoi precipitare cu acetat de plumb:
Substanță organică (C, S, …) + Na = Na2S (sulfură de sodiu)
Na2S + (CH3COO)2Pb = PbS + 2CH3COONa
sulfură de sodiu acetat de plumb sulfură de plumb acetat de sodiu
(precipitat negru)
Halogenii se identifică prin reacții de precipitare cu ioni de argint, după descompunerea probei cu Na:
Substanță organică (C, X, …) + Na = NaX (halogenură de sodiu)
NaX + AgNO3 = AgX + NaNO3
halogenură de sodiu azotat de argint halogenură de argint azotat de sodiu
(precipitat colorat)
1.2.1.2. Formule procentuale, brute și moleculare
Din datele obținute în urma analizei elementare calitative și cantitative, se stabilesc, succesiv:
formula procentuală – cota de participare a fiecărui element prezent în 100 părți (g, Kg) de substanță; de exemplu: C:40%, H=6,66%, O:53,34%.
formula brută – redă raportul numeric cel mai simplu dintre atomii componenți; de exemplu: (CH2O)n.
formula moleculară – redă tipul și numărul real al atomilor componenți existenți într-o moleculă de substanță; de exemplu: C3H6O3.
Exemplul 1: După izolare și purificare, substanța organică A a fost supusă analizei elementare, când s-au constatat următoarele: 0,2455 g substanță, după combustie, furnizează 0,3600 g CO2 și 0,1473 g H2O. Determinați formulele procentuală, brută și moleculară pentru substanța analizată, știind că masa molară a substanței A este 90 g/mol.
Etapa 1: se calculează cantitatea de C conținută în CO2 degajat:
μ CO2 = AC + 2AO = 12 + 216 = 44 g/mol, deci:
44 g CO2 … … … 12 g C
0,3600 g CO2 … … … x și:
( în 0,2455 g substanță analizată)
Etapa 2: se calculează cantitatea de H din apa obținută:
μH2O = 2AH + AO = 21+16 = 18 g/mol, deci:
18 g H2O … … … 2 g H
0,1473 g H2O … … … y și:
( în 0,2455 g substanță analizată)
Etapa 3: se calculează, prin diferență, cantitatea de O din proba de substanță (dacă acesta este prezent):
mO=mA–(mC+mH)=0,2455–(0.098+0,016)=0,1315 g O ( în 0,2455 g substanță analizată).
Etapa 4: se stabilește formula procentuală a substanței:
0,2455 g A … … … 0,098 g C … … … 0,016 g H … … … 0,1315 g O
100 … … … a … … … b … … … c
; ;
Etapa 5: se stabilește formula brută a substanței:
Transformarea formulei procentuale în formulă brută se face raportând procentele la masele atomice respective:
Valorile rezultate se raportează la valoarea cea mai mică obținută anterior: Se obține, astfel, raportul numeric cel mai simplu între atomii componenți, adică formula brută: C:H:O = 1:2:1 sau (CH2O)n
Etapa 6: se stabilește formula moleculară a substanței, cu ajutorul masei moleculare a acesteia:
Se calculează mai întâi masa formulei brute CH2O = 12 + 21 + 16 = 30 și apoi se determină n din formula brută, prin raportarea masei molare a substanței la masa formulei brute:
, iar formula moleculară se obține în mulțind valoarea lui n cu indicii numerici din formula brută: (CH2O)3 = C3H6O3.
Exemplul 2: Se supun analizei elementale 0,30 g substanță organică A, cu densitatea vaporilor săi în raport cu aerul de 2,07 (Maer = 28,9), prin combustie, când rezultă 0,224 L CO2 și 0,18 g H2O. Stabilește: formula procentuală, formula brută și formula procentuală a substanței analizate.
Se calculează masele moleculare pentru apă și dioxid de carbon:
MH2O = 2AH + AO = 2 + 16 = 18 și MCO2 = AC + 2AO = 12 + 32 = 44.
Se știe că 1 mol din orice gaz ocupă în condiții normale un volum Vm = 22,4 L, numit volum molar (vezi legile gazelor, clasa a IX-a).
1. se calculează:
-masa de C, mC din mCO2:
44 g CO2 … … … 12 g C
0,44 g CO2 … … … mC
mC = 0,4412/44 = 0,12 g C (ce se regăsesc în 0,30 g substanță A)
-masa de H, mH din mH2O:
18 g H2O … … … 2 g H
0,18 g H2O … … … mH
mH = 0,182/18 = 0,02 g H (care se regăsesc în 0,30 g substanță A)
-masa de O, mO, nu se determină direct, ci prin diferență, datorită excesului de oxigen folosit la analiza prin combustie:
mO = mA – (mC+mH) = 0,30 – (0,12+0,02) = 0,30 – 0,14 = 0,16 g ( în 0,30 g substanță A)
2. se calculează conținutul procentual al fiecărui element în cantitatea de substanță A (compoziția procentuală):
0,30 g A … … … 0,12 g C … … … 0,02 g H … … … 0,16 g O
100 … … … x … … … y … … … z
x = 40% C; y = 6,66% H; z = 53,34% O.
3. se determină formula brută a substanței A, ca la exemplul 1:
4. se determină formula moleculară:
-se calculează masa moleculară a substanței A, din formula densității relative (legile gazelor, clasa a IX-a):
-se calculează masa formulei brute CH2O = 12+2+16 = 30
-se calculează n din formula brută: n = 60/30 = 2
-se scrie formula moleculară: C2H4O2.
1.2.2. Structura compușilor organici
1.2.2.1. Noțiunea de structură chimică
Structura unui compus organic reprezintă modul în care atomii componenți sunt legați între ei și se influențează reciproc. La această idee fundamentală au contribuit A. M. Butlerov (”Teoria structurii compușilor organici”, 1861), J. H. van’t Hoff și A. LeBell (”Teoria stereochimică”, 1874), teoria electronică în chimia organică. Teoria structurii compușilor organici a facilitat sistematizarea științifică a numărului foarte mare de compuși organici existenți, a permis explicarea corectă a fenomenelor cunoscute și prevederea unora noi.
Structura unei molecule se referă la aspectul acesteia, cel mai caracteristic și definitoriu, deoarece structura unui compus determină proprietățile generale ale acestuia (mecanice, fizice, chimice, biochimice); orice fel de schimbare a structurii chimice a unui compus determină modificări privind proprietățile acestuia.
1.2.2.2. Principii generale de determinare a structurii compușilor organici
Stabilirea structurii unui compus organic are la bază mai multe principii, care reies din relația structură-proprietăți:
1. o substanță organică pură are o compoziție constantă, indiferent de sursa din care provine;
2. o substanță organică pură are proprietăți fizice și chimice constante;
3. o substanță organică cu proprietăți și compoziție constante are o singură structură.
Stabilirea structurii unui compus organic se face numai pe baza compoziției și proprietăților acestuia.
Structura unui compus organic se stabilește, pas cu pas, în mai multe etape, într-o anumită succesiune:
Etapa I: purificarea substanței până la puritate analitică, constatată prin invariabilitatea constantelor fizice: punct de topire, punct de fierbere, indice de refracție, densitate.
Etapa a II-a: stabilirea compoziției, prin analiză elementară calitativă și cantitativă, determinându-se procentul cu care participă, la compoziția respectivă, fiecare specie de atom prezentă; se determină astfel formula procentuală și apoi formula brută a substanței.
Prin metode fizice sau chimice se determină masa moleculară a substanței și apoi se stabilește formula moleculară a acesteia.
Formula moleculară a unui compus organic apare în totdeauna ca o succesiune de simboluri chimice (ale elementelor organogene plasate în ordinea importanței lor), urmate de indicii numerici respectivi, de exemplu: CH4, C2H6, CH3Cl, C2H4, C4H10O2N2 etc.
O formulă moleculară este reală dacă în deplinește simultan două condiții:
a) suma tuturor covalențelor elementelor componente trebuie să fie în totdeauna un număr par;
b) nesaturarea echivalentă (cifra de nesaturare) trebuie să aibe valori întregi și pozitive; pentru formula moleculară CaHbOcNdXe, nesaturarea echivalentă se calculează astfel:
Pe baza valorilor NE, se pot face aprecieri globale privind structura moleculei unei substanțe organice:
valori ale N.E. egale cu 0, 1, 2, 3 sunt specifice compușilor alifatici (saturați sau nesaturați, ciclici sau liniari);
valori ale N.E. egale cu 4, 5, 6 apar la compușii aromatici mononucleari;
valori ale N.E. mai mari de 7 sunt proprii compușilor aromatici polinucleari.
Etapa a III-a: stabilirea proprietăților, prin utilizarea unor metode fizice sau chimice.
Etapa a IV-a: elaborarea unui model structural, cu ajutorul formulelor de structură:
formule plane obișnuite;
formule de proiecție;
formule de configurație;
formule de conformație;
modele structurale.
Etapa a V-a: verificarea modelului structural, prin sinteza substanței studiate (cercetate) plecând de la compuși cu structură cunoscută și care reacționează pe calea unor mecanisme de reacție cunoscute.
Cercetarea și stabilirea proprietăților fizico-chimice ale compușilor organici ridică în că multe probleme.
în scopul stabilirii proprietăților, deci a structurii compușilor organici, sunt utilizate metode fizice, metode chimice sau chiar metode rezultate din îmbinarea celor două.
1.2.2.3. Metode chimice utilizate la studiul proprietăților și structurii substanțelor organice
Oxidarea este aplicată la unele clase de hidrocarburi, la alcooli, aldehide, cetone. Produșii de reacție rezultați sunt cetone sau acizi carboxilici, cu acelaș număr sau cu număr mai mic de atomi de carbon în moleculă.
Reducerea și hidrogenarea (de obicei catalitică) sunt aplicate compușilor nesaturați, care sunt transformați în compușii saturați corespunzători.
Hidroliza se aplică derivaților halogenați, produșilor de policondensare (polizaharide, poliamide, poliesteri) sau derivaților funcționali: amide, esteri, cloruri acide, nitrili.
Natura și numărul grupelor funcționale prezente într-o moleculă organică se stabilesc prin analiză funcțională – calitativă și cantitativă – prin reacții specifice.
Metodele chimice de stabilire a structurii compușilor organici prezintă o serie de dezavantaje: durată de timp ridicată, consumul definitiv a unei cantități apreciabile de substanță, informație structurală limitată, imposibilitatea automatizării unor operații.
1.2.2.4. Metode fizice utilizate la studiul proprietăților și structurii substanțelor organice
Metodele utilizate în stabilirea structurii compușilor organici prezintă o serie de avantaje de necontestat: sunt foarte rapide, consumă cantități foarte mici de substanță de analizat (care în final sunt recuperate integral), furnizează foarte multe informații structurale.
Cu ajutorul metodelor fizice se studiază comportarea moleculelor compușilor organici, la acțiunea diverșilor agenți fizici: radiații electromagnetice, fascicule de particule elementare (protoni, neutroni, electroni), câmpuri magnetice, lumină polarizată, căldură. Din datele obținute se deduc concluzii cu privire la structura compusului studiat.
1.2.2.5. Legături chimice în compușii organici
Substanțele organice se găsesc sub formă de molecule, în care atomii elementelor componente sunt uniți prin legături covalente.
Elementele organogene prezente în compușii organici prezintă, fiecare, o anumită valență, dată de numărul de electroni puși în comun, pentru a forma legături covalente. Astfel: C (IV), H (I), O (II), N (III), S (II), P (III și V), F, Cl, Br, I (I).
Ca urmare a structurii lor electronice, atomii elementelor organogene pot participa la formarea legăturilor chimice covalente atât în stare fundamentală (cazul elementelor X: F, Cl, Br, I; H, N, S), cât și în stare hibridizată (C, O, N, S).
Legătura covalentă se formează între doi atomi de nemetal, prin punere în comun de electroni. Doi orbitali atomici monoelectronici se acoperă reciproc (se întrepătrund) într-o anumită măsură, formând un orbital molecular, alcătuit dintr-un dublet electronic de legătură și care satisface necesarul de sarcină electrică negativă pentru cele două nuclee.
În funcție de natura atomilor care participă la formarea lor, legăturile covalente pot fi: legături covalente polare (între atomi de același fel, de exemplu H – H, O=O, C – C, C=C etc.) sau legături covalente nepolare (între atomi diferiți, de exemplu: H – Cl, H – O – H, O=C=O, etc.). După numărul de electroni puși în comun de către fiecare atom, legătura covalentă poate fi: simplă (H – H, Cl – Cl, H – O – H etc.), dublă (O=O, O=C=O, C=C etc.), triplă (N≡N, C≡N).
1.2.2.6. Hibridizare
Orbitalii monoelectronici, destinați formării legăturilor covalente, apar la unele elemente în stare fundamentală, la altele în starea hibridizată a structurii lor electronice.
Hibridizarea reprezintă fenomenul de ”amestecare” a orbitalilor din structura electronică a unui atom, cu formarea unui nou orbital (numit orbital hibrid), cu energie și formă intermediară orbitalilor inițiali.
Hidrogenul și halogenii (X: F, Cl, Br, I) au orbitali monoelectronici în starea fundamentală și – fiind monocovalenți – formează numai legături simple: legături σ, realizate printr-un singur dublet electronic.
Oxigenul și sulful au orbitali monoelectronici în stare fundamentală, cu care pot forma legături simple de tip σ, dar pot participa, de seama electronilor neparticipanți, și la fenomenul de hibridizare de tip sp3 sau sp2, rezultând legături covalente realizate prin două dublete electronice (unul σ și unul π), adică legături covalente duble.
Figura 1. Stările de hibridizare ale atomului de oxigen
Azotul poate poate forma legături covalente simple, duble sau triple, atât în stare fundamentală, cât și în stare de hibridizare sp3, sp2 sau sp.
Figura 2. Stările de hibridizare ale atomului de azot
Atomul de carbon participă la formarea de legături covalente în compușii organici numai în stare hibridizată a structurii sale electronice. Atomul de carbon realizează cu alt atom de carbon legături covalente prin unul, două sau trei dublete electronice comune, adică legături simple, duble sau triple, corespunzătoare stărilor de hibridizare sp3, sp2 sau sp.
Figura 3. Stările de hibridizare ale atomului de carbon
Legăturile covalente sunt legături localizate, fiind caracterizate de două mărimi fizice specifice: energia de legătură El și distanța interatomică (internucleară).
Energia de legătură (El) reprezintă cantitatea de energie degajată la formarea unei legături covalente între doi atomi.
În cazul moleculelor diatomice, energia de legătură este egală cu energia de disociere a moleculei respective în atomi liberi.
În cazul moleculelor poliatomice, energia de legătură se determină indirect, din date termochimice: căldură de formare, căldură de ardere etc.
Distanțele interatomice sau lungimea legăturilor covalente reprezintă suma razelor covalente ale atomilor legați sau distanța minimă la care se pot apropia cele două nuclee ale celor doi atomi care se leagă, pentru ca energia sistemului să aibă valoare minimă. Aceste distanțe se apreciază prin metoda difracției razelor X (metoda röntgenografică) și se măsoară în angstromi, Å (1Å = 10-10m).
1.2.2.7. Catene (lanțuri) de atomi de carbon
O proprietate specifică elementului C în substanțele organice este aceea că formează catene sau lanțuri de atomi de C, de exemplu:
C C C
C – C – C – C C=C – C – C C – C – C C – C – C – C
Catenele se pot clasifica astfel:
Exemple de catene:
1.2.2.8. Tipuri de atomi de carbon
După numărul și natura legăturilor covalente pe care atomii de C într-o catenă le formează cu alți atomi de C, aceștia se pot clasifica în:
atomi de C primari (formează o singură legătură covalentă simplă cu un C vecin);
atomi de C secundari (formează o legătură dublă cu un alt C sau două legături simple cu doi atomi de C vecini);
atomi de C terțiari (formează o legătură triplă cu un alt C vecin, o legătură dublă și una simplă sau trei legături simple cu alți atomi de C);
atomi de C cuaternari (formează o legătură triplă și una simplă; două legături duble; două legături simple și una simplă; patru legături simple cu alți atomi de C vecini).
Structura chimică este factorul determinant al proprietăților sale, deoarece un anumit aranjament al atomilor componenți într-o moleculă creează un anumit tip de interacțiuni atomice, care se reflectă în proprietăți fizice și chimice bine definite.
Compușii organici care prezintă aceeași formulă moleculară (aceeași compoziție chimică), dar au structuri diferite (deci proprietăți diferite) se numesc izomeri, iar fenomenul datorat existenței lor – izomerie.
Reprezentarea unei structuri chimice se face cu ajutorul formulelor de structură și al modelelor. Cele mai folosite tipuri de formule sunt: formulele plane obișnuite (vezi exemplul A) și formule de proiecție (vezi exemplul B). De exemplu, structura compusului cu formula moleculară C2H6 poate fi reprezentată astfel:
H H
CH3 – CH3 (A) H – C – C – H (B)
H H
Metode de separare și purificare a substanțelor organice
În scopul stabilirii compoziției substanțelor organice, acestea sunt mai întâi izolate de mediul de reacție, apoi sunt purificate, pentru îndepărtarea oricăror urme de substanțe străine.
Izolarea și purificarea substanțelor organice se poate realiza printr-o gamă largă de metode fizice, fizico-chimice, chimice și biochimice.
Alegerea metodei de separare sau purificare se face în funcție de proprietățile substanțelor aflate în amestec, mai precis de caracteristicile fizico-chimice ale acestora.
Principalele metode de separare, purificare ori concentrare a componentelor din amestecuri omogene sau eterogene care se utilizează frecvent în cadrul analizelor de laborator sunt:
*Metode mecanice:
-separarea sub lupă sau microscop;
-sedimentare și decantare;
-centrifugare;
-filtrare.
*Metode fizice:
-distilare și rectificare;
-extracție;
-absorbție;
-adsorbție;
-sublimare.
*Metode chimice :
-precipitare;
-cristalizare.
Sublimarea – operație de purificare bazată pe proprietatea unor substanțe solide de a trece, prin în călzire, direct în fază gazoasă, fără a se topi. Prin condensarea vaporilor formați se obțin cristale de puritate superioară probei inițiale.
Distilarea – metodă de izolare a unei substanțe organice dintr-un amestec lichid, alcătuit din mai mulți compuși. Metoda se bazează pe diferența dintre punctele de fierbere ale componenților din amestec.
Cristalizarea – metodă de separare și purificare, care se bazează pe diferența de solubilitate a componentelor unui amestec într-un dizolvant, la o temperatură apropiată de punctul de fierbere a substanței studiate. Se obține o soluție saturată, care, prin răcire, conduce la o masă de cristale pure.
Extracția – metodă aplicată atât lichidelor, cât și solidelor, care permite separarea unui component dintr-un amestec, pe baza solubilității sale selective în anumiți solvenți.
1.4. Hidrocarburi
1.4.1. Alcani (parafine)
Hidrocarburile saturate se împart în funcție de structura catenei, în alcani și cicloalcani. Sunt hidrocarburi saturate deoarece conțin în moleculă numai legături σC-C și σC-H.
Alcanii sunt hidrocarburi saturate aciclice în care raportul de combinare dintre atomii de carbon și hidrogen este redat de formula generală CnH2n+2, n≥1.
Nomenclatura alcanilor, serie omoloagă
Seria omoloagă este o serie de termeni chimici din aceeași clasă de compuși organici, care diferă între ei printr-o grupare –CH2 –, numită metilen.
Radicali ai alcanilor
Radicalii hidrocarbonați derivă teoretic de la hidrocarburi prin îndepărtarea unuia sau mai multor atomi de hidrogen. Radicalii liberi derivați de la alcani se numesc radicali alchil (alchilici sau alcanici). Radicalii liberi monovalenți conțin un electron necuplat la un atom de carbon și sunt neutri din punct de vedere electric.
De la metan derivă radicalul bivalent –CH2– (metiliden sau metilen) și radicalul trivalent >CH – (metilidin sau mețin). Radicalii divalenți derivați de la etan sunt –CH2-CH2- (etilen sau etandiil) și CH3-CH< (etiliden).
Denumirea izoalcanilor, conform sistemului IUPAC, se face respectându-se următoarele reguli:
se alege catena de bază care este catena cea mai lungă și se numerotează astfel în cât ramificația să aibă indici de poziție minimi.
dacă doua lanțuri cu lungime egală concură pentru alegerea lanțului de bază, se va alege lanțul care are numărul mai mare de substituienți.
numerotarea catenei cu mai multe ramificații (catena laterală) se face astfel încât suma indicilor de poziție să fie minimă și radicalii se indică în ordinea alfabetică.
prezența mai multor radicali identici se indică prin folosirea prefixelor di-, tri-, tetra-, etc.
numerotarea catenei cu mai multe ramificații diferite la distanțe egale de capetele lanțului se face în ordine alfabetică:
Izomeria alcanilor
Alcanii cu minimum patru atomi de carbon în molecula prezintă izomerie de catenă (izomeria care apare datorită ramificării catenei). Alcanii cu catenă liniară se numesc normal-alcani (n-alcani), iar cei cu catenă ramificată se numesc izoalcani sau izoparafine.
Structurile și denumirile butanilor izomeri, ale pentanilor izomeri și ale hexanilor izomeri sunt următoarele:
H3C-CH2-CH2-CH2-CH2-CH3 normal-hexan
Structura alcanilor
În molecula alcanilor toți atomii de carbon sunt hibridizați sp3 și deci alcanii nu au molecule plane. Valențele atomilor de carbon sunt orientate în spațiu după vârfurile unui tetraedru regulat; unghiul dintre valențe are valoarea 109028’, lungimea legăturii C-H este de 1,1Ǻ, lungimea legăturii C-C este de 1,54Ǻ.
Catenele alcanilor cu mai mult de doi atomi de carbon în moleculă nu sunt liniare, ci au configurație de zig-zag (mai stabilă) în care atomii de carbon sunt coplanări, iar atomii de hidrogen sunt orientați în spațiu.
Lanțurile atomilor de carbon nu sunt rigide și pot adopta un număr mare de conformații numite izomeri de conformație. Cele două formule de conformație indică aranjamentele geometrice rezultate prin rotirea în jurul legăturii simple (conformația legăturii). Conformația intercalată este mai săraca în energie decât cea eclipsată.
Proprietățile fizice ale alcanilor
Proprietățile fizice sunt dependente de tăria forțelor intermoleculare, care la rândul lor depind de structura chimică. între moleculele nepolare de alcani se exercită forțe intermoleculare slabe de tip van der Waals și din această cauză alcanii prezintă constante fizice scăzute și sunt insolubili în apă.
Starea de agregare
În condiții obișnuite de temperatură și presiune, alcanii C1- C4 sunt gazoși și inodori, alcanii C5-C17 sunt lichizi și au miros de benzină, alcanii superiori sunt solizi și inodori.
Temperatura de fierbere și de topire, densitatea cresc cu masa molară. Densitatea este mai mică decât a apei și punctul de fierbere scade cu ramificarea catenei.
Solubilitatea
Alcanii sunt insolubili în apă, solubili în solvenți organici (eter, cloroform, benzen).
Proprietățile chimice ale alcanilor
Alcanii prezintă reactivitate chimică scăzută în condiții obișnuite de temperatură și de presiune, de unde și denumirea de parafină (parum affinis – lipsa de afinitate în limba greacă). Absența polarității moleculelor și tăria legăturilor C-C și C-H explică stabilitatea chimică a alcanilor. în condiții energice (temperatură, presiune, catalizator) se rup legăturile C-C și C-H și au loc următoarele reacții chimice:
Reacția de substituție (halogenare, nitrare) constă în substituția unuia sau mai multor atomi de hidrogen cu alți atomi sau grupări de atomi:
Reacția de halogenare
R-H + X2 → R-X + HX (X= Cl, Br)
Halogenarea alcanilor decurge în condiții fotochimice sau termice (la 3000- 4000 C) are mecanism în lanț și este exotermă. La clorurarea și bromurarea alcanilor rezultă un amestec de compuși mono- și polihalogenați, în funcție de raportul molar alcan:X2 și de durata reacției. La monohalogenarea metanului și a etanului rezultă un singur compus monohalogenat (legăturile C-H sunt echivalente):
Cu exces de halogen se obține un amestec de compuși mono- și polihalogenați:
Monohalogenarea alcanilor care au mai mult de doi atomi de carbon în moleculă duce la obținerea de amestecuri de compuși monohalogenați, care sunt izomeri de poziție.
Reacțiile de substituție sunt regioselective, în sensul că se substituie preferențial atomul de hidrogen cel mai reactiv: hidrogenul de la carbonul terțiar este mai reactiv decât hidrogenul de la carbonul secundar și acesta mai reactiv decât hidrogenul de la carbonul primar.
Reactivitatea bromului este mai mică și deci bromurarea este mai selectivă și mai puțin exotermă decât clorurarea (bromul substituie atomul de hidrogen cel mai reactiv). La bromurarea propanului se formează 2-bromopropan în procent de 98%.
Reactivitatea halogenilor în reacția de substituție scade în ordinea: F2> Cl2> Br2> I2. Derivații fluorurați ai alcanilor se obțin indirect, conform reacției:
2 CH3-CH2 –Cl + HgF2 → 2 CH3 –CH2-F + HgCl2
Fluorul reacționează violent și se rup legăturile C-C și C-H(au loc arderi în fluor):
CH4 + 2F2 → C + 4HF
Derivații iodurați ai alcanilor nu se obțin direct pentru că HI format descompune instantaneu iodura de alchil obținută:
CH4 + I2 → CH3–I +HI → CH4 + I2
Nitrarea alcanilor constă în substituirea unui atom de hidrogen cu gruparea nitro, când rezultă nitroalcani:
CH4 + HONO2 → CH3–NO 2+ H2O
nitrometan
Reacția de izomerizare a alcanilor constă în transformarea n-alcanilor în izoalcani și invers, obținându-se un amestec de hidrocarburi izomere. Reacția este catalizată de clorura de aluminiu activată de urme de apă.
La izomerizarea pentanului se obține un amestec format din cei trei izomeri.
Reacția de descompunere termică a alcanilor
Alcanii prezintă stabilitate chimică până la 300-400°C°(metanul este stabil până la 900). Peste această temperatură alcanii suferă descompuneri termice când se rup legăturile C-C (reacție de cracare) și C-H (reacție de dehidrogenare). în procesul de cracare (proces de descompunere termică la temperaturi mai mici de 650°C rezultă un amestec de alcani și de alchene cu număr mai mic de atomi de carbon în moleculă.
La descompunerea n-butanului au loc următoarele reacții chimice:
-reacții de cracare:
-reacții de dehidrogenare
Metanul suferă un proces de piroliză (descompunere termică la temperaturi de peste 650°C).
2CH 4 → C2H2 + 3H2
Dehidrogenarea catalitică a alcanilor
Alcanii cu doi până la cinci atomi de carbon în catena principală formează alchene prin dehidrogenare catalitică (Cr2O3/Al2O3/K2O, 400-6000C, presiune), sau diene (Fe2O3/Cr2O3).
CH3-CH2-CH3 → CH2=CH-CH3 + H2
2-metilbutan 2-metil-1,3-butadiena (izopren)
Alcanii cu 6 până la 9 carboni în catena principală formează arene prin dehidrogenare catalitică (Pt/C la 310°C sau Cr2O3/470°C, proces denumit reformare catalitică, aromatizare sau platformare.
Oxidarea alcanilor
Alcanii sunt stabili la acțiunea agenților oxidanți ionici. în condiții energice (temperatură, presiune, catalizator), alcanii superiori (parafinele) se oxidează cu aer, cu sau fără ruperea moleculei, formându-se acizi carboxilici superiori:
R-(CH2)m-CH3 +3/2 O2 → R-(CH2)m-COOH + H2O
CH3-(CH2)m-CH2-CH2-(CH2)n-CH3 + 5/2 O2 → CH3-(CH2)m-COOH + CH3-(CH2)n-COOH
Oxidarea totală, numită și ardere, conduce la formarea de bioxid de carbon și apă. Aceste reacții sunt puternic exoterme și stau la baza folosirii alcanilor drept combustibili.
Identificarea hidrocarburilor saturate se poate face pe baza proprietăților fizice (solubilitate, punct de fierbere sau de topire, densitate, indice de refracție, spectre IR). Aflate în amestec, hidrocarburile saturate se pot identifica numai prin metode cromatografice.
1.4.2. Cicloalcani (cicloparafine)
Definiție.Clasificare.Nomenclatură
Cicloalcanii sunt hidrocarburi ciclice saturate cu formula generală CnH2n+2-2p unde p reprezintă numărul de cicluri (la în chiderea unui ciclu, numărul atomilor de hidrogen din moleculă scade cu 2).
Cicloalcanii se clasifică astfel:
Monocicloalcanii se denumesc conform IUPAC prin adăugarea prefixului ciclo la numele alcanului cu același număr de atomi carbon.
La cicloalcanii cu două nuclee izolate, ciclul cel mai mic se considera substituentul ciclului mai mare.
Compușii spirociclici sau spiranii (au un atom de carbon comun, numit carbon spiranic) se denumesc cu ajutorul prefixului spiro la numele alcanului cu același număr de atomi de carbon, indicându-se în paranteze patrate numărul atomilor de carbon din fiecare ciclu. Compușii ciclici cu punte se denumesc cu ajutorul prefixului biciclo, triciclo, etc. la numele alcanului corespunzător, indicându-se în paranteze pătrate numărul atomilor de carbon din inelul principal, urmat de numărul atomilor de carbon din inelul secundar, apoi de numărul atomilor de carbon din punte.
Inelele cicloparafinice constituie scheletul multor substanțe raspândite în natură cum ar fi terpenele și steroizii.
Proprietățile fizice ale cicloalcanilor
Ciclopropanul și ciclobutanul sunt gaze la temperatură obișnuită și au miros caracteristic. Termenii C5…C10 sunt lichizi iar cicloalcanii cu peste C10 sunt solizi și sunt inodori. Temperatura de fierbere, temperatura de topire și densitatea cresc cu numărul atomilor de carbon din ciclu și sunt mai ridicate decât ale alcanilor cu același număr de atomi de carbon.
Sunt insolubili în apă, solubili în hidrocarburi, compuși halogenați.
Stabilitatea cicloalcanilor
Ciclizarea catenei produce o deviere a valențelor atomului de carbon tetraedric de la orientarea lor normală. Devierea este foarte mare la ciclopropan și scade cu creșterea ciclului. Această deviere are drept urmare crearea unei tensiuni în ciclu, numită tensiune Baeyer și deci o creștere a conținutului energetic.
Ciclurile de 5 și 6 atomi de carbon sunt mai stabile decât ciclurile mai mari sau mai mici. De aceea, în natură se în tâlnesc numerosi derivați ai ciclopentanului și ai ciclohexanului. Absența tensiunii în ciclurile de 6 atomi și deci stabilitatea acestora se explică admițând ca ciclul nu este plan, ci este deformat în spațiu.
Proprietățile chimice ale cicloalcanilor
Reacții de adiție
Ciclopropanul și ciclobutanul prezintă caracter nesaturat și caracter saturat slab, din cauza tensiunii de ciclu mare. Cicloalcanii superiori prezintă caracter saturat și dau reacții de substituție. Reacțiile de adiție la ciclopropan și ciclobutan decurg cu deschiderea ciclului
Ciclobutanul este mai puțin reactiv și nu reacționează prin deschidere de ciclu la temperatura camerei cu halogenii și hidracizii. Ciclopentanul este și mai stabil și nu reacționează cu deschidere de ciclu decât la temperaturi mai mari de 3000C.
Reacții de descompunere termică
La descompunerea termică a cicloalcanilor rezultă alchene.
Reacții de substituție
Ciclurile de 5 și 6 atomi dau reacție de substituția (halogenare fotochimică și nitrare)
Dehidrogenarea catalitică a ciclohexanilor conduce la hidrocarburi aromatice.
Reacția de izomerizare
Ciclurile mai mari sau mai mici de 5 sau 6 atomi de carbon în moleculă se izomerizează, transformându-se în cicluri de 5 sau 6 atomi de carbon care sunt mai stabili. Izomerizarea ciclohexanului, ciclopentanului și a derivaților lor are loc cu în gustare sau cu lărgire de ciclu.:
Etilciclobutanul se transformă cantitativ în tr-un amestec ciclohexan și metilciclopropan.
Reacția de oxidare
Ciclohexanul se oxidează în condiții catalitice și conduce la produși diferiți, în funcție de condițiile de reacție:
1.4.3. Alchene (olefine)
Definiție. Serie omoloagă. Nomenclatură
Alchenele sunt hidrocarburi aciclice nesaturate care au în molecula o legătură dubla C=C și au formula generală CnH2n (n≥2).
Formulele și denumirile alchenelor C2…..C4 sunt următoarele:
CH2=CH2 (etenă, etilenă) CH2=CH-CH3 (propenă, propilenă)
Denumirea alchenelor se face înlocuind în denumirea alcanului corespunzător sufixul –an cu sufixul –enă sau –ilenă. Pentru denumirea izoalchenelor se respectă aceleași reguli de nomenclatură ca la alcani, la care se mai adaugă următoarea regulă: catena de bază este catena cea mai lungă care conține dubla legătură și numerotarea catenei de bază se face astfel încât dubla legătură să aibă indice minim.
Radicali alchenici
CH2=CH- CH3-CH=CH- CH2=CH-CH2-
etenil 1-propenil 2-propenil 3-propenil
vinil izoalil izopropenil alil
Structura și izomeria alchenelor
Molecula etenei este plană, atomii de carbon fiind hibridizați sp2 (orientare trigonală). Omologii etenei au în structură și atomi de carbon hibridizați sp3 cu geometrie tetraedrică.
Alchenele care conțin în moleculă cel puțin 4 atomi de carbon pot prezenta izomerie de catenă, izomerie de poziție și izomerie geometrică (etilenica sau cis-trans).
Izomerii structurali cu formula moleculară C4H8 sunt prezentați mai sus: 1-butena și 2-butena sunt izomeri de poziție ai dublei legături, iar izobutena este izomer de catenă cu primele două butene.
Alchenele sunt izomerii de funcțiune ai cicloalacanilor. Exemplu:
Legătura π este rigida și nu permite rotirea atomilor pe care îi leagă. Din această cauză alchenele care au substituienți diferiți la același carbon sp2 prezintă izomerie geometrică sau stereoizomeri.
Izomerii geometrici ai 2-butenei și 2-hexenei sunt următorii:
Când atomul de carbon sp2 are 4 substituienți diferiți, izomerii geometrici se denumesc Z și E. În stereoizomerul Z substituienții de referință (cei cu numărul atomic Z minim) sunt situați de aceeași parte a planului dublei legături, iar în stereoizomerul E sunt situați de o parte și de cealaltă parte a planului dublei legături.
Proprietățile fizice ale alchenelor
În condiții obișnuite de temperatură și de presiune, alchenele C2….C4 sunt gazoase, C5….C18 sunt lichide, iar cele superioare sunt solide.
Sunt compuși incolori, mai ușori decât apa, au puncte de fierbere mai mici sau comparabile cu ale alcanilor corespunzători, iar densitatea este mai mare decât la alcanii corespunzători. Punctul de fierbere crește cu masa molară, și este cu atât mai mic cu cât legătura dublă este mai marginală.
Punctele de fierbere și de topire ale alchenelor C2-C5 au următoarele valori:
Izomerii geometrici prezintă reactivitate chimică și proprietăți fizice diferite: stereoizomerul cis este mai polar, prezintă reactivitate chimică mai mare, are punct de fierbere și densitate mai mare decât stereoizomerul trans. Punctul de topire este mai mare la izomerul trans, care, din cauza simetriei moleculare, formează rețele cristaline mai compacte și deci mai stabile. Din această cauză solubilitatea este mai mică.
Sunt solubile în solvenți organici: hidrocarburi, alcooli, eteri, acetonă, cloroform, acid sulfuric concentrat.
Proprietățile chimice ale alchenelor
Legătura π este mai polarizabilă decât legătură σ, ceea ce explică reactivitatea mărită a alchenelor, comparativ cu a alcanilor.
Alchenele prezintă caracter chimic nesaturat și dau următoarele reacții caracteristice:
Adiție (H2, X2, HX, H2O)
Polimerizare
Substituție alilică
Oxidare, ardere
Reacțiile de adiție au loc cu ruperea legăturii π, când rezultă compuși saturați:
Adiția hidrogenului (hidrogenarea)
CH2=CH2 + H2 CH3-CH3
CH2=CH-CH2-CH3 + H2 CH3-CH2-CH2-CH3
Prin hidrogenarea catalitică a uleiurilor vegetale crește stabilitatea oxidativă a acestora și se obțin grăsimi de tipul margarinei.
Adiția halogenilor (halogenarea) conduce la derivați dihalogenați vicinali. Fluorul reacționează exploziv cu dubla legătură, iodul reacționează foarte greu, la lumină. Reacția decurge ușor pentru clor și brom și se efectuează în solvent inert (CCl4, CH2Cl2) în care se dizolvă alchena și halogenul.
Schema generală a reacției de adiție a bromului la alchene:
Reacția propenei cu clorul sau bromul la temperaturi de 500-6000C este o reacție de substituția în poziție alilică și rezultă compuși nesaturați.
Adiția hidracizilor (hidrohalogenarea) decuge cu formarea compușilor monohalogenați.
Adiția hidracizilor (HI, HBr, HCl) la alchenele simetrice nu este orientată.
Adiția hidracizilor la alchenele nesimetrice este orientată (decurge regioselectiv) conform regulii lui Markovnikov: atomul de halogen se leagă la atomul de C cel mai sărac în atomi de H, din dubla legătură.
În prezență de peroxizi organici, alchenele cu dubla legătură marginală adiționează HBr contrar regulii lui Markovnikov:
Adiția apei (hidratarea) se face în prezența unui catalizator acid (H2SO4 sau H3PO4) și conduce la alcooli:
Adiția apei la alchenele nesimetrice se face cu respectarea regulii lui Markovnikov.
Reacția de polimerizare este reacția prin care un număr mare de molecule de monomer se unesc și formează o macromoleculă numită polimer.
Schematic, polimerizarea se poate reprezenta astfel:
Polimerizarea monomerilor vinilici decurge după următoarea schemă:
,
unde Z poate fi H (etena), CH3 (propena), Cl (clorura de vinil), CN (acrilonitril), OCOCH3 (acetat de vinil), C6H5 (stiren).
Reacția de oxidare
Alchenele sunt ușor oxidabile cu agenți oxidanți ionici și conduc la produși de oxidare diferiți, în funcție de agentul oxidant folosit și de structura alchenei.
Oxidarea blândă cu soluție apoasă neutră sau slab bazică de KMnO4 (reactiv Baeyer) conduce la dioli vicinali:
Oxidarea energică (distructivă) cu KMnO4 sau K2Cr2O7 în prezență de H2SO4 are loc cu ruperea totală a legăturii π și conduce la acizi sau cetone, în funcție de structura alchenei:
Reacția de oxidare energică servește la determinarea poziției dublei legături în moleculă.
Reacția de ardere (oxidarea completă) duce la formarea de CO2 și H2O.
Reacția de autooxidare (peroxidarea alchenelor) este un proces de degradare oxidativă sub acțiunea oxigenului molecular sau a aerului când se formează hidroperoxizi la carbonul alilic:
Hidroperoxizii suferă scindări oxidative și se formează o gamă largă de produși: aldehide, cetone, eteri, alcooli, hidrocarburi.
Cicloalchenele dau reacții de adiție, oxidare, ardere, substituție alilică.
Exemplu:
Identificarea alchenelor
Adiția bromului la dubla legatură este însoțită de decolorarea soluției de brom.
Oxidarea cu permanganat de potasiu în soluție apoasă neutră sau alcalină (reactiv Baeyer) este însoțită de dispariția culorii violet a permanganatului și de formarea unui precipitat de MnO2. Hidrocarburile aromatice nu decolorează reactivul Baeyer și deci reacția de identificare a dublei legături poate fi efectuată în solvenți ca toluen, benzen etc.
Analiză spectrală UV, IR.
1.4.4. Diene și poliene
Definiție. Serie omoloagă. Denumire
După structura catenei și numărul legăturilor duble există:
Alcadiene- hidrocarburi aciclice cu două legături duble (CnH2n-2);
Alcatriene- hidrocarburi aciclice cu trei legături duble (CnH2n-4);
Poliene- cele conjugate au formula generală CH2=CH-(CH=CH)n-CH=CH2;
Cicloalcadiene- au formula generală CnH2n-4.
După poziția relativă a dublelor legături, alcadienele pot avea:
-duble legături cumulate:
CH2=C=CH-CH2-CH3 CH3-CH=C=CH-CH3
1,2-pentadiena 2,3-pentadiena
-duble legături conjugate:
CH2=CH-CH=CH-CH3 1,3-pentadiena
-duble legături izolate:
CH2=CH-CH2-CH=CH2 1,4-pentadiena
Structurile și denumirile n-hexadienelor sunt următoarele:
CH2=C=CH-CH2-CH2-CH3 CH3-CH=C=CH-CH2-CH3 CH2=CH-CH=CH-CH2-CH3
1,2-hexadiena 2,3-hexadiena 1,3-hexadiena
CH3-CH=CH-CH=CH-CH3 CH2=CH-CH2-CH=CH-CH3 CH2=CH-CH2-CH2-CH=CH2
2,4-hexadiena 1,4-hexadiena 1,5-hexadiena
Denumirea dienelor se formează prin înlocuirea sufixului –an din numele alcanului corespunzător cu sufixul –adiena. Poziția dublelor legături se indica prin cifre și numerotarea catenei de bază (care conține dublele legături) se face astfel încât suma indicilor dublelor legături să fie minimă. Substituienții se denumesc în ordine alfabetică.
Izomeria alcadienelor
Alcadienele care au minim patru atomi de carbon în moleculă prezintă izomerie de poziție a dublei legături, iar cele care au minimum cinci atomi de carbon prezintă și izomerie de catenă. CH2=CH-CH=CH-CH3 și CH2=C(CH3)-CH=CH2 (izopren sau 2-metil-1,3-butadiena) sunt izomeri de catenă.
Dienele conjugate substituite pot prezenta și izomerie cis-trans.
Proprietăți fizice
La temperatură obișnuită, propadiena și butadiena sunt gaze, iar termenii superiori sunt lichizi. Punctele de fierbere sunt mai scăzute decât ale alcanilor corespunzători și cresc cu lungimea catenei. Sunt solubile în solvenți organici.
Proprietățile chimice ale alcadienelor
În dienele cu duble legături izolate, electronii π sunt localizați între atomii de carbon hibridizați sp2 și acestea prezintă proprietățile alchenelor.
În dienele cu duble legături conjugate există interacții între electronii π ai celor două duble legături și electronii π sunt delocalizați între cei patru atomi de carbon sp2. Dienele conjugate sunt mai reactive decât cele cu duble legături izolate.
Dienele prezintă caracter chimic nesaturat și dau reacții de adiție, polimerizare și oxidare.
Reacții de adiție
Adiția hidrogenului (hidrogenarea) la dienele conjugate se realizează în condiții catalitice (Ni, Pd, Pt), când rezultă alcanii corespunzători sau cu hidrogen în stare născândă, provenind din reacția sodiului sau a sodiului amalgamat cu apă, acizi sau alcooli. În acest ultim caz rezultă alchene.
De exemplu: Ni
CH2=CH-CH=CH2 + 2H2 → CH3-CH2-CH2-CH3
1,3-butadiena n-butan
C2H5-OH, Na
CH2=CH-CH=CH2 + 2[H] CH3-CH=CH-CH3
C6H5-CH=CH-CH=CH-C6H5 + 2[H] C6H5-CH2-CH=CH-CH2-C6H5
1,4-difenil-1,3-butadiena 1,4-difenil-2-butena
Adiția halogenilor (Br2, Cl2) la dienele conjugate duce la un amestec de produși de adiție 1,4- și 1,2-.
2CH2=CH-CH=CH2 + 2Cl2 ClCH2-ClCH-CH=CH2 + ClCH2-CH=CH-CH2Cl
50% 50%
3,4-dicloro-1-butena 1,4-dicloro-2-butena
Prin adiția bromului la butadienă se obține majoritar (90%) produsul de adiție 1,4. Bromul este mai puțin reactiv decât clorul și reacționează regioselectiv, atacând pozițiile mai reactive. în exces de brom se obține 1,2,3,4-tetrabromobutanul.
Oxidarea energică a dienelor conduce la cetone sau acizi monocarboxilici și derivați difuncționali (dicetone, cetoacizi).
Polimerizarea dienelor decurge ca o poliadiție 1,4:
n CH2=CH-CH=CH2 → -(CH2-CH=CH-CH2-)n polibutadienă
Cauciucul natural este forma cis a poliizoprenului, iar forma trans este denumită gutapercă.
1.4.5. Poliene cu structură izoprenică (izoprenoizi sau izoprenoide)
Conform principiului construcției izoprenice, majoritatea acestor compuși sunt constituiți formal din resturi de izopren unite cap la coadă (adiție 1,4), dar împreunate coadă la coadă la mijlocul catenei.
Clasificare. Nomenclatură
Izoprenoidele se clasifică astfel:
Terpenoide
Politerpenoide
Carotinoide (carotenoide)
Steroide
Politerpenoidele sunt compuși macromoleculari naturali cu formula (C5H8)n: cauciucul natural și gutaperca.
Terpenoidele cuprind hidrocarburile de origine vegetală cu formula moleculară (C5H8)n numite terpeni (hidrocarburi izoprenoide) și derivații lor oxigenați: alcooli, aldehide, cetone, eteri, epoxizi, oxizi, acizi carboxilici.
În plante se găsesc monoterpene cu formula C10H16 (n=2), sesquiterpene, C15H24 (n=3), diterpene, C20H32 (n=4), triterpene, C30H48 (n=6), și tetraterpene, C40H64 (n=8) care se mai numesc carotinoide.
După structura scheletului hidrocarbonat terpenoidele pot fi:
– aciclice monociclice
– ciclice biciclice
Exemplu de monoterpene aciclice și monociclice:
limonen
α -Ocimenul este 3,7-dimetil-1,3,7-octatriena
z-ocimen (Z)-3,7-Dimetil-1,3,6-octatrienă (cis beta)
α-ocimen
(E)-3,7-Dimetil-1,3,6-octatrienă
α- și β- ocimenul sunt izomeri de poziție a dublei legături. Izomerul β există sub forma a doi stereoizomeri cis și trans. Ocimenul se găsește în uleiurile eterice de lavandă, busuioc.
Limonenul există sub forma a doi stereoizomeri optici. Forma dextro se găsește în uleiul esențial din coji de lămâie, portocale, chimen, țelină; forma levo se găsește în uleiul esențial din ace de molid și în uleiul de terebentină.
Terpenii intra în compoziția uleiurilor eterice, de unde se separă prin antrenare cu vapori de apă sau extracție cu solvenți.
Toate alimentele conțin combinații terpenoide provenite, mai ales din materii prime vegetale. Multe dintre acestea sunt volatile și deci au rol de componente de aromă, altele sunt labile și se transformă chimic sau enzimatic în timpul prelucrării tehnologice. Unele se găsesc sub formă de hidrocarburi sau combinații oxigenate, cu rol important în conferirea calităților organoleptice și conservabilității alimentelor.
Di- și triterpenoidele sunt lichide vâscoase sau rășini și se izolează din gume sau rășini vegetale nevolatile prin extracție cu solvenți.
α- și β- pinenul se găsesc în uleiurile eterice, în special în uleiul de terebentină (rășină de conifere), de unde se extrage cu vapori de apă. Rezidul galben se numește colofoniu (sacâz).
Squalenul este un triterpen, C30H50, format din șase unități izoprenice unite cap la coadă, iar în mijlocul catenei îmbinarea este de tip coadă la coadă. Se găsește în măsline, germeni de grâu, de porumb, tărâță de orez, semințe de amaranth, în uleiul de ficat de rechin (de unde s-a extras prima dată). Squalenul este un intermediar în biosinteza sterolilor.
squalen
Carotenoidele
Tetraterpenoidele C40 sunt carotenoide propriu-zise, iar carotenoidele superioare conțin C45-C50 atomi de carbon în moleculă. Apocarotenoidele se formează prin degradare oxidativă a carotenoidelor și conțin C25-C40.
Carotenoidele cuprind hidrocarburile cu formula moleculară C40H56 numite carotene și derivații lor oxigenați, numiți xantofile. Cele mai imoportante carotenoide sunt:
α-caroten
β-caroten
Acești trei compuși sunt carotine izomere cu formula moleculară C40H56. Molecula conține 8 resturi izoprenice unite cap-coadă, iar în mijlocul catenei îmbinarea este de tip coadă-coadă. Conțin în moleculă un sistem polienic conjugat, tetraterpenoidic, cu 11 sau 10 legături duble conjugate, care au rol de cromofor (grupare purtătoare de culoare) și determină absorbția în UV-VIS. Configurația catenei polienice este all trans (total trans), care este mai stabilă termodinamic.
Carotenii sunt pigmenți (coloranți) naturali de origine vegetală, neazotați, de culoare galbenă, portocalie sau roșie.
Licopina este pigmentul carotenoidic roșu din tomate, piersici, pepene roșu, de unde se extrage cu solvenți (acetonă:etanol = 2:1 volume)
β-carotina criastalizează din eter de petrol sau benzen-metanol sub formă de plăci de culoare roșie închisă. Se găsește în plantele verzi, alături de clorofilă și a fost izolată prima dată din morcovi. Licopina și β-carotina se obțin și sintetic.
luteina (3.3’-dihidroxi-α-carotina)
zeaxantina (3.3’-dihidroxi-β-carotina)
Xantofilele sunt alcooli ai carotinoidelor. Cea mai răspândită este xantifilă sau luteină, C40H56O2. Ea însoțește clorofila și carotina în cloroplastele din plantele verzi. Este de culoare galbenă și are rol în absorbția luminii în procesul fotosintezei.
Luteina este un carotenoid natural din frunzele verzi de spanac, varză creață, petale de flori galbene sau roșii, alge, gălbenuș de ou. Are proprietatea de a absorbi lumina albastră și din această cauză este galbenă la concentrații mici sau roșu-portocaliu la concentrații mari. Se oxidează ușor sub acțiunea luminii, căldurii și este instabilă în mediu acid.
Zeaxantina este diolul β-carotinei și este colorantul galben din porumb.
Proprietățile fizice și chimice ale carotenoidelor
Sunt substanțe cristalizate colorate și colorante (pigmenți). Sunt insolubile în apă și în alcooli, dar se dizolvă în eter, benzen, cloroform, grăsimi. Din această cauză se folosesc ca și coloranți alimentari liposolubili; totuși sunt dispersabili în mediu apos prin protejare cu emulgatori sau macromolecule. Xantofilele se dizolvă în solvenți organici polari.
Majoritatea se descompun la temperatura de topire, descompunerea fiind accelerată de lumină, temperatură, oxigen, mediu acid sau bazic.
Hidrogenarea catalitică a carotenoidelor conduce la perhidrocarotenoide (incolore). Se autooxidează cu formare de produși incolori. Autooxidarea este accelerată de lumină, temperatură și pH mai mic de trei. Procesele de pasteurizare a sucurilor de legume, fructe, a berii, a vinului au efecte negative asupra aromei naturale conferite de produsele carotenoidice datorită proceselor de oxidare și descompunere.
Rolul carotenoidelor
Sunt pigmenți (coloranți) alimentari pentru grăsimi; β-carotenul este folosit pentru colorarea margarinei, a untului, înghețatei, a bomboanelor, a sucurilor de fructe, a cremelor, a macaroanelor, etc.
Sunt generatori de substanțe de gust și aromă (precursori de arome) pentru alimente; prin reacții chimice specifice-oxidare, reducere, condensare conduc la arome.
Au rol în fiziologia vegetală și animală: sunt antioxidanți naturali și sunt provitamine A. β-carotenul este cea mai importantă provitamină A deoarece prin hidroliză enzimatică formează doi moli de vitamina A.
vitamina A sau reținol sau (2E,4E,6E,8E)-3,7-dimetil- 9-(2,6,6-trimetilciclohex-1-enil)nona- 2,4,6,8-tetraen-1-ol (IUPAC)
1.4.6. Alchine (acetilene)
Definitție. Denumire
Alchinele sunt hidrocarburi aciclice nesaturate care conțin în moleculă o legătură triplă -C≡C-
(covalența triplă este alcătuită din două covalențe π și una σ).
Formula generală este CnH2n-2 (n≥2). Această formulă determină o serie omoloagă:
C2H2 HC≡CH ețina (acetilena)
C3H4 HC≡C-CH3 propina (metilacetilena)
C4H6 HC≡C-CH2-CH3 1-butina (etilacetilena)- este o alchină marginală
C4H6 CH3-C≡C-CH3 2-butina (dimetilacetilena)- este o alchină internă (disubstituită)
În sistemul IUPAC, denumirea alchenelor se realizează prin înlocuirea sufixului –an din numele alcanului corespunzător cu sufixul –ină. Alchinele cu structură ramificată se denumesc alegând catena cea mai lungă care conține legătură triplă.
Structură. Izomerie
Molecula acetilenei este coliniară și planurile celor două legături π sunt perpendiculare între ele și perpendiculare pe planul σ.
Alchinele cu cel puțin patru atomi de carbon în moleculă prezintă izomerie de poziție, iar alchinele cu mai mult de patru atomi de carbon prezintă și izomerie de catenă.
Alchinele sunt izomeri de funcțiune cu alcadienele, cicloalchenele.
Exemple:
Proprietățile fizice ale alchinelor
Starea de agregare: acetilena, propina și 1-butina sunt gaze, 2-butina și alchinele cu până la 14 atomi de carbon în molecule sunt lichide, iar restul sunt solide.
Constantele fizice: temperatura de topire, temperatura de fierbere și densitatea sunt mai mari decât ale alcanilor și ale alchenelor corespunzătoare. Densitatea este mai mică decât a apei, punctul de fierbere crește cu masa molară, scade cu ramificarea catenei.
Solubilitatea: acetilena și alchinele inferioare cu tripla legătură marginală sunt parțial solubile în apă datorită polarizării legăturii C-H, care se hidratează prin legături de hidrogen. Toate alchinele se dizolvă în solvenți organici (acetonă).
Proprietățile chimice ale alchinelor
Alchinele au caracter chimic nesaturat și dau reacții de adiție, polimerizare, oxidare. Din cauza polarizării legăturii ≡C-H, hidrogenul acetilenic are caracter slab acid și poate fi substituit cu metale.
Reacții de adiție
Adiția hidrogenului (hidrogenarea) la alchine conduce la cis-alchene (hidrogenare parțială) sau la alcani (hidrogenare totală), în funcție de catalizatorul folosit.
Adiția halogenilor (brom sau clor) la alchine conduce la derivați dihalogenați nesaturați de tip trans sau la derivați tetrahalogenați, în funcție de raportul molar alchină:halogen.
Adiția hidracizilor (HCl, HBr) la alchine este catalizată de HgCl2 și decurge în două etape. Adiția la alchinele nesimetrice decurge conform regulii lui Markovnikov.
Adiția apei la alchine (hidratarea) sau reacția Kucerov duce la compuși carbonilici: acetilena formează acetaldehidă, iar omologii acetilenei formează cetone:
Identificarea alchinelor se face cu ajutorul următoarelor reacții:
Adiția bromului la tripla legătură este însoțită de decolorarea soluției de brom
Oxidarea acetilenei cu soluție apoasă alcalină de permanganat de potasiu este însoțită de decolorarea soluției violet de permanganat și de formarea precipitatului brun de bioxid de mangan. Acidul oxalic format se identifică sub formă de oxalat de calciu insolubil în apă, solubil în acizi minerali.
Reacția de formare a acetilurilor de către alchinele cu tripla legătură marginală.
Analiza spectrală UV, IR.
1.4.7. Hidrocarburi aromatice (arene)
Definiție, clasificare, nomenclatură
Hidrocarburile aromatice conțin în moleculă unul sau mai multe nuclee benzenice.
Cercul interior simbolizează repartiția uniformă (delocalizarea sau conjugarea) a celor șase electroni π pe întregul nucleu.
După numărul și poziția nucleelor benzenice din molecula, arenele se împart în :
– mononucleare CnH2n-6
cu nuclee izolate
– polinucleare cu nuclee condensate
Arene polinucleare cu nuclee izolate
Arene polinucleare cu nuclee condensate
Radicali aril
-monovalenți
-divalenți
Proprietățile fizice ale arenelor
Benzenul și omologii săi sunt lichde incolore, mai ușoare decât apa, cu miros aromat. Arenele polinucleare sunt solide și naftalina are proprietatea de a sublima.
Punctul de fierbere crește cu masa molară și scade cu ramificarea catenei laterale, iar punctul de topire crește cu simetria moleculară, ceea ce explică următoarele valori: benzenul are pt0= +5,50C și pf0= 80,10C, iar toluenul pt0= -95,50C și fierbe la 110,50C.
Arenele sunt insolubile în apă, solubile în solvenți organici (alcooli, eter, acetonă, cloroform, clorură de metilen, bioxid de sulf.
Proprietățile chimice ale arenelor
Arenele prezintă caracter chimic aromat și anume caracter saturat pronunțat și caracter nesaturat slab.
Reacțiile chimice ale arenelor pot fi clasificate astfel:
– reacții la nucleu: – reacții de substituție;
– reacții de adiție;
– reacții de oxidare;
– reacții la catena laterală: – reacții de substituție (clorurare, bromurare);
– reacții de dehidrogenare;
– reacții de oxidare.
În reacția de halogenare se substituie unul sau mai mulți atomi de hidrogen cu halogen și rezultă compuși halogenați aromatici. Clorurarea și bromurarea se face în prezența catalizatorilor de FeCl3, FeBr3 sau AlCl3, iar iodurarea (iodul este puțin reactiv) se realizează în prezență de acid azotic.
În reacția de nitrare se substituie unul sau mai mulți atomi de hidrogen cu grupări nitro –NO2 și rezultă nitroderivați aromatici, Ar-NO2. Nitrarea se realizează cu amestec nitrant sau amestec sulfonitric (acid azotic și acid sulfuric concentrați).
Sulfonarea este reacția în care unul sau mai mulți atomi de hidrogen se substituie cu gruparea sulfonică –SO3H și rezultă acizi sulfonici, Ar-SO3H. Arenele cu catenă laterală lungă dau la sulfonare produși folosiți la fabricarea detergenților. Sulfonarea se realizează cu acid sulfuric oleum (20% SO3).
În reacția de alchilare (reacția Friedel-Crafts) se substituie atomii de hidrogen cu radicali alchil și rezultă alchil-benzeni. Ca agenți alchilare se folosesc compuși halogenați reactivi (catalizator AlCl3 anhidru), alchene (catalizator acid sulfuric, acid fosforic sau AlCl3 cu urme de apă sau HCl) sau alcooli (catalizator acid sulfuric).
În reacția de acilare (reacția Friedel-Crafts), catalizată de AlCl3 anhidră, se substituie hidrogenul cu radicali acil –CO-R și rezultă cetone aromatice. Ca agenți de acilare se folosesc halogenurile acide și anhidridele acide.
Orientarea substituenților în nucleul aromatic
În reacțiile de substituție ale benzenului, primul substituent poate ocupa oricare dintre cele șase poziții deoarece acestea sunt echivalente. Substituentul preexistent determină poziția în care intră al doilea substituent.
După poziția în care orientează al doilea substituent, substituienții se împart în două categorii:
Reacții de adiție
tetrahidronaftalina decahidronaftalina
sau tetralina sau decalina
Creșterea numărului de nuclee condensate este însoțită de scăderea caracterului aromatic (scăderea caracterului saturat și accentuarea caracterului nesaturat), motiv pentru care naftalina dă mai ușor reacții de adiție și hidrogenarea are loc în două etape.
Benzenul se halogenează (clorurare,bromurare) prin adiție în condiții fotochimice:
Reacții de oxidare catalitică la nucleu
Oxidarea nucleului benzenic se face numai în condiții energice (temperatură ridicată, catalizator) și are loc cu ruperea legăturilor C-C.
Naftalina are caracter aromatic mai slab decât benzenul și se oxidează mai ușor.
Reacții la catena laterală
Substituția în poziție benzilică
Alchilarenele se clorurează (bromurează) la catena laterală în condiții fotochimice.
Dehidrogenarea catenei laterale
C6H5-CH2-CH3 C6H5-CH=CH2 + H2
Feniletena (stiren)
Oxidarea catenelor laterale alifatice
Alchilarenele și polialchilarenele formează prin oxidare acizi monocarboxilici, respectiv policarboxilici. Când catena laterală este formată din doi sau mai mulți atomi de carbon, oxidarea are loc la carbonul benzilic.
Reprezentanți
Bifenilul este un antiseptic aprobat de Comunitatea Europeana pentru tratamentul de suprafață al fructelo și în special pentru citrice, piersici și banane. Se folosește ca fungistatic pentru a le feri de mucegăire. Se recomandă tratamentul cu bifenil și pentru hârtia de ambalat citrice.
Bifenilul (fenilbenzenul) se obține trecând vapori de benzen printr-un tub la 7000C sau din iodobenzen și cupru:
2C6H6 C6H5-C6H5 + H2; 2C6H5I + 2Cu C6H5-C6H5 + 2CuI
Bifenilul cristalizează în foițe lucioase, are temperatura de topire 70,50C, are miros aromatic caracteristic, sublimeaza ușor și este solubil în grăsimi.
Compuși organici cu funcțiuni
Compuși halogenați (derivați halogenați)
Derivații halogenați sunt compuși organici ce conțin în moleculă unul sau mai mulți atomi de halogen legați de un radical hidrocarbonat organic R.
Formula generală este R-X (X= F, Cl, Br, I).
Clasificare, nomenclatură
După natura atomului de halogen, compușii halogenați se împart în compuși fluorurați, clorurați, bromurați, iodurați, micști.
După numărul atomilor de halogen, se împart în mono-, di- și polihalogenați; derivații di- și polihalogenați pot fi geminali, vicinali sau izolați.
După natura radicalului organic, pot fi alifatici (saturați sau nesaturați) și aromatici.
După natura atomului de carbon care conține halogenul, se împart în derivați halogenați:
Primari: R-CH2-X; Secundari:R2CH-X; Terțiari:R3C-X
Denumirile unor drivați monoclorurați
Metode de obținere a compușilor halogenați
Halogenarea hidrocarburilor prin substituție
R-H + X2 R-X + HX (X= Cl, Br)
alcan, cicloalcan
R-CH2-CH=CH2 + X2 R-CHX-CH=CH2 + HX (X= Cl, Br)
alchena
Ar-CH3 + X2 Ar-CH2X + HX
alchilarena
Halogenarea hidrocarburilor prin adiție
R-CH=CH2 + X2 R-CHX-CH2X (X= Cl, Br)
R-CH=CH2 + HX R-CHX-CH3 (X= Cl, Br, I)
R-C≡CH + X2 R-CX=CHX + X2 RCX2-CHX2
R-C≡CH + HX RCX=CH2 + HX RCX2-CH3
C6H6 + 3Cl2 C6H6Cl6 (reacție fotochimică)
Halogenarea alcoolilor R-OH + HX R-X + H2O, X= Cl, Br, I
Sinteza compușilor fluorurați și iodurați prin schimb de halogen
Proprietăți fizice
Compușii halogenați alifatici sunt gazoși (CH3Cl, C2H5Cl), lichizi (CHCl3, C6H5Cl, CH3I) sau solizi (CHI3, C6H6Cl6, C6H4Cl2). Sunt insolubili în apă, solubili în dizolvanți organici (hidrocarburi, eter, alcool, acetonă).
Proprietăți chimice
Compușii halogenați prezintă reactivitate chimică crescută datorită polarizării legăturii:
Compușii iodurați sunt cei mai reactivi, iar cei fluorurați sunt cei mai stabili deoarece energia legăturii C-F este cea mai mare (fiind cea mai polară și cu cea mai mică lungime), iar energia legăturii C-I este cea mai mică.
Compușii halogenați cu reactivitate mărită au halogenul în poziția alilică sau benzilică, compușii cu reactivitate scăzută au halogenul la carbonul hibridizat sp2 sau sp. Compușii cu reactivitate chimică normală au halogenul la un carbon saturat (alta decât poziția alilică sau benzilică).
Compușii halogenați cu reactivitate normală sau mărită dau reacții de substituție și de eliminare (dehidrohalogenare).
Reacții de substituție
Sinteza aminelor primare: RX + NH3 → R-NH2 + HX
Sinteza aminelor secundare: RX + R-NH2 → R-NH-R + HX
Sinteza aminelor terțiare: RX + R-NH-R → R3N + HX
Sinteza nitrililor: RX + KCN → RCN + KX
Sinteza omologilor acetilenei: RX + CH≡CNa → CH≡C-R + NaX
Sinteza Würtz a hidrocarburilor simetrice: RX + 2Na + XR → R-R + 2NaX
Sinteza alchilarenelor:
Sinteza eterilor micști: R’X + RONa → ROR’ + NaX; RX + ArONa → ArOR + NaX
Sinteza esterilor: R’X + R-COONa → R-COOR’ + NaX
Sinteza alcoolilor:
Compușii halogenați aromatici hidrolizează numai în condiții energice și dau fenoli.
Sinteza compușilor carbonilici:
Compușii dihalogenați geminali primari formează aldehide, iar cei secundari formează cetone.
Sinteza acizilor carboxilici:
Reacția de eliminare (dehidrohalogenarea); la încălzirea cu baze tari în soluție alcoolică, compușii halogenați elimină hidracid și formează alchene.
Conform regulii lui Zaițev, se elimină preferențial hidrogenul de la atomul de carbon din β cel mai sărac în hidrogen.
1.5.2. Alcooli
Alcoolii sunt compuși hidroxilici în care gruparea funcțională hidroxil este legată de un atom de carbon hibridizat sp3 și au formula generală R-OH.
În enoli, gruparea funcțională este legată de carbonul sp2 al unei legături duble. Enolii sunt compuși instabili și se transformă în compuși carbonilici. Enolii și compușii carbonilici sunt tautomeri, adică sunt izomeri care diferă prin poziția legăturii π și a unui atom de hidrogen.
Clasificare, denumire
Alcoolii se clasifică după:
Numărul grupelor hidroxil:
Alcooli monohidroxilici
Alcooli polihidroxilici (diol, triol, tetrol, pentitoli, hexitoli)
Natura atomilor de carbon de care se leagă gruparea hidroxil
Alcooli primari: R-CH2OH
Alcooli secundari: R2CH-OH
Alcooli terțiari: R3C-OH
Natura radicalului organic: alcoolii pot fi saturați, nesaturați sau aromatici
Denumirile unor alcooli monohidroxilici
Exemple de polioli:
Denumirea alcoolilor se obține prin adăugarea sufixului –ol sau a prefixului hidroxi- la numele hidrocarburii corespunzătoare. Catena de bază este catena cea mai lungă care conține gruparea hidroxil. Această grupare trebuie să aibă indice numeric minim și are prioritate față de legătură multiplă. Catena de bază poate uneori să nu fie cea mai lungă dintre catene:
Alcoolii prezintă următoarele tipuri de izomerie: izomerie de catenă (n-butanol, izo-butanol), izomerie de poziție a grupării funcționale (1-propanol și 2-propanol), izomerie de funcțiune (alcooli și eteri).
Izomerii de funcțiune ai butanolului sunt următorii eteri:
CH3-CH2-O-CH2-CH3 CH3-O-CH2-CH2-CH3 CH3-O-CH(CH3)-CH3
dietileter sau eter etilic metil-propileter metilizopropileter
Proprietăți fizice
Starea de agregare. Termenii inferiori sunt lichizi, iar cei superiori sunt solizi.
Miros. Alcoolii monohidroxilici cu C1 până la C11 sunt incolori și au miros caracteristic. Odată cu creșterea numărului de grupe hidroxil din moleculă dispare mirosul caracteristic alcoolilor monohidroxillici, apare gustul dulce și scade toxicitatea.
Densitatea. Densitatea alcoolilor este mai mică decât a apei, dar superioară hidrocarburilor corespunzătoare.
Punct de topire și punct de fierbere. Ca și apa, alcoolii au pf și pt0C anormal de ridicate în comparație cu ale altor compuși cu mase moleculare comparabile. Aceasta se datorează legăturilor de hidrogen care se stabilesc între moleculele de alcool ( în stare lichidă și solidă) și care conduc la asocierea acestora. Formarea legăturilor de hidrogen explică și contracția de volum care se produce la dizolvarea în apă a unui alcool.
Valorile punctelor de fierbere pentru unii compuși organici sunt următoarele:
C2H5OH; C2H5-NH2; C2H5-Cl; C2H6; CH3OH; glicerol
780 C 16,60 C 120 C -890 C 650 C 2900 C
Temperaturile de fierbere cresc proporțional cu masa moleculară și cu numărul de grupe hidroxil.
Solubilitatea. Alcoolii inferiori sunt solubili în apă datorită hidratării prin legături de hidrogen. Solubilitatea în apă crește cu numărul grupelor hidroxil și scade cu mărirea radicalului hidrocarbonat.
Metode de obținere a alcoolilor
Hidroliza compușilor halogenați alifatici:
Adiția apei la alchene
Reducerea compușilor carbonilici:
Metanolul se obține industrial din gazul de sinteză, iar etanolul de uz alimentar se obține prin fermentația alcoolică a glucozei.
Ca materie primă pentru obținerea etanolului se folosesc cereale (grâu, porumb, orez), melasă, cartofi, sfeclă, fructe, celuloza extrasă din lemn sau din stuf (amidonul și celuloza se transformă mai întâi în glucoză prin hidroliză acidă). În urma fermentației alcoolice se obține o soluție apoasă care conține alcool în concentrație de 12%-18%, alături de alți compuși. Prin distilare se obține alcool de 95-96%. Etanolul anhidru se obține prin acțiunea unor reactivi care reacționează chimic cu apa (oxid de calciu).
Structură și proprietăți chimice
Prezența atomului de oxigen puternic electronegativ determină polariatea celor două legături σ.
Din această cauză alcoolii sunt mai reactivi decât hidrocarburile corespunzătoare și alcoolii inferiori sunt mai reactivi decât cei superiori.
Alcoolii prezintă următoarele proprietăți chimice:
Caracter amfoter
Reacții de substituție ( eterificare, esterificare, etoxilare, halogenare)
Reacții de eliminare
Reacții de oxidare
Caracterul amfoter al alcoolilor
Ca și apa, alcoolii sunt amfoliți acido-bazici. Din cauza prezenței electronilor neparticipanți la
legătură, oxigenul poate coordina protonul unui acid (are caracter bazic) și formează ionul oxoniu R-OH2+:
R-OH + H+→ R-OH2+
Polaritatea legăturii O-H determină caracterul acid foarte slab (constanta de aciditate Ka are valori cuprinse între 10-18-10-16 mol/L) al alcoolilor. Soluția apoasă a alcoolilor are caracter neutru pentru că alcoolii nu ionizează în soluție apoasă.
Alcoolii în stare anhidră reacționează cu metalele alcaline și formează săruri numite alcoxizi (alcoolați), cu degajare de hidrogen.
R-OH + Na → R-O-Na+ + 1/2H2
Exemple de alcoolați:
CH3-O-Na+ metoxid de sodiu sau metilat de sodiu.
C2H5-O-Na+ etoxid de sodiu sau etilat de sodiu
CH3-CH2-CH2-O-Na+ propoxid de sodiu
C6H5-CH2-O-Na+ benziloxid de sodiu
Alcoolii superiori dizolvați în benzen, toluen sau xilen anhidru formează alcoxizi în reacția cu metalele alcaline.
Aciditatea alcoolilor crește cu numărul grupărilor hidroxil; astfel glicerina formează glicerat de cupru în reacția cu hidroxidul de cupru.
Alcoolii anhidri reacționează mai puțin energic cu sodiul decât apa, deoarece legătură O-H este mai puțin polară în alcooli.
Alcoxizii sunt compuși ionici hidrolizabili deoarece ionul alcoxid este o bază mai tare decât ionul HO- pe care îl dezlocuie din apă:
C2H5-O- + H2O → C2H5-OH + HO-
Alcoolii nu pot reacționa cu hidroxidul de sodiu pentru că aciditatea alcoolilor este mai mică decât aciditatea apei.
Reacția de deshidratare intramoleculară are loc la în călzirea alcoolilor în prezența acidului sulfuric concentrat sau a acidului fosforic, ori la 300-4000 C și catalizator oxid de aluminiu și rezultă alchene.
La deshidratarea intramoleculară, apa eliminată provine majoritar din gruparea hidroxil și hidrogenul de la atomul de carbon vecin, cel mai substituit (regula lui Zaițev). Alcoolii terțiari se deshidratează cel mai ușor, iar alcoolii primari se deshidratează cel mai greu.
Deshidratarea diolilor în prezență de acid fosforic duce la formarea dienelor.
Deshidratarea glicerolului are loc la încălzirea cu acid sulfuric sau sulfat acid de potasiu și conduce la acroleină, cu miros caracteristic de grăsime râncedă.
Reacția de eterificare este o reacție de deshidratare intermoleculară a alcoolilor când rezultă eteri. Reacția are loc la temperaturi mai joase decât deshidratarea intramoleculară și în prezența unor cantități mici de acid sulfuric.
Eterul etilic este un lichid incolor, volatil, folosit ca solvent și ca anestezic.
Pentru obținerea eterilor asimetrici (micști) se folosesc alcoxizi sau fenoxizi și derivați halogenați.
Reacția de esterificare. Este reacția dintre un acid și un alcool, când rezultă un ester și apă. Reacția este reversibilă și este catalizată de acidul sulfuric concentrat sau de acidul clorhidric gazos.
Cu acizii minerali oxigenați se formează esteri anorganici:
Cu acizii carboxilici se formează esteri organici:
Cei doi esteri sunt lichide cu miros floral folosite ca aromatizanți în industria alimentară.
Prin folosirea alcoolilor marcați izotopic, R-O18-H, s-a demonstrat că în reacția de esterificare se elimină gruparea –OH de la acid în reacția cu alcoolii primari sau secundari, și gruparea –OH de la alcool în esterificarea acizilor cu alcool alilic, benzilic sau terțiari.
Reacția de halogenare a alcoolilor cu hidracizi decurge conform schemei:
R-OH + HX → R-X + H2O (X= I, Br, Cl)
Acidul iodhidric este cel mai reactiv, iar acidul clorhidric este cel mai puțin reactiv și necesită catalizator de ZnCl2. Alcoolii terțiari se halogenează cel mai ușor, iar alcoolii primari se halogenează cel mai greu.
Reacția de etoxilare. Prin etoxilarea alcoolilor se obțin hidroxieteri sau hidroxipolieteri.
Polietoxilarea alcoolilor superiori conduce la obținerea agenților activi de suprafață, care pot fi agenți de spălare (detergenți), agenți de spumare sau agenți de dispersare.
Reacții de oxidare. La oxidarea blândă cu bicromat de potasiu în soluție acidulată cu acid sulfuric, alcoolii primari și alcoolii secundari se transformă în aldehide, respectiv cetone. Alcoolii terțiari sunt stabili la oxidarea blândă. La oxidarea energică cu permanganat de potasiu în soluție acidulată cu acid sulfuric, alcoolii primari formează acizi carboxilici cu același număr de atomi de carbon, iar alcoolii secundari și cei terțiari formează acizi carboxilici cu număr mai mic de atomi de carbon decât molecula inițială.
3CH3CH2OH + K2Cr2O7 + 4H2SO4 3CH3CHO + K2SO4 + Cr2(SO4)3 + 7H2O
Această reacție de oxidare blândă a etanolului sta la baza testului de alcoolemie care este însoțit de schimbarea culorii în verde, datorată ionului Cr+3.
Prin metabolizarea etanolului în ficat se formează acetaldehida – produs toxic. Etanolul se utilizează ca antidot în cazul intoxicățiilor cu metanol, deoarece alcooldehidrogenaza din organism acționează asupra etanolului și astfel metanolul rămâne netransformat în aldehidă formică (foarte toxică, care provoacă orbirea și chiar moartea) și este eliminat din organism.
Dehidrogenarea catalitică a alcoolilor primari și secundari conduce la compuși carbonilici.
Prin fermentația acetică a etanolului se obține acidul acetic. Oxidarea are loc în prezența oxigenului din aer și este catalizată de alcooldehidrogenază, o enzimă produsă de bacteria Mycoderma aceti.
Reacții de identificare a alcoolilor
Reacția cu metale alcaline are loc cu degajare de hidrogen și formare de alcoxizi. Această reacție poate fi folosită la diferențierea alcoolilor de eteri. Eterii uscați nu reacționează cu sodiul metalic.
Reacția de esterificare cu acizii organici în prezența acidului sulfuric concentrat ca și catalizator duce la formarea de compuși volatili, plăcut mirositori.
Reacția de oxidare a alcoolilor primari și secundari în condiții blânde duce la aldehide sau cetone ușor de identificat cu ajutorul reacțiilor specifice compușilor carbonilici.
Analiza spectrală UV, IR, RMN.
Alcooli utilizați în industria alimentară
Citronelolul (dehidrogeraniolul) este un monoterpenoid aciclic cu formula moleculară C10H20O și apare în două forme izomere (izomeri de poziție a dublei legături): 3,7-dimetil-6-octen-1-ol și 3,7-dimetil-7-octen-1-ol.
Citronelolul se izolează din uleiurile esențiale de trandafir și de mușcată. Sintetic se obține prin reducerea citronelalului cu sodiu amalgamat și etanol.
Este un lichid uleios, incolor, solubil în etanol, are miros de trandafir și se utilizează la obținerea aromatizanților alimentari.
Geraniolul, nerolul și linalolul sunt alcooli monoterpenoidici aciclici izomeri, cu formula moleculară C10H18O. Geraniolul este izomerul trans, nerolul este izomerul cis iar linalolul este un alcool terțiar. Fiecare există sub forma a doi izomeri. Acești alcooli se folosesc ca aromatizanți alimentari cu aromă de fructe.
Geraniolul este trans-3,7-dimetil-2,6-octadien-1-ol și trans-3,7-dimetil-2,7-octadien-1-ol. Este componentul principal al uleiului de trandafir, citronella, lemon grass și de mușcată. Sintetic se obține din linalol și din citral.
Nerolul se găsește în uleiul de nerol și în uleiul de bergamot.
Forma levo a linalolului, (-)-linalol se găsește în uleiul esențial de lavandă (motiv pentru care i se mai spune lavandol), bergamot, trandafir, salvie. Forma dextro, (+)-linalol este principala componenta a uleiului esențial de flori de portocal, lemn de trandafir, coriandru (din această cauză se mai numește coriandrol). Linalolul se obține prin distilarea uleiului esențial de linalol, coriandru sau sintetic plecând de la acetonă și acetilenă.
Mentolul și α-terpineolul sunt terpenoide monociclice. Mentolul este substanța odorantă din uleiul de mentă și intră în compoziția unor parfumuri și arome. Linalolul și nerolul trec ușor, la tratare cu acizi minerali, în terpeni monociclici, ca de exemplu α-terpineolul, care are miros de liliac.
Ca arome de caise se folosesc amestecul de nerol, geraniol, linalol, α-terpineol și γ-undecalactona. Geraniolul este un antioxidant natural și s-a dovedit a avea efecte benefice în prevenirea cancerului.
Un amestec de 4-(2’,6’,6’-trimetil-1,3-ciclohexadien-1-il)-2-butanol și 4-(6’,6’-dimetil-2-metilen-3-ciclohexen-1-il)-2-butanol se folosește ca aromatizant cu aromă de flori pentru zahărul caramel, puddinguri, checuri, cozonaci.
Alt aromatizant sintetic cu aromă de flori este 2-(4-hidroxi-4-metilpentil)norbornadiena.
Norbornadiena este Biciclo[2,2,1]heptadiena.
Poliolii. Lactitolul, manitolul, maltitolul, xilitolul, sorbitolul și izomaltul se folosesc ca în locuitori ai zahărului pentru obținerea produselor hipocalorice. Se obțin prin reducerea mono- și oligzaharidelor. Glicerina intră în compoziția bomboanelor pentru a împiedica procesul de cristalizare a zahărului și se folosește la tratarea frunzelor de tutun pentru păstrarea umidității și prevenirea în crețirii (glicerina formează un număr mare de legături de hidrogen cu apa). Glicerina este un constituent al vinurilor de calitate, contribuind la gustul dulce și catifelat (datorat vâscozității ridicate a glicerinei).
1.5.3. Fenoli
Fenolii sunt derivați hidroxilici în care gruparea hidroxil este legată de un carbon din nucleul aromatic și au formula generală Ar-OH (Ar- radical aril).
Clasificare. Nomenclatură
Fenolii pot fi clasificați după numărul grupelor hidroxil, -OH, din moleculă în :
Fenoli monohidroxilici
Fenoli polihidroxilici
Proprietățile fizice ale fenolilor
Fenolii (cu excepția m-crezolului) sunt compuși solizi cristalizați. Fenolii monohidroxilici au miros caracteristic pătrunzător (naftolii sunt inodori).
Fenolii monohidroxilici sunt puțin solubili în apă (solubilitatea fenolului în apă este de 6,7%, iar a crezolului este sub 2%). Fenolii se dizolvă în apă caldă, în solvenți organici (alcool, glicerol, eteri, benzen, toluen) și în hidroxizi alcalini cu formare de hidroxizi. Polifenolii se dizolvă în apă și alcool datorită hidratării grupei hidroxil prin legături de hidrogen, dar sunt greu solubili în hidrocarburi. Posibilitatea de formare a legăturilor de hidrogen cu apa explică de ce fenolii sunt compuși higroscopici (fenolul se transformă în tr-un lilchid mai dens decât apa, care este o soluție de apă în fenol).
Densitatea fenolilor este mai mare decât a apei. Punctele de fierbere sunt ridicate datorită asocierii prin legături de hidrogen și cresc cu numărul grupărilor hidroxil.
Fenolul este toxic în contact direct cu pielea producând arsuri; în stare de vapori irită ochii, nasul și pielea.
Structura și proprietățile chimice
Electronii neparticipanți ai atomului de oxigen și electronii π ai nucleului aromatic suferă o deplasare (conjugare) în urma căreia atomul de oxigen capătă sarcină parțial pozitivă, iar nucleul aromatic capătă sarcină parțial negativă.
Această conjugare explică activarea de către gruparea –OH a nucleului aromatic în reacțiile de substituție, precum și caracterul slab acid al fenolilor.
Fenolii participă la următoarele reacții:
Reacții datorate grupării –OH (caracterul acid, eterificarea, esterificarea, etoxilarea);
Reacții datorate nucleului aromatic: reacții de substituție (halogenare, nitrare, sulfonare, alchilare, acilare) și reacții de adiție a hidrogenului;
Reacții datorate nucleului și grupării funcționale: reacția de oxidare.
Aciditatea fenolilor
Spre deosebire de alcooli care manifestă caracter neutru în soluție apoasă, fenoliii prezintă caracter slab acid (datorită influenței nucleului aromatic asupra grupării funcționale) și în soluție apoasă ionizează reversibil:
Fenolii nu schimbă culoarea indicatorilor acido-bazici,deoarece concentrația ionilor de hidroniu în soluție apoasă este scăzută.
Aciditatea unor compuși organici scade în ordinea:
Acizi minerali tari>acizi carboxilici>H2CO3>H2S >fenoli>apă>alcooli>acetilenă
Fenolul reacționează cu sodiul ca și alcoolii, dar, spre deosebire de alcooli, fenolii reacționează și se dizolvă în hidroxizi alcalini, cu formare de fenoxizi (fenolați).
Fenolii pot fi dezlocuiți din fenoxizi prin acidulare cu acizi mai tari (H2CO3, H2SO3, H2S, acizi carboxilici, acizi minerali). Cu ajutorul acestei reacții se pot separa fenolii de acizii organici inferiori (acid formic, acid acetic), care nu sunt puși în libertate de acidul carbonic, sufhidric, sulfuros.
Fenoxizii alcalini sunt solubili în apă (fiind compuși ionici) și soluția apoasă are caracter bazic (sunt săruri derivate de la acizi slabi și baze tari). Fenoxizii sunt stabili în soluție apoasă (nehidrolizabili) deoarece ionul fenoxid este o bază mai slabă decât ionul hidroxil HO- (fenolii sunt acizi mai slabi decât apa).
Reacția de eterificare a fenolilor nu se face direct ca în cazul alcoolilor, ci prin reacția fenoxizilor alcalini cu compuși halogenați reactivi sau sulfați de alchil.
Eterii naftolilor se obțin și direct prin reacția cu alcoolii (caracterul aromatic al naftalinei este mai slab decât al benzenului, conjugarea electronilor neparticipanți ai oxigenului cu electronii π ai nucleului este mai slabă).
Reacția de esterificare a fenolilor se realizează indirect, prin în călzirea fenoxizilor alcalini cu cloruri acide sau anhidride acide.
Reacția de alchilare cu oxid de etenă a alchilfenolilor este catalizată de hidroxizii alcalini și duce la obținerea unor agenți activi de suprafață.
Reacții ale nucleului aromatic
Datorită grupei hidroxil, care este un substituent de ordinul I, reacțiile de substituție aromatica sunt orientate în pozițiile orto și para ale nucleului benzenic și se produc în condiții mai blânde decât în cazul hidrocarburilor aromatice.
Hidrogenarea catalitică a fenolului conduce la ciclohexanol și ciclohexanonă.
Oxidarea fenolilor. Fenolii se oxidează mai ușor decât hidrocarburile aromatice corespunzătoare. Fenolul se oxidează ușor la contactul cu aerul atmosferic, colorându-se în roz-roșu. Polifenolii se oxidează mai ușor decât monofenolii (au caracter reducător mai pronunțat). Din această cauză fenolii se folosesc ca antioxidanți. Pirogalolul are caracter reducător atât de pronunțat în soluție alcalină în cât poate fixa cantitativ oxigenul din aer sau dintr-un amestec gazos și, ca urmare, se utilizează la dozarea oxigenului din amestecurile gazoase.
Oxidarea hidrochinonei la para-benzochinonă decurge conform reacției:
Identificarea fenolilor
Reacția de formare a fenoxizilor cu hidroxizii alcalini. Solubilizarea în hidroxizi alcalini este specifică fenolilor, acizilor carboxilici și acizilor sulfonici.
Reacția cu clorura ferică. în soluție apoasă sau în soluție alcoolică fenolii dau colorații caracteristice cu clorura ferică în soluție apoasă din cauza formării unor complecși. Culoarea poate să dispară la adăugarea unor solvenți organici, la acidulare sau la alcalinizare. Reacția cu clorura ferică poate fi efectuată și în solvenți organici clorurați (cloroform, clorură de metilen) în prezența piridinei.
Colorațiile caracteristice unor fenoli în reacția cu clorura ferică sunt: violet (pentru fenol, rezorcinol, α-naftol), albăstru (pentru crezol, xilenoli, floroglucina), roșu-violet (acidul salicilic), roșu-brun (pirogalol), galben-verzui (hidrochinona).
Reacția de cuplare a fenolilor cu săruri de diazoniu, când rezultă derivați azoici colorați, de la galben-portocaliu la roșu intens.
Reacția de formare a 2,4,6-tribromofenolului (precipitat alb) prin tratarea fenolului în mediu alcalin cu apă de brom. Această reacție servește și la dozarea fenolului. și aminele aromatice formează produși de substituția cu bromul. Acidul bromhidric pus în libertate poate fi pus în evidență prin aducerea la gura eprubetei a hârtiei de filtru îmbibată cu soluție concentrată de amoniac, când se formează fum alb de bromură de amoniu.
Reacția de oxidare.
Analiza spectrală UV, IR, RMN.
Fenoli în produsele alimentare.
Aromatizanți. Ca aromatizanți sintetici se folosesc anetolul, eugenolul și 1-(1’-propenil)-3,4,5-trimetilbenzen.
Anetolul se găsește în uleiul esențial de anis și fenicul. Sintetic se obține din anisol și propionaldehidă:
Anetolul se prezintă ca o masă cristalină albă cu punct de topire de 200C, este solubil în alcool, are miros aromat de anis și gust dulce, este sensibil la lumină.
Eugenolul intră în compoziția uleiurilor esențiale și în special a uleiului de cuișoare, din care se extrage cu soluție de hidroxid de sodiu, apoi precipitare cu un acid. Se purifică prin distilare în vid și în atmosferă de CO2. Se prezintă ca un lichid vâscos, incolor sau slab gălbui, având puternic miros de cuișoare și gust arzător de condimente. Prin expunere la lumină se în chide la culoare și se în groașă.
Derivatul fenolic trimetoxilat (solubilizat în propilenglicol) se folosește ca aromatizant pentru bomboane și siropuri, având aromă de căpșune.
In uleiul de cimbru se găsește 3-metoxi-6-izopropilfenol (timol), iar în uleiul de chimion și cel de cimbru de gradina se găsește 2-metil-5-izopropilfenol (carvacrol), care este izomer cu timolul.
Acești compuși se obțin și sintetic prin dehidrogenarea catalitică a mentolului, respectiv a carvomentolului.
Antiseptice cu structura fenolică. Substanțele antiseptice au rolul de a asigura securitatea sanitară sau inocuitatea produsului alimentar prin inhibarea dezvoltării bacteriilor patogene sau a mucegaiurilor, precum și de a inhiba producerea de toxine de către acestea.
Esterii acidului para-hidroxibenzoic (parabeni sau produși nipaginici) se folosesc ca agenți conservanți în industria alimentară, farmaceutică și cosmetică, fiind aprobați de Comunitatea Europeană. Esterii alchilici ai acidului para-hidroxibenzoic au acțiune antiseptică și antifungică mai puternică și toxicitate mai redusă decât acidul, care nu se folosește ca atare. Se obțin prin esterificarea directă a acidului cu alcoolii, în prezență de acid sulfuric concentrat sau de acid clorhidric gazos. Se folosesc următorii esteri sau derivații sodați ai acestora.
Creșterea radicalului alchil determină creșterea activității antibacteriene și antifungice a parabenilor și scăderea punctului de topire. Parabenii sunt eficienți față de drojdii, mucegaiuri și mai puțin activi față de bacterii, în special față de cele gram-negative. Esterii sunt insolubili în apă, iar derivații sodici sunt solubili în apă.
Orto-fenilfenolul se prezintă sub formă de pulbere albă sau gălbuie, solubilă în solvenți organici, iar derivatul sodic este solubil în apă și insolubil în solvenți organici. Acești compuși sunt autorizați pentru tratamentul superficial al citricelor, al altor fructe și legume, acționând în special ca bactericid. Se folosește și pentru impregnarea materialelor utilizate la ambalarea produselor alimentare.
Antioxidanți fenolici. Ca aditivi alimentari se utilizează următorii antioxidanți cu structură fenolică:
Alchilgalații sunt esterii alchilici ai acidului 3,4,5-trihidroxibenzoic (acidului galic).
Antioxidanții alchilfenolici și alchilhidrochinonici se obțin prin alchilarea fenolilor cu compuși halogenați, alchene, alcooli. Acești compuși sunt solubili în etanol, propilenglicol, grăsimi și uleiuri vegetale și deci sunt antioxidanți liposolubili. Se folosesc pentru conservarea grăsimilor, a uleiurilor alimentare, a alimentelor ce conțin grăsimi, alături de α-tocoferol.Având caracter slab acid,antioxidanții fenolici se utilizează în cazul produselor alimentare acide,deoarece în caz contrar isi pierd eficacitatea,mai ales la temperaturi inalte.
Antioxidanții fenolici sunt mai eficienți dacă se asociaza cu acid ascorbic, acid citric sau sărurile lor sau cu monoglicerol citrat. Prin asociere se obțin efecte sinergetice, adică eficienta antioxidanta a amestecului este mai mare decât suma celor două efecte individuale. Efectele sinergetice se datorează chelării (sechestrării) metalelor care favorizează râncezirea grăsimilor. Ionii metalelor tranzituionale (Fe,Co,Ni,Cu,Mn) accelerează descompunerea hidroperoxizilor formați intermediar și deci au efect prooxidant. Activitatea acestor antioxidanți este potențată și prin asociere cu alți antioxidanți; BHA este mai eficient ca antioxidant dacă se asociază cu propilgalat, BHT și acid citric sau monoglicerolcitrat. Activitatea BHT este crescută prin asociere cu alți antioxidanți, în special cu dodecilgalat. Propilgalatul are potențial antioxidant mare și poate fi utilizat și singur.
în general, antioxidanții hidrosolubili sunt distruși mai ușor în timpul prelucrării termice și, din acest motiv, acidul ascorbic și acidul galic se esterifică pentru a crește solubilitatea lor în grăsimi și astfel devin mai termorezistenți.
Modul de acțiune a antioxidanților fenolici
Autooxidarea (peroxidarea) produșilor nesaturați decurge prin mecanism radicalic în lanț. Antioxidanții fenolici Ar-OH reacționează cu radicalii peroxidici ROO. și radicalii alcoxi RO. prin transfer de hidrogen (sunt captori de radicali), transformându-se în tr-un radical liber inactiv, stabilizat prin conjugare, conform schemei:
Radicalii liberi aroxil au reactivitate scăzută și nu pot iniția alte lanțuri de reacții; astfel se blochează peroxidarea compușilor nesaturați.
Pentru ca un fenol să posede acțiune antioxidantă semnificativă este necesar ca gruparea –OH să fie ecranată de cel puțin o grupare voluminoasă, cum ar fi terț-butil, ciclohexil, benzil. Rolul acestor substituienți este de a stabiliza radicalii liberi aroxil rezultați prin captarea radicalilor oxigenați. Radicalii aroxil participă la reacții de recombinare (3) sau la reacții de disproporționare (4), când se reface molecula antioxidantului.
Lanțul reacțiilor de oxidare este stopat până la epuizarea antioxidantului folosit, după care autooxidarea în cepe foarte rapid. Acțiunea antioxidanților poate fi prelungită în prezența unor agenți reducători care conțin grupări tiolice, de tip R-SH, când antioxidantul se regenerează prin transfer de hidrogen.
Vitamina E (tocoferolul) este un antioxidant natural cu o grupare fenolică și acționează ca inhibitor al peroxidării ca și fenolii.
1.5.4. Amine
Aminele sunt compuși organici care conțin în molecula una sau mai multe grupări funcționale amino –NH2, amina substituită –NHR sau –NR2 .
Clasificare. Denumire
După gradul de substituire a azotului din molecula amoniacului NH3 (aminele deriva teoretic de la amoniac prin substituirea parțială sau totală a atomilor de hidrogen cu radicali organici) se disting:
Amine primare, R-NH2
Amine secundare, R2NH
Amine terțiare, R3N
După natura radicalilor organici legați de atomul de azot, se disting:
Amine alifatice (alchil amine)
Amine aromatice (aril amine)
Amine mixte (aril alifatice)
După numărul grupelor funcționale din molecula, aminele pot fi mono-, di-, tri- sau poliamine.
Monoamine alifatice primare
CH3-NH2 metanamina, metilamina sau aminometan
CH3-CH2-NH2 etanamina, etilamina, aminoetan
CH3-CH2-CH2-NH2 propanamina, n-propilamina, 1-aminopropan
CH3-CH(CH3)-NH2 2-aminopropan, izopropilamina
CH3-CH2-CH2-CH2-NH2 n-butanamina, n-butilamina sau 1-aminobutan
CH3-CH(CH3)-CH2-NH2 2-metil-1-propanamina, izobutilamina
CH3-CH2-CH2-CH(CH3)-CH2NH2 2-metil-1-pentanamina, 1-amino-2metilpentan
CH2=CH-CH2-NH2 2-propen-1-amina, 1-amino-2-propena, alilamina
CH3-CH=CH-CH2-CH2-NH2 1-amino-3-pentena
C6H5-CH2-NH2 fenilaminometan, benzilamina
Monoamine aromatice primare
Monoamine alifatice secundare
(CH3)2NH dimetilamina
CH3-CH2-NH-CH3 etil-metilamina, N-metil-aminoetan, N-metil-etilamina (aminele secundare se considera derivați N-substituiti ai aminei primare cu catena cea mai lungă.
CH3-CH2-CH2-CH2-NH-CH3 N-metil-1-butanamina
Monoamine secundare mixte sau aromatice
Monoamine terțiare alifatice, mixte, aromatice
Di- și poliamine
Proprietățile fizice ale aminelor
Aminele inferioare sunt gaze(metilamina,dimetilamina,trimetilamina,etilamina)si au miros de amoniac.Aminele superioare sunt lichide majoritatea,.iar unele amine aromatice cu două sau trei nuclee aromatice sunt solide și inodore.Aminele lichide și diaminele au miros neplăcut de pește.
Aminele au puncte de fierbere mai ridicate decât hidrocarburile corespunzătoare, deoarece legăturile de hidrogen sunt mai puternice decât legăturile van der Waals; totuși, punctele de fierbere sunt mai coborâte decât ale alcoolilor cu mase moleculare comparabile, deoarece aminele formează legături de hidrogen de forma>N…H-O-H,mai slabe decât alcoolii.
Aminele inferioare sunt solubile în apă, datorită hidratării grupei funcționale prin legături de hidrogen. Solubilitatea în apă scade odată cu creșterea masei molare. Aminele superioare, deși formează legături de hidrogen, nu se dizolvă în apă deoarece mărimea radicalului hidrocarbonat împiedică solubilizarea totală în apă. Aminele aromatice sunt parțial solubile în apă (anilina se dizolvă aproximativ 3,5%).
Metode de sinteză a aminelor
Din amonniac sau amine, prin alchilare directă cu halogenuri de alchil primar sau secundar, se obțin amestecuri de amine. în exces de amoniac se obțin predominant amine primare, iar în exces de compus halogenat se formează majoritar săruri de tetraalchilamoniu (sare cuaternara de amoniu).
Prin reducerea nitrililor cu hidrogen molecular, în condiții catalitice sau cu hidrogen în stare născândă se obțin amine primare.
Prin reducerea nitroderivaților cu hidrogen molecular sau cu hidrogen în stare născândă se obțin amine primare.
Proprietățile chimice ale aminelor
Bazicitatea aminelor se datorează capacității dubletului de electroni neparticipanți la legătură ai atomului de azot de a fixa un proton provenit de la apă sau de la acizi.
Aminele se dizolvă complet în soluții de acizi minerali, deoarece se formează compuși ionici și prin tratarea acestora cu baze mai tari se pune în libertate amina.
Aminele alifatice sunt baze mai tari decât amoniacul, iar cele aromatice sunt baze mai slabe decât amoniacul. Bazicitatea aminelor alifatice crește în ordinea:
NH3< R-NH2<R3N<R2NH
Creșterea bazicității alchilaminelor față de amoniac se explică prin efectul respingător de electroni al grupelor alchil și astfel crește densitatea de electroni la atomul de azot. Micșorarea bazicității aminelor aromatice față de cele alifatice se datorează conjugării electronilor neparticipanți ai azotului aminic cu nucleul benzenic.
Alchilarea aminelor constă în substituirea atomilor de hidrogen de la azot cu radicalii alchil. Se obține un amestec de amine secundare, terțiare și săruri cuaternare de amoniu.
C6H5NH2 + CH3Cl → C6H5NHCH3 + HCl
C6H5NHCH3 + CH3Cl → C6H5N(CH3)2 + HCl
C6H5N(CH3)2 + CH3Cl → C6H5N(CH3)3]+Cl- clorura de feniltrimetilamoniu
Acilarea aminelor primare și secundare constă în substituirea unui atom de hidrogen de la azot cu radicalul acil, R-CO-. Se obțin amine acilate. Ca agenți de acilare se folosesc clorurile acide, anhidridele acide, acizii carboxilici.
Reacția de acilare servește în sinteza organică pentru a proteja gruparea amino la oxidare și pentru separarea aminelor terțiare de cele primare și secundare, în trucât aminele terțiare nu se pot acila.
Reacția cu acidul azotos
Aminele secundare alifatice și aromatice formează nitrozamine, iar aminele aromatice primare reacționează cu acidul azotos în prezență de acizi anorganici tari și formează săruri de diazoniu.
Sărurile de diazoniu dau reacții de cuplare cu fenolii sau cu aminele aromatice (componente de cuplare) și rezultă coloranți azoici.
Amine biogene
Aceste amine se formează prin decarboxilarea enzimatică a α-aminoacizilor, conform reacției:
R-CH(NH2)-COOH→ R-CH2 – NH2 + CO2
Enzimele care catalizează această reacție, aminoacid-decarboxilazele, sunt specifice fiecărui aminoacid.
Printre aminele biogene care iau nastere prin decarboxilarea α-aminoacizilor se menționează următoarele:
în organismul uman, aminele biogene se formează în procesele metabolice, mai ales la nivelul intestinului subțire și al colonului. în alimente se formează în timpul proceselor tehnologice, sau în timpul depozitării materiilor prime agroalimentare și a produselor alimentare, în special sub efectul unor microorganise ca Bacterium coli și Bacillus subtilis. De exemplu, cadaverina și putresceina se formează prin decarboxilarea lizinei, respectiv a ornitinei, sub acțiunea enzimelor produse de bacteriile de putrefacție. Degradarea biologica a histidinei la histamina este produsă tot de bacteriile de putrefacție. Aminele biogene sunt prezente în brânzeturile maturate, în carnatii maturati și afumati, în peștele afumat, în bauturile fermentate (bere, vin), în ciocolata.
Aminele biogene pot avea atât efecte pozitive, cât și negative. Totul depinde de originea lor, de tipul și doza în care se afă. Prezența aminelor biogene în alimente provoacă alergii alimentare, toxinfecții alimentare, blocarea unor funcții biologice, creșterea tensiunii arteriale, ca urmare a efectului vasoconstrictor. Multe alergii sunt provocate de concentrațiile mari de histamina. Intoxicățiile histaminice sunt cele mai raspândite intoxicății cu amine biogene și se datorează în special consumului de pește alterat. Pe baza conținutului de amine biogene conținute în alimente, se stabilește factorul de prospețime, care este un parametru de evaluare a calității și siguranței alimentare a materiilor prime agroalimentare și a produselor alimentare.
Nitrozamine
Nitrozaminele se pot găsi în alimentele conservate cu azotit de sodiu, cum ar fi: carnea și produsele din carne, peștele, laptele praf degresat, brânzeturile, berea, tutunul. Azotitul de sodiu este un agent conservant, care previne dezvoltarea microorganismelor de clostridium botulinum (responsabil de producerea botulismului), dar este și un agent nitrozant. Alimentele tratate cu azotit de sodiu pot conține nitrozamine, formate prin nitrozarea aminelor cu azotit de sodiu, sau chiar cu oxizii de azot din atmosferă. Șunca, de exemplu, conține cantități detectabile de nitrozamine, în principal nitrozopirolidina, și într-o cantitate mai mică, dimetilnitrozamine.
în bere, nitrozaminele se formează în timpul uscării prin în călzirea directă a malțului de orz. Conținutul de nitrozamine se reduce apreciabil prin uscare indirectă.
Aminele din carne, în special aminele secundare, reacționează cu agenții nitrozanți în mediu acid (reacția este totală la pH 3-3,9, iar la valori mai mari ale pH-lui se formează cantități mici de nitrozamine) sau la temperaturi ridicate și formează N-nitrozamine. Și aminele terțiare formează N-nitrozamine:
R2NH + HO-NO→ R2N-NO + H2O R3N + HONO→ R2N-NO + ROH
Mecanismul reacției de nitrozare
în soluție acidă, acidul azotos este dezlocuit din sare (reacția 1), apoi este transformat în ion de nitrozoniu, NO+ (reacția 2). în soluție apoasă există ionul nitrozoniu hidratat. Această formă activă reacționează apoi cu amina (reacția 3).
în soluție neutră sau foarte slab acidă, agentul de nitrozare este trioxidul de azot, format prin reacția (4), care formează apoi nitrozamine cu o amina secundară (reacția 5) sau cu o amină primară (reacția 6).
în cazul nitrozaminelor aromatice,gruparea nitrozo migreaza de la atomul de azot la nucleu și se formează C-nitrozamine (ON-C6H4-NH2), care au toxicitate mai mică decât N-nitrozaminele.
Nitrozaminele sunt cunoscute ca substanțe carcinogenice și mutagenice. Prevenirea formării nitrozaminelor presupune folosirea unor substanțe care competitioneaza cu aminele pentru agenții nitrozanți. Acidul ascorbic, acidul izoascorbic (erythorbic), α-tocoferolii adăugați la carne, inhibă formarea nitrozaminelor, având proprietăți reducătoare. Acidul ascorbic, de exemplu, este oxidat la acid dehidroascorbic, iar agenții de nitrozare NO+si N2O3 se reduc la NO care nu este agent de nitrozare;
Agenții reducători energici pot rupe legătura N-N din nitrozamine, formând amoniac și amina secundară inițială:
Acidul erythorbic (enantiomer cu acidul ascorbic) este la fel de eficient ca și vitamina C în ceea ce privește inhibarea formării de nitrozamine (deși activitatea vitaminică este scăzută) și este mai ieftin. Pentru carnea proaspătă se folosesc adausuri de 550 ppm de acid erythorbic.
Nitrozaminele se formează și în sucul gastric la om, prin așa-zisa ”nitrozare endogena”. Grupele aminice din alimentele tratate cu azotit de sodiu se nitrozează în prezența sucului gastric. Acidul ascorbic reduce nitrozarea endogenă.
Bacteriile din gură reduc ionul azotat NO-3 (azotații sunt folosiți ca fertilizatori) la ionul azotit NO-2 care apoi trece în forma activă NO+.
Surse de nitrozamine sunt nu numai alimentele conservate cu azotit de sodiu, tutunul, ci și produsele cosmetice, surfactanții, emulsificatorii. Unii adjuvanți din compoziția produselor cosmetice conțin azot (amine și aminoderivați, în special dietanolamine) și pot forma nitrozamine dacă este prezent un agent nitrozant, cum ar fi 2-bromo-2-nitro-1,3-propandiol, trihidroximetilnitropropan. Trebuie deci să fie evitate asemenea asocieri în formularea unui produs cosmetic.
în dulcitori sintetici cu structura aminică
Un procent de 60% din ciclamatul ingerat se metabolizează și produsul intermediar de metabolizare, ciclohexilamina este carcinogenetică. Sunt reglementate totuși dozele maxim admise.
Dulcina este un în dulcitor termostabil, dar provoacă tumori hepatice și ale tractului urinar. Compusul P4000 este unul dintre cei mai puternici edulcoranți de sinteză, dar provoacă hipertrofie hepatosplenica la animalele de experiență.
1.5.5. Compuși carbonilici (aldehide și cetone)
Aldehidele și cetonele sunt compuși organici care conțin gruparea funcțională carbonil , >C=O.
Formulele generale sunt următoarele:
Clasificare. Nomenclatura. Izomerie
După natura radicalului R, compușii carbonilici pot fi saturați, nesaturați sau aromatici.
După numărul grupărilor funcționale exista compuși mono- sau policarbonilici.
Denumirea compușilor carbonilici se face prin adăugarea sufixului –al pentru aldehide și –onă pentru cetone la numele hidrocarburii corespunzătoare. Aldehidele ciclice se denumesc adăugând sufixul – carbaldehidă la numele hidrocarburii corespunzătoare. Cetonele se mai denumesc prin enumerarea radicalilor în ordine alfabetică, urmată de termenul cetonă.
Pentru compușii carbonilici cu structura ramificată se alege catena cea mai lungă care conține gruparea funcțională și se numerotează astfel în cât gruparea carbonil să aibă indice minim.
Compușii carbonilici prezintă izomerie de catenă, izomerie de poziție a grupării funcționale și izomerie de funcțiune cu alcoolii și eterii nesaturați ori ciclici.
Proprietățile fizice ale compușilor carbonilici
Starea de agregare. Sunt compuși solizi sau lichizi în funcție de masa molară, cu excepția aldehidei formice care este gaz.
Miros. Aldehidele: formică, acrilica, piruvică și propargilică (propinal) au miros în țepător, dezagreabil. Benzaldehida și salicilaldehida au miros de migdale amare. Ciclohexanona are miros de mentă, acetona și butanona au miros aromat, 2-heptanona are miros de fructe.
Punctele de fierbere și de topire sunt mai ridicate decât ale hidrocarburilor corespunzătoare, dar mai coborâte decât ale alcoolilor și ale acizilor carboxilici corespunzători. Forțele intermoleculare dipol-dipol prin care sunt asociate moleculele compușilor carbonilici sunt mai puternice decât forțele de dispersie London din hidrocarburi, dar mai slabe decât legăturile de hidrogen dintre moleculele alcoolilor și ale acizilor.
Valorile punctelor de fierbere pentru unii compuși organici sunt următoarele:
C3H8 C2H5-CHO CH3COCH3 C2H5-CH2OH C2H5COOH
-420C +490C +56,10C 970C 141,30C
Se observă că cetonele au puncte de fierbere mai mari decât aldehidele corespunzătoare din cauza polarității mai mari a moleculelor de cetonă.
Solubilitatea. Termenii inferiori C1-C3 sunt misciibili cu apa în orice proporție din cauza formării legăturilor de hidrogen cu moleculele apei. Solubilitatea în apă scade cu creșterea masei molare și termenii cu număr mai mare de șapte atomi de carbon sunt practic insolubili în apă. Toți compușii carbonilici se dizolvă în alcool, eter, cloroform, hidrocarburi. Solubilitatea în apă este determinată de gruparea funcțională, iar solubilitatea în solvenți organici este determinată de radicalul organic.
Metode de obținere a compușilor carbonilici
Oxidarea energică a alchenelor:
Oxidarea blândă a alcoolilor:
Adiția apei la alchine (reacția Kucerov)
Acilarea hidrocarburilor aromatice:
Hidroliza bazică a compușilor dihalogenați geminali.
Proprietăți chimice
Gruparea carbonil are o mare reactivitate chimică din cauza polarizării:
Reactivitatea grupării carbonil este mai mare în aldehide decât în cetone. Compușii alifatici sunt mai reactivi decât cei aromatici și într-o serie omoloagă reactivitatea scade cu creșterea masei molare.
Compușii carbonilici prezintă reacții comune pentru aldehide și cetone și reacții specifice aldehidelor.
Reacții comune aldehidelor și cetonelor (reacții de adiție și de condensare)
Reducerea compușilor carbonilici este o reacție de adiție de hidrogen, care transformă aldehidele în alcooli primari, iar cetonele în alcooli secundari.
Pentru reducerea grupării carbonil se poate folosi și hidrogen în stare născândă (din reacția sodiului cu etanolul) sau cu hidrura de litiu și aluminiu LiAlH4 în eter.
Adiția acidului cianhidric conduce la cianhidrine, care prin hidroliză trec apoi în α-hidroxiacizi.
Condensarea compușilor carbonilici poate fi de tip aldolic sau de tip crotonic.
Condenasrea aldolică (aldolizarea) constă în adiția componentei metilenice la componenta carbonilică, când rezultă o hidroxialdehidă, numită și aldol sau o hidroxicetonă, numită și cetol. Componenta carbonilică participă la reacție cu gruparea carbonil iar componenta metilenica cu gruparea metilen din poziția α față de gruparea carbonil. Componenta metilenica conține o grupare –CH2- sau CH3- activată prin efectul atragator de electroni al unei grupări funcționale. Drept componente metilenice se pot folosi compuși carbonilici, acizi, esteri, compuși cu azot, fenoli, etc.
Condensarea crotonica (crotonizarea) presupune formarea aldolului (cetolului), urmată de eliminarea apei, când rezultă o aldehidă α,β-nesaturată.
Condensarea compușilor carbonilici cu compușii cu azot (hidroxilamina, hidrazina, aminele aromatice primare) decurge după schema condensării crotonice:
Oximele, hidrazonele și azomeținele servesc la identificarea compușilor carbonilici. în reacția cu 2,4-dinitrofenilhidrazina se formează ușor 2,4-dinitrofenilhidrazone colorate în galben până la portocaliu, cu puncte de topire caracteristice.
Compușii carbonilici se condenseaza și cu fenolii. De exemplu:
Reacții de oxidare (reacții specifice aldehidelor)
Aldehidele, spre deosebire de cetone, au caracter reducător. Prin oxidare, aldehidele formează acizi carboxilici. Oxidarea se poate realiza cu permanganat de potasiu sau bicromat de potasiu în prezență de acid sulfuric, cu acid azotic, cu sărurile metalelor grele (argint, cupru) în mediu bazic sau cu oxigen molecular (autooxidare).
Aldehidele reduc hidroxidul diaminoargentic (reactiv Tollens) în mediu bazic la argint metalic, ce se depune sub forma unei oglinzi pe pereții eprubetei.
Aldehidele, cu excepția celor aromatice, reduc la cald reactivul Fehling la oxid cupros, roșu-caramiziu, și se oxidează la acizii carboxilici corespunzători. Ecuațiile reacțiilor chimice sunt următoarele:
Oxidarea se poate face și cu oxigenul din aer, proces numit autooxidare, când se formează intermediar un peracid.
Reprezentanți
Aldehida benzoică, C6H5-CHO, intră în compoziția amigdalinei (glicozidul care se găsește în sâmburii de caise, piersici) și a uleiului esențial de migdale amare, de unde se extrage prin antrenare cu vapori de apă. Sintetic se obține prin hidroliza clorurii de benziliden, C6H5-CHCl2, prin oxidarea catalitică a toluenului. Se prezintă ca un lichid incolor, cu miros de migdale amare și gust arzător.
Aldehida cinamică (cinamalul), C6H5-CH=CH-CHO, intra în compoziția a numeroase uleiuri esențiale de unde se extrage prin distilare cu vapori de apă. Sintetic se obține prin condensarea crotonica a benzaldehidei cu acetaldehida, în mediu bazic. Este un lichid uleios, gălbui, care se îmbrunează sub acțiunea luminii, are gust arzător și miros de scorțișoară.
Aldehida octilică sau caprilică, CH3-(CH2)6-CHO se găsește în uleiul esențial de citronela, lemon grass și de trandafir. Sintetic se obține prin dehidrogenarea catalitică a alcoolului octilic. Este un lichid incolor cu miros de fructe.
Aldehida monilică sau pelargonică, CH3-(CH2)7-CHO, este constituient al uleiului esențial de mandarine și iarbă lemon. Sintetic se obține din acid formic și acid pelargonic la 3000C, catalizator TiO2:
Este un lichid incolor sau ușor gălbui, cu miros puternic și pătrunzăor. în diluție foarte mare are miros de trandafir.
Citralul sau geranialul este 3,7-dimetil-2,6-octadienal. Este un terpenoid aciclic care apare în două forme izomere, cis și trans. Este componentul principal al unor uleiuri esențiale (de lămâie, portocale, mandarine, iarbă lemon. Produsul natural este un amestec de izomeri cis și trans. Industrial se obține din ulei esențial de lemon grass care conține 70-90% citral. Sintetic se obține prin oxidarea geraniolului, nerolului sau a linalolului cu acid cromic. Se prezintă sub forma unui lichid gălbui sensibil la lumină (se îmbrunează), are miros de lămâie.
Carvona este un monoterpenoid ciclic care există sub forma a doi enantiomeri (are un carbon asimetric). Forma dextrogiră intră în compoziția uleiului esențial de chimion, anason. Se obține prin distilarea fracționată sub vid sau cu vapori de apă a uleiului esențial de chimion. Forma levogiră se găsește în cantitate mai mare în uleiul esențial de izmă creată. Forma racemică se găsește în uleiul esențial de ghimbir, mentă, anis.
Vanilina și etilvanilina se prezintă sub formă de cristale albe puțin solubile în apă rece, solubile în apă caldă, alcool, eter, au miros caracteristic. Mirosul etilvanilinei este de patru ori mai puternic decât cel al vanilinei. Vanilina se obține sintetic prin oxidarea cu ozon a izoeugenolului (orto-metoxi-para-1-propenil-fenol) sau din guaiacol (2-metoxifenol) și cloroform în prezența de hidroxid alcalin.
3-fenilpentanal, 4-fenilpentanal, 5-fenilpentanal, 5-metil-2-fenilhexanal se folosesc ca aromatizanți cu aromă de cacao și de ciocolată.
8-nonen-2-ona se folosește în amestec cu metilcetone, conferind aroma de brânză.
Diacetilul CH-CO-CO-CH3 se găsește alături de acetaldehidă în produsele lactate fermentate, contribuind la aroma acestor produse. în untul fabricat din smântână fermentată se găsește în cantitate de 1mg/kg unde se formează din citrați sub acțiunea Str. lactis. Se obține și sintetic din butanonă. Este un lichid galben-verziu, cu miros penetrant chinionic. Este miscibil cu etanolul și solubilitatea în apă este de 1:4. Vaporii săi au miros similar cu ai clorului. în dilutie foarte mare are miros de unt. Se folosește pentru aromatizarea untului, a margarinei.
Hidroperoxidul de acetona se obține prin reacția acetonei cu apa oxigenata. Se folosește pentru maturarea fainurilor, având proprietatea de a mari rezistența aluatului la în tindere și de a scădea extensibilitatea lui prin transformarea grupărilor tiolice –SH din proteine în grupări disulfurice, -S-S-.
Această transformare îmbunatățește textura și porozitatea produselor de panificație. Peroxidul de acetonă se folosește împreună cu peroxidul de benzoil, C6H5-CO-O-O-CO-C6H5 ca agent de albire a făinii.
Hexametilentetraamina, (CH2)6N4, numită și urotropină sau hexamină este produs de condensare a formaldehidei cu amoniacul, conform reacției:
6CH2=O + 4NH3 → (CH2)6N4 + 6H2O
Este o pulbere cristalină, care are proprietatea de a sublima, este solubilă în apă și în etanol. Prin tratare cu acizi, pune în libertate formaldehida, care îi conferă calități de antiseptic. Se utilizează în tratamentul de suprafața al brânzeturilor de tip „provolone”.
Formaldehida se folosește ca aditiv pentru limpezire și stabilizare în industria berii.
1.5.6. Acizi carboxilici
Acizii carboxilici sunt compuși organici care conțin gruparea funcțională carboxil. Formula generală este:
Clasificare. Nomenclatura. Izomerie
Acizii carboxilici se clasifică în funcție de:
Natura radicalului organic R de care este legată gruparea carboxil: acizi saturați, nesaturați sau aromatici.
Numărul grupelor carboxil: acizi mono-, di-, policarboxilici.
Denumirea IUPAC se formează prin adăugarea sufixului –oic la numele hidrocarburii corespunzătoare. După o altă nomenclatură, se adaugă sufixul –carboxilic la numele hidrocarburii corespunzătoare, în special pentru acizii ciclici. Se folosesc și denumirile uzuale.
Denumirile unor acizi:
în acizii cu catene ramificate sau având substituienți, numerotarea pozițiilor în cepe de la gruparea carboxil, care are cea mai mare prioritate.
Prioritatea principalelor grupări funcționale scade în ordinea:
-COOH> -COOR> -CO-NH2> -CN> -CH=O> -CO-> -OH> -NH2> -CH=CH2> -C≡C-> R
Acizii carboxilici prezintă următoarele tipuri de izomerie:
de catenă (exemplu: acidul pentanoic sau acidul valerianic și acidul 3-metilbutanoic sau acidul izovalerianic);
de poziție (exemplu: acizii ftalici);
geometrică (exemplu: acidul maleic și acidul fumaric);
izomerie optică, în cazul în care molecula conține carboni asimetrici;
izomerie de funcțiune cu esterii, compușii hidroxicarbonilici, diolii ciclici;
Proprietăți fizice
Starea de agregare. Acizii monocarboxilici saturați cu până la zece atomi de carbon în moleculă și acizii nesaturați sunt lichizi. Acizii monocarboxilici saturați superiori, acizii dicarboxilici și cei aromatici sunt solizi.
Punctul de fierbere crește odată cu creșterea masei molare și scade cu ramificarea catenei. Acizii nesaturați cu catene normale au temperaturi de fierbere și de topire mai mici decât acizii saturați corespunzători. Temperaturile de fierbere ale acizilor sunt mai mari decât ale alcoolilor corespunzători deoarece legăturile de hidrogen formate între moleculele de acizi sunt mai puternice decât legăturile de hidrogen dintre moleculele de alcool, din cauza polarizării mai mari a legăturii O-H din acizi. Spre deosebire de alcooli și fenoli, unde punțile de hidrogen sunt polimoleculare, acizii carboxilici sunt asociați sub formă de dimeri ciclici.
Structura de dimer se păstrează parțial și în stare de vapori, în special la termenii inferiori. în solvenții polari (apă, metanol, acetonă), ca și în solvenții nepolari (benzen, CCl4), acizii grași, la concentrații medii, se găsesc în totdeauna dimerizați prin punți de hidrogen. La creșterea concentrației de acizi, pot apărea asociații trimere, tetramere, etc.
Valorile punctelor de fierbere pentru unii compuși sunt următoarele:
CH3CH2COOH CH3-COOH H-COOH C2H5-OH CH3-CHO C2H5-Cl C2H6
141,20C 118,20C 100,50C 780C 210C 12,20C -88,60C
Punctul de topire crește cu numărul atomilor de carbon din moleculă. Acizii monocarboxilici cu catenă liniară prezintă o alternanță a punctului de topire, respectiv acizii cu număr par de atomi de carbon se topesc mai sus decât cei doi acizi în vecinați cu număr impar de carboni. Aceasta se datorează deosebirilor de structură cristalină generate de diferențele de simetrie moleculară. Configurația în zig-zag a catenelor acizilor saturați conduce la o aranjare mai compactă a acizilor cu număr par de atomi de carbon. Temperatura de topire a stereoizomerilor trans este mai mare decât la stereoizomerii cis. Din cauza simetriei moleculare mai mare în stereoizomerul trans, moleculele se împacheteză mai compact în rețeaua cristalină și formează rețele cristaline mai stabile. La acizii nesaturați cu catena normală punctul de topire crește pe masura apropierii dublei legături de gruparea carboxil.
Solubilitatea. Termenii C1-C3 sunt miscibili cu apa din cauza hidratării grupării funcționale prin legături de hidrogen. Solubilitatea în apă scade cu creșterea radicalului hidrocarbonat care este hidrofob. Acidul butiric de exemplu are solubilitatea în apa 5,1g%, iar acidul hexanoic are solubilitatea 0,4g%. Termenii cu mai mult de 12 carboni în molecula sunt practic insolubili. Solubilitatea diferențiată a acizilor în diverși solvenți permite separarea lor. Acizii butiric, hexanoic, octanoic se pot extrage din amestecuri prin antrenare cu vapori de apă.
Mirosul. Acizii formic și acetic au miros în țepător caracteristic, termenii mijlocii au miros neplăcut, iar termenii superiori sunt inodori.
Structura grupării carboxil. Proprietăți chimice
Gruparea carboxil se reprezintă prin formulele următoare:
Datorită structurii plane a grupării carboxil (atom de carbon hibridizat sp2) apare o deplasare electronică (o conjugare p-π), care face ca această grupă să nu se comporte ca o grupare cu funcțiuni mixte.
Acizii carboxilici prezintă următoarele proprietăți chimice:
reacții la gruparea funcțională;
caracterul acid;
reacții comune cu reacțiile acizilor minerali;
reacții specifice acizilor carboxilici;
reacții la catena nesaturată (adiție,oxidare).
Caracterul acid. Polarizarea legăturii O-H în urma conjugării interne determină caracterul slab acid, care poate fi pus în evidență cu ajutorul indicatorilor acido-bazici. în soluție apoasă diluată acizii carboxilici ionizează reversibil conform reacției:
Valorile incluse în paranteze pătrate reprezintă concentrațiile molare de echilibru, iar Ka reprezintă constanta de aciditate, care este o masură a tăriei unui acid. Aciditatea scade cu creșterea radicalului hidrocarbonat (grupele cu efect respingător de electroni reduc aciditatea) și crește cu creșterea numărului de grupe carboxil. Acizii aromatici și acizii α,β-nesaturați sunt mai tari decât acizii saturați.
Aciditatea unor compuși scade în ordinea:
Acizi minerali tari (HCl, HNO3, H2SO4)> RCOOH> H2CO3> H2S> HCN> ArOH> H2O> ROH
Reacții comune cu acizii minerali
Acizii carboxilici formează săruri cu metalele reactive (Na,K,Ca,Mg,Zn,Al), cu oxizii bazici (Na2O, CaO, MgO, CuO, PbO), cu bazele (NaOH, KOH, Ca(OH)2, Mg(OH)2, NH3), cu sărurile derivate de la acizii mai slabi (NaHCO3, Na2CO3, NaCN, (NH4)2S, C6H5-ONa, CH3-ONa).
Aciditatea grupei carboxil stă la baza metodelor volumetrice de dozare prin titrare cu soluții etalon de NaOH sau KOH, în prezența de indicatori acido-bazici. Acizii carboxilici se dizolvă în hidroxizi alcalini, în carbonați alcalini și de amoniu, formând săruri solubile complet ionizate în soluție apoasă. Din soluții apoase de săruri, acizii pot fi regenerați prin acidulare cu acizi minerali sau cu acizi organici mai tari.
Pe diferența de solubilitate dintre sărurile acizilor organici și alți compuși organici din amestecuri se bazează separarea și identificarea acizilor, precum și prelucrarea tehnologică a produselor alimentare.
Reacții specifice acizilor carboxilici
Acizii carboxilici formează următorii derivați funcționali:
Reacțiile acizilor carboxilici, precum și alte transformări posibile ale derivaților funcționali ai acizilor sunt date în schema următoare:
Unii acizi carboxilici care conțin grupe carboxil în poziții vecine pot forma anhidride ciclice, prin eliminarea intramoleculară a unei molecule de apă.
Reacția de esterificare decurge conform ecuației chimice următoare:
în reacția de esterificare se substituie un atom de hidrogen din molecula alcoolului cu radicalul acil, -CO-R. Exemplu: H-CO- (formil), CH3-CO- (acetil), C6H5-CO- (benzoil). Esterificarea este deci o reacție de acilare la oxigen, O-acilare.
Reacția de acilare a aminelor primare și secundare conduce la amide substituite la azot (derivați acilați ai aminelor).
Reacții de identificare a acizilor carboxilici:
Reacția cu hidrogenocarbonatul de sodiu are loc cu efervescență caracteristică și cu solubilizarea acidului.
Reacția de esterificare cu alcooli în prezență de catalizator acid conduce la esteri care sunt substanțe volatile cu diverse arome.
în soluție alcalinizată, acizii carboxilici formează cu clorura ferică săruri bazice colorate. De exemplu: acidul acetic formează un acetat bazic de fier cu formula: .
Analiza spectrală IR, RMN
Aditivii alimentari – acizi carboxilici și sărurile lor.
Acidul acetic se utilizează ca aditiv de conservare având proprietăți antimicrobiene; este mai eficient asupra bacteriilor și drojdiilor decât asupra mucegaiurilor. Acetatul de sodiu este mai eficace asupra mucegaiurilor. Acidul acetic acționează prin scăderea pH-ului, iar acetații acționează prin scăderea activității apei.
Acidul benzoic este puțin solubil în apă rece, solubil în apă caldă, alcool, uleiuri. Datorită acestui fapt se utilizează mai mult sărurile care sunt solubile în apă și în alcool. Se folosește ca agent de conservare pentru produsele din pește și pentru sucurile din fructe.
Acidul formic are proprietăți antiseptice și se utilizează pentru conservarea sucurilor de fructe, a icrelor de pește și pentru dezinfecția recipienților în industria vinurilor. Se obține industrial din hidroxid de sodiu și monoxid de carbon la 2000C și 1,5 atmosfere. Acidul se pune în libertate cu acid sulfuric din formiatul de sodiu obținut inițial.
Acidul propanoic se folosește ca și conservant antimicotic în cazul produselor de panificație, a brânzeturilor, a fructelor și legumelor deshidratate, a produselor de cofetărie.
Acidul sorbic se găsește în fructele scorusului de munte și se obține sintetic conform reacției:
Se prezintă sub formă de cristale incolore, este puțin solubil în apă rece, solubil în apă caldă și în etanol. Are acțiune antifungică și se folosește pentru brânzeturi, produse de panificație, produse vegetale murate, în vinificație.
Acidul cinamic, C6H5-CH=CH-COOH, are proprietăți antibacteriene și antifungice. Acidul și esterii lui se folosesc ca antiseptici și agenți conservanți. Se folosește și ca agent aromatizant în industria parfumurilor.
Acidul adipic se folosește ca acidifiant și ca sechestrant în industria uleiului, ca agent în inducerea gelifierii. Esterul propilic se utilizează ca aromatizant pentru sosul de soia.
Acidul fumaric se folosește ca acidulant și ca antiseptic, la fabricarea sărurilor de afânare pentru panificație și ca sinergetic pentru antioxidanții fenolici. Se obține prin fermentația enzimatică a glucozei, prin oxidarea ciclohexanului.
Acidul etilendiaminotetraacetic (EDTA):
Având capacitatea de a chela (sechestra) ionii metalelor grele, adausul de EDTA se folosește pentru:
-stabilizarea vitaminei C din sucul de roșii, portocale, grapefruit, lamai față de oxidare;
-protejarea soluțiilor de vitamina C, vitamina B1, B12, acid folic;
-prevenirea imbrunarii neenzimatice a produselor de origine vegetală, care este datorată formării unor complexe metalice cu polifenolii.
Dintre hidroxiacizi se folosesc ca aditivi alimentari: acidul lactic, acidul tartric, acidul malic, acidul citric, acidul ascorbic.
Acidul lactic există sub forma a doi izomeri optici și a unui amestec racemic, optic inactiv.
Acidul lactic dextrogir, acid (+)-lactic, se găsește în sânge, în sucul gastric, în mușchi, unde se formează prin degradarea fiziologică a hidraților de carbon. Concentrația acidului crește după o activitate intensă. Forma dextrogira se obține prin scindarea amestecului racemic.
Acidul lactic levogir, acid (-)-lactic, se găsește rar în natură și se obține prin scindarea acidului lactic racemic.
Acidul lactic racemic, acid ()-lactic sau acidul lactic de fermentație, se găsește în laptele acru, în varza acră, în melasă. Se formează prin fermentația lactică a glucozei, lactozei, zaharozei sub acțiunea feermenților lactici (enzime produse de Bacillus lacti acidi):
C6H12O6 → 2CH3-CH(OH)-COOH
Ca materie primă se folosește melasa, maltoza (amidon zaharificat), zerul bogat în lactoză de la fabricile de brânzeturi, laptele smântânit, siropul de porumb, tărâță de grâu. Amestecul de reacție se tratează cu branza fermentată și carbonat de calciu pentru fixarea acidului lactic pe masură ce se formează (deoarece bacteriile nu se pot dezvolta la o concentrație de peste 0,5% acid lactic). Fermentația este totală în 8-10 zile la 300C.
Lactatul de calciu format se dizolvă la cald în apă, apoi este pus în libertate prin acidulare cu acid sulfuric. Amestecul se filtrează pentru îndepărtarea sulfatului de calciu, iar filtratul se decolorează cu cărbune activ, apoi se concentrează la presiune redusă, la 800C. Acidul lactic format se purifică prin distilare la presiune redusă. Acidul lactic se izolează sub forma unui sirop cu 80-90% acid lactic.
Acidul lactic racemic se găsește sub formă de sare în mere și în alte fructe, în vin, în sucul de roșii.
Se obține și sintetic prin hidroliza cianhidrinei acetaldehidei, prin reducerea acidului cetopropionic sau prin hidroliza acidului 2-cloropropanoic. Acidul se separă prin distilare la vid în aintat sub 1mmHg.
La conservare sau la în călzire se produce o reacție de autoesterificare, formându-se inițial acid lactillactic (acid dilactic). în timp sau pe măsură ce soluția se concentrează, se formează acizi polilactici care la în călzire hidrolizează și formează acid lactic.
Acidul lactic se prezintă sub forma unui lichid siropos incolor sau slab gălbui, cu gust acru și miros slab specific, este solubil în apă, etanol, glicerina, insolubil în benzen, cloroform.
Acidul lactic se folosește ca acidifiant, ca agent de conservare (pentru măsline, vegetale murate, pentru prelungirea duratei de conservare a cărnii în carcasă, în amestec cu acidul ascorbic și cu acidul sorbic).
Lactații și acidul lactic se folosesc ca agenți de tamponare și de stabilizare, ca sinergici pentru antioxidanți.
Acidul malic (acidul hidroxisuccinic) se găsește sub formă levogiră, acidul (-)-malic, în fructele necoapte, în legume, unde se formează prin degradarea oxidativă a hidraților de carbon. Industrial se obține acidul malic racemic, prin hidratarea catalitică a acidului maleic sau prin hidratarea enzimatică ( în prezența fumarazei) a acidului fumaric. Se folosește ca acidulant.
Acidul citric (acidul 2-hidroxi-l,2,3-propan-tricarboxilic) se găsește liber sau ca sare acidă de potasiu în fructe, mai ales în citrice. Apare ca intermediar în metabolizarea hidraților de carbon (ciclul acidului citric).
Industrial se obține prin fermentația citrică a unor zaharuri (zaharoză, glucoză sau un amestec de glucoză și fructoză, format prin invertirea zahărului) folosind unele ciuperci (cytromyces) sau mucegaiuri (Penicillium, Aspergillus niger). Ca materie primă se folosește melasa, zahărul invertit, zaharoza.
Reacția globala este o reacție de oxidare:
C6H12O6 + 3/2 O2 → C6H8O7 2 H2O
Acidul citric se obține și prin extracție din sucul de lămâie, care este supus mai întâi fermentației pentru îndepărtarea zaharurilor, a pectinei, a substanțelor proteice. Filtratul obținut după fermentație se concentrează până la densitatea de 1,24 g/ml apoi se tratează cu hidroxid de calciu, când precipită la în călzire citratul de calciu (este solubil în apă rece și greu solubil în apă caldă). După filtrare și spălare cu apă, citratul de calciu separat este acidulat cu acid sulfuric, când se pune în libertate acidul liber. Soluția este apoi concentrată și lăsată să cristalizeze.
Metoda de sinteză a acidului citric constă în tratarea 1,3-dicloroacetonei cu acid cianhidric, urmată de hidroliza, apoi tratare cu KCN și hidroliza nitrilului.
Acidul citric există sub două forme: anhidră și monohidrat. Forma anhidră formează cristale monoclinice sau pulbere microcristalină din soluție apoasă concentrată fierbinte. Este solubil în apă (59,2% la 200C și 84% la 900C), ușor solubil în alcool, greu solubil în eter, cloroform, are punct de topire 1530C. Acidul citric monohidrat C6H8O7.H2O formează cristale ortorombice din soluție concentrată rece. Este mai solubil decât forma anhidră, are pt0 1000C. în aer umed este ușor delicvescent (absoarbe vapori de apă din atmosferă până la dizolvare), iar în aerul uscat și cald sau prin în călzire la 40-500C pierde apă de cristalizare (este eflorescent).
Acidul citric și citrații se utilizează ca sinergici pentru antioxidanți, adică măresc eficiența unui antioxidant prin chelarea (sechestrarea) ionilor metalici, în special cupru și fier, care favorizează procesul de oxidare. Acidul citric se folosește la tratarea moluștelor supuse refrigerării și congelării. Prin complexarea ionului de cupru se previne formarea complexului colorat Cu-tiol, responsabil de apariția culorii albastre și a mirosului specific. Sistemul acid citric / citrați are rol de sistem tampon, adică se opune variațiilor mari de pH la adăugarea unor cantități mici de acid tare sau bază tare. Acidul citric se folosește și ca acidulant.
Acidul citric se folosește și ca un component al sărurilor efervescente, împreună cu hidrogenocarbonatul de sodiu. Având aciditate mai mare, descompune carbonatul acid și pune în libertate dioxidul de carbon.
Acidul ascorbic și acidul izoascorbic (erythorbic)
Cei doi acizi au structură de di-enoli, ceea ce explică puterea reducătoare și caracterul acid. Acești compuși sunt deci incompatibili cu agenții oxidanți, cu bazele, cu fierul și cuprul, care favorizează procesul de oxidare.
Acidul ascorbic se prezintă sub formă de cristale incolore sau pulbere cristalină albă, are gust acru, punct de topire 1900C (cu descompunere), este sensibil la lumină, la în călzire, la aer. Este solubil în apă (1:3), în alcool absolut 1:50, în glicerină 1:100. Acidul izoascorbic are activitate antiscorbutică mult mai mică decât acidul ascorbic, este mai puțin absorbit de organism și se elimină mult mai repede.
Acidul ascorbic, ascorbații de sodiu și calciu, acidul izoascorbic și izoascorbatul de sodiu au aceleași proprietăți antioxidante. Mecanismul antioxidant al vitaminei C constă în captarea radicalilor oxigenați conform ecuației:
Radicalul acid semidehidroascorbic ce se formează în urma unui transfer de hidrogen (sau transferul unui electron și a unui proton H+) are viață medie lungă, fiind stabilizat prin conjugare și nu poate iniția alte lanțuri de reacție, inhibând astfel peroxidarea. Radicalul ascorbat format suferă un proces de disproporționare când rezultă acidul dehidroascorbic, care nu are caracter acid și se reface o moleculă de acid ascorbic. Acidul ascorbic acționează și prin captarea oxigenului.
Stabilizarea culorii și a aromei în prezența antioxidanților se realizează prin inhibarea atacului oxidativ asupra componentelor de aromă și culoare și astfel se previne formarea produșilor cu miros neplăcut sau colorați. Vitamina C poate reduce ionii metalici, care pot genera radicali liberi, ce inițiază lanțuri de reacție:
Acidul ascorbic și ascorbații protejează de oxidare alimentele hidrosolubile. Fiind solubile în apă, nu pot proteja grăsimile la oxidare. Pe de altă parte, antioxidanții hidrosolubili sunt distruși mai ușor sub acțiunea căldurii. Din această cauză acidul ascorbic, ca și acidul galic, se esterifică pentru a crește solubilitatea în grăsimi și pentru a deveni mai termorezistent. Esterii ascorbilpalmitat sau ascorbilstearat sunt folosiți drept antioxidanți pentru grăsimi.
Acidul tartric (acidul dihidroxisuccinic) se prezintă sub patru forme stereoizomere: acidul dextro-tartric, acidul levo-tartric, acidul tartric racemic (optic inactiv prin compensație intermoleculară) și acidul mezo-tartric (optic inactiv prin compensație intramoleculară).
Acidul dextro-tartric se găsește în fructe liber sau sub formă de sare (de K, Ca, Mg) și în drojdia de vin (piatra de vin) sub formă de tartrat acid de potasiu, de unde se pune în libertate prin tratare cu acizi minerali.
Acidul tartric levogir se obține prin dedublarea amestecului racemic, acid ()-tartric, cu baze optic active. Acidul tartric racemic este un amestec echimolecular de enantiomeri și se obține sintetic prin oxidarea acidului fumaric. Oxidarea acidului maleic cu permanganat de potasiu în mediu slab bazic conduce la acid mezotartric.
Acidul tartric se prezintă sub formă de cristale incolore sau pulbere cristalină albă, fără miros, cu gust acru. Este ușor solubil în apă, în alcooli, dar este greu solubil în eter și insolubil în benzen.
Acidul tartric se folosește ca acidulant în sucurile din struguri și din alte fructe, în gemuri, în panificație. Intra în compoziția sărurilor de afânare, alături de carbonatul acid de sodiu. Acidul tartric și tartrații de sodiu și potasiu se folosesc ca sinergici pentru antioxidanți și ca sisteme tampon.
1.5.7. Esteri
Esterii sunt derivați funcționali ai acizilor carboxilici, și au formula generală:
.
Clasificare, nomenclatură
După natura radicalului hidrocarbonat esterii pot fi alifatici, aromatici sau micști.
După numărul grupărilor hidroxil esterificate există monoesteri, diesteri, poliesteri.
Numele esterilor se formează în mod analog cu numele sărurilor.
Metode de sinteză a esterilor
Esterificarea directă a alcoolilor cu acizi carboxilici este o reacție reversibilă catalizată de acizi minerali (HCl gaz, H2SO4).
Pentru deplasarea echilibrului în sensul formării esterului se ia în exces unul din reactanți sau se în depărtează unul din produșii de reacție.
Esterificarea alcoolilor (alcoolaților) și a fenolilor (a fenolaților) cu cloruri acide sau anhidride acide. în aceste cazuri reacția de esterificare este cantitativă.
Tratarea sărurilor de argint ale acizilor carboxilici cu ioduri de alchil:
C17H35-COOAg + CH3I → C17H35-CO-O-CH3 + AgI
stearat de argint stearat de metil
Din aldehide în prezența de catalizator alcoolat de aluminiu (reacția Tiscenco):
Prin condensarea aldehidelor cu esteri
C6H5-CH=O + CH3-COO-C2H5 → C6H5-CH=CH-COO-C2H5 + H2O
cinamat de etil
Adiția acizilor carboxilici la alchene și alchine:
CH3-CO-OH + CH2=CH2 → CH3-COO-CH2-CH3
CH3-CO-OH + CH≡CH → CH3-COO-CH=CH2
Esterificarea intramoleculară a γ- și δ- hidroxiacizilor conduce la lactone (esteri ciclici intramoleculari):
Proprietăți fizice
Esterii alcoolilor monohidroxilici inferiori sunt lichide cu miros floral sau miros de fructe și mulți sunt folosiți în parfumerie sau ca arome alimentare.
Esterii au puncte de fierbere mai mici decât ale acizilor corespunzători (și de multe ori mai mici și decât ale alcoolilor corespunzători, deoarece moleculele esterilor sunt asociate prin legături dipol-dipol, mai slabe decât legăturile de hidrogen. Esterii sunt insolubili în apă, solubili în solvenți organici (alcool, eter, cloroform, acetonă, uleiuri fixe).
Proprietăți chimice
Hidroliza acidă este reversibilă și conduce la alcoolul și acidul corespunzător. Hidroliza bazică decurge ireversibil și conduce la alcoolul și sarea respectivă.
Reacția de transesterificare are loc la în călzirea unui ester cu un alcool în cataliză acidă sau bazică:
Esteri folosiți ca aditivi alimentari, aromatizanți:
Antioxidanți: diacetat de ascorbil E-303, palmitat de ascorbil E-304
Sinergici pentru antioxidanți: esterul citric al mono- și digliceridelor acizilor grași
Conservanți: sorbitol palmitat, carbonat de metil, alchil parabeni.
CAPITOLUL 2. BIOCHIMIE DESCRIPTIVĂ (STRUCTURALĂ)
2.1. Biochimia organismelor vii
BIOCHIMIA este știința care studiază compoziția și procesele chimice ale materiei vii.
Biochimia s-a fundamentat și dezvoltat pornind de la cinci ipoteze de bază:
ipoteza genetică, conform căreia toate informațiile necesare creșterii și reproducerii unui organism sunt stocate în ADN (Acidul dezoxiribonucleic) și transmise prin intermediul acestuia în momentul diviziunii celulare;
ipoteza fundamentală, conform căreia fluxul de informații biologice se transmite de la ADN la altă macromoleculă, numită ARN (acid ribonucleic) și de la acesta la proteine;
ipoteza enzimatică, conform căreia toare reacțiile desfășurate la nivelul celulei sunt catalizate de substanțe de natură proteică numite enzime;
ipoteza energetică, conform căreia unitatea de energie biochimică este Acidul adenozintrifosforic (ATP); catabolismul (degradarea alimentelor) conduce la formarea ATP, iar anabolismul oricărui component celular este determinată de hidroliza (descompunerea) ATP;
ipoteza autoasamblării spontane, conform căreia anumite macromolecule complexe se formează spontan, pornind de la molecule simple care aparțin diferitelor clase de compuși organici.
Biomoleculele pot fi studiate ținând cont de următoarele aspecte:
examinarea structurii și proprietăților lor după principiile și metodele chimiei clasice;
examinarea lor în lumina ipotezei evoluționismului – biomoleculele sunt produși ai selecției în timpul evoluției, sunt cele mai potrivite pentru funcția lor biologică și interacționează între ele în moduri specifice, conform logicii moleculare a materiei vii;
Pe Terra, unele elemente chimice s-au selectat și au devenit apte pentru a forma molecule proprii organismelor vii. Doar 27 din cele 90 de elemente chimice naturale sunt componente esențiale ale diferitelor elemente vii de pe Terra.
Elementele componente ale materiei organice (elemente organogene) sunt: O, C, N, H, P, S și o serie de ioni monoatomici: Na+, K+, Mg2+, Ca2+, Cl-. în cantități foarte mici se mai găsesc: Mn, Fe, Co, Cu, Zn, B, Al, V, Mo, I, Si, Sn, Ni, Cr, F, Se.
Există mari diferențe între răspândirea elementelor ăn scoarta pământului și cea din organismele vii:
Cele mai răspândite elemente în organismul uman sunt H, O, C, N, cu o pondere de 96% din masa celulară.
Materia vie este compusă din molecule nevii. Aceste molecule nevii, luate separat și nu drept constituienți ai organismelor vii, se supun tuturor legilor fizice și chimice care guvernează materia nevie.
Organismele vii posedă alte proprietăți care nu aparțin materiei nevii.
2.1.1. Caracteristicile proprii materiei vii
Organismele vii se supun principiilor de chimie și fizică clasică, care guvernează întreaga activitate a tuturor moleculelor, dar ele interacționează și conform altui grup de principii.
Biomoleculele
Compoziția chimică a organismelor vii este calitativ și cantitativ diferită de cea a mediului în care acestea trăiesc în organismele vii, concentrația de carbon și azot este mare, pe când în materia nevie, prezența acestora este relativ redusă și sunt sub formă de compuși simpli.
Compoziția chimică a organismelor vii devine din ce în ce mai complexă pe măsură ce se află mai sus pe scara evouției. Astfel, în organismul uman, există aproximativ 10000 de proteine diferite ca structură și funcție, față de aproximativ 3000 câte există într-o bacterie numită E.coli. De reținut este și faptul că aceste biomolecule sunt deosebit de complexe ca și structură. Deși au funcții asemănătoare, proteinele din organismul uman sunt diferite de cele ale E.coli, deci fiecare specie are un set de proteine și de acizi nucleici proprii.
Deși există această diversitate imensă de molecule organice, aceasta se reduce la o simplitate uimitoare. Macromoleculele sunt formate din părți mici legate între ele sub forma unor lanțuri lungi. De exemplu, glicogenul sau celuloza constau din molecule de glucoză legate covalent.
CELULOZA
GLICOGENUL
Toate proteinele prezente în organismele vii sunt alcătuite doar din 20 de aminoacizi, aranjați în mod diferit. Acești aminoacizi sunt prezenți la toate organismele vii. Mai mult, acizii nucleici, ADN și ARN, sunt alcătuiți din doar 8 nucleotide care sunt unice la toate organismele vii.
O altă caracteristică comună prezentă la unele unități constituiente din structura macromoleculelor este că fiecare îndeplinește o funcție în celula vie, sunt adaptabile și pot juca mai multe roluri. Aminoacizii nu sunt numai precursori pentru proteine, ci intră și în compoziția hormonilor, a alcaloizilor, porfirinelor, pigmenților etc. Unele nucleotide nu sunt numai constituienți ai acizilor nucleici, ele intră și în structura unor molecule purtătoare de energie sau coenzime.
Astfel se nasc următoarele axiome:
1. Există o simplitate extraordinară în organizarea moleculară a celulei.
2. Toate organismele vii au un strămoș comun.
3. Identitatea fiecărei specii este păstrată prin prezența unor seturi caracteristice de acizi nucleici și proteine.
4. Există un principiu remarcabil privind economia moleculară în organismele vii.
Probabil că celulele vii conțin moleculele cele mai simple cu putință în cel mai mic număr de tipuri diferite, suficient pentru a le conferi viață și particularitate de specie, în condițiile de mediu în care existăm.
O altă axiomă care se poate deduce din comportamentul organismelor vii:
5. Organismele vii își creează și mențin ordinea lor fundamentală pe seama mediului, în care induc dezordinea și întâmplarea (organismele vii absorb din mediu energia necesară și redau acestuia o cantitate echivalentă de energie sub o formă care le este mai puțin utilă).
În limbaj fizico-chimic, organismele sunt sisteme deschise, ele fac schimb de energie și masă cu mediul în care trăiesc. Caracteristic sistemelor deschise este faptul că ele nu sunt în echilibru cu mediul în care trăiesc.
O altă reflectare a comportamentului organismelor vii este că ele au eficiență maximă în prelucrarea energiei și a materiei. De asemenea, „organismele vii funcționează ca niște mașini chimice izoterme”. Cu alte cuvinte, indiferent de etapa de viață în care se află o celulă, temperatura ei este constantă pe toată suprafața ei.
Reacții chimice în celula vie
Celulele vii sunt veritabile mașini chimice perfect adaptate reacțiilor chimice care se desfășoară în interiorul lor. Randamentul reacțiilor chimice într-o celulă vie este de 100%. Această performanță se datorează prezenței enzimelor.
Enzimele sunt proteine înalt specializate, care catalizează numai un anumit tip de reacție chimică.
În prezent se cunosc aproximativ 2000 de tipuri de enzime implicate în reacțiile din organismele vii.
O enzimă catalizează transformarea unei anumite substanțe într-o anumită direcție, spre un anumit produs final, fără a interfera cu posibilele alte căi de transformare ale substanței respective sub acțiunea altor enzime. Din acest motiv organismele vii pot realiza simultan multe și variate reacții chimice individuale, fără a se încurca într-un labirint de produși secundari inutili.
Din aceste considerente, mai putem extrage o axioma a stării vii:
6. Specificitatea interacțiilor moleculare din celule rezultă din complementaritatea structurală a moleculelor ce interacționează.
Reacțiile biochimice din organism pot exista independent sau se cuplează în serii de reacții, în lanțuri de reacții de 2 până la 20 de etape (reacții independente) care pot urma căi convergente sau divergente. Aceste serii de reacții determină orientarea proceselor spre produși finali specifici de care celula are nevoie.
Celulele pot fi împărțite în două mari clase în funcție de energia pe care o iau din mediul înconjurător – celule fotosintetizante (care utilizează lumina solară ca principal factor de energie) și celulele heterotrofe (care obțin energie din degradarea moleculelor organice puternic reduse, bogate în energie cum este și glucoza).
Deși iau energia din mediu sub forme diferite, ambele tipuri de celule o conservă în ATP. Transportând energia către alte molecule, ATP-ul pierde gruparea fosfat și se transformă în ADP (energetic mai sărac). La rândul său ADP-ul poate accepta din nou energie chimică revenind la starea de ATP. ATP-ul este veriga dintre două mari lanțuri de reacții enzimatice din celulă – primul ciclu – cel al transformării ADP în ATP și cel de-al doilea utilizează ATP-ul pentru a realiza biosinteza componentelor celulare din precursori simpli transformându-l în ADP.
Din aceste cicluri rezultă o altă axiomă a materiei vii:
7. Secvențele de reacții enzimatice legate consecutiv oferă posibilitatea transferului de energie chimică de la procesele producătoare la cele consumatoare de energie.
2.1.4. Autoreglarea reacțiilor din celule
Reacțiile biochimice sunt legate între ele prin intermediari comuni. Acest fapt facilitează posibilitatea sintezei simultane a unei largi palete de molecule complexe. E.coli sintetizează simultan mii de compuși complecși diferiți din numai 3 precursori simpli: glucoză, amoniac, apă. Legarea reacțiilor enzimatice în secvențe de reacții biochimice consecutive face posibilă desfășurarea ordonată a mii de reacții chimice care au loc în celulele vii, astfel încât toate biomoleculele specifice necesare funcționării în condiții optime a celulei sunt produse în cantități adecvate și la viteze optime.
Ca exemplu al complexității acestei uzine chimice – celula vie – o celulă bacteriană, ca cea menționată mai sus poate produce simultan cel puțin 3000 de macromolecule diferite, fiecare constituit din cel puțin 100 de aminoacizi.
Asamblarea reacțiilor enzimatice în secvențe consecutive perfect adaptate, face posibilă reglarea metabolismului. De exemplu, supraproducția unui anumit aminoacid și acumularea acestuia va determina inhibarea etapei cheie din reacția biochimică care l-a produs, fenomen denumit inhibare feedback (inhibare prin retroinhibiție).
O altă modalitate de reglare a metabolismului provine din capacitatea unei celule de a opri producția unei enzime necesare obținerii unui anumit produs ori de câte ori acel produs poate fi procurat, gata preparat, din mediu. De aici rezultă un alt principiu al materiei vii:
8. Celulele sunt capabile să-și regleze reacțiile lor metabolice și sinteza enzimatică, realizând maximum de eficiență și economie.
2.1.5. Replicarea organismelor vii
O caracteristică fundamentală a organismelor vii este capacitatea de reproducere sau de autoreproducere. Întreaga cantitate de informație genetică a omului este codificată în ADN-ul nucleului celular. Un spermatozoid sau un ovul uman are o cantitate de doar 6 picograme de ADN. Altfel spus, întreaga informație genetică ce descrie toată structura umană și funcțiile organismului uman cântarește doar 0,0000000000012 grame (12·10-12g). Astfel mai putem extrage o axiomă a organismelor:
9. Simbolurile prin care este codificată informația genetică în ADN sunt de dimensiuni submoleculare.
O altă caracteristică importantă a transmiterii informației genetice de la o generație la alta este reprezentată de stabilitatea informației genetice. Nu există variații bruște ale informației genetice decât în cazul apariției unor defecte în procesul de replicare a ADN sau prin inserarea unor coduri ADN virale în informația inițiala. Achizițiile și pierderile de informație genetică se realizează foarte lent, pe parcursul a numeroase generații, acestea având rol adaptativ la mediul de viață.
Este de reținut și faptul că structura ADN nu este una tridimensională, deși există aspectul helicoidal al acestuia. Informația genetică este codificată de 4 elemente nucleotidice diferite așezate în secvențe specifice într-o moleculă liniară de ADN.
ADN
Marea majoritate a elementelor structurale codificate de ADN sunt tridimensionale. Astfel putem extrage următoarea axiomă:
10. Informația genetică unidimensională din ADN este tradusă în componenți tridimensionali macromoleculari și supramoleculari din organismele vii prin traducerea structurii ADN în structura proteinelor.
Altă caracteristică importantă a ADN-ului este complementaritatea structurală. O catenă de ADN (o singură jumătate) servește ca matriță pentru replicarea enzimatică a unei noi catene structural complementare.
Din acest motiv, dacă ADN-ul suferă mici “leziuni”, acestea vor fi rapid reparate de enzime specifice fără pierdere de informație.
“O celulă vie este un sistem de molecule organice, deschis, izoterm, capabil de autoasamblare, autoreglare și autoreplicare, funcționând după principiul economiei maxime de material și de mijloace; ea favorizează desfășurarea multor reacții organice legate consecutiv, prin care, cu ajutorul catalizatorilor organici produși de ea însăși, are loc transferul de energie și sinteza propriilor componenți.” (Albert Lehninger, Biochemistry, Second Edition)
2.2. Biomolecule anorganice
2.2.1. Apa
2.2.1.1. Generalități
Principalele substanțe anorganice întâlnite în toate organismele vii sunt reprezentate de
apă și săruri minerale.
Apa este un constituent absolut indispensabil tuturor organismelor vii, deoarece toate procesele celulare care stau la baza vieții nu pot avea loc în lipsa apei. Chiar și diminuarea mai mult sau mai puțin accentuată a conținutului de apă în celule și țesuturi determină scăderea sau chiar încetarea funcțiilor vitale. Conținutul în apă al organismelor vii este extrem de variat, oscilând între 20-30% în semințe, tulpinile plantelor lemnoase, țesutul osos etc. și 95-98% în frunze, microorganisme, multe țesuturi animale etc.
Principala funcție a apei în lumea vie o constituie rolul său de mediu de reacție pentru toate procesele biochimice. În același timp, apa reprezintă mijlocul de transport pentru metaboliți (seva plantelor, sângele, urina, lichidul cefalorahidian, limfa etc.).
Apa legată este reprezentată de acea cantitate de apă care înconjoară biomoleculele organice și care prezintă proprietăți diferite. Astfel, această apă nu îngheață nici chiar la -100oC, fapt ce explică existența formelor de viață în condiții extreme cum ar fi zonele polare, ghețarii etc.
Formula chimică a apei: H-O-H = H2O.
Apa este omniprezentă în toate organismele vii în proporții variabile (70 și 90% din masă).
Nu este o substanță inertă, ea interacționează rapid și are proprietăți speciale.
Produșii de ionizare ai apei – ionii hidroniu (H3O+) și hidroxil (HO-) sunt determinanți ai structurilor caracteristice și ai proprietăților proteinelor și acizilor nucleici, ale membranelor, ribozomilor și ai altor componenți intracelulari.
2.2.1.2. Proprietățile fizice ale apei. Legături de hidrogen
Apa are punctul de topire, de fierbere, de evaporare, căldura de fuziune și tensiunea superficială mai mare decât a multor lichide obișnuite. Aceste proprietăți ale apei se datorează forțelor de atracție dintre moleculele apei lichide. Aceste forțe de atracție puternică își au originea în distribuția specifică a electronilor în molecula de apă. Existența unui anumit unghi specific între componentele apei, cei 2 atomi de H și cel de O, îi conferă o asimetrie electrică. Atomul de O este puternic electronegativ și are tendința să atragă electronii unici ai atomilor de H, lăsând nucleul acestuia dezgolit. Cei doi atomi de H “dezgoliți” lasă o încărcătură parțial pozitivă, iar atomul de O păstrează o încărcătură negativă parțială. Astfel, deși molecula de apă nu are încărcare netă, ea “funcționează” ca un dipol electric.
Când 2 molecule de apă se aproprie, se produce o legătură electrostatică complexă denumită “legatură de hidrogen”, concomitent cu o rearanjare a încărcăturii electrice în fiecare moleculă. Datorită aranjamentului spațial caracteristic, fiecare moleculă de apă are capacitatea să formeze această legaturi de hidrogen cu încă alte 4 molecule de apă vecine. Aceste legături de hidrogen sunt prezente atât în apa sub formă lichidă, cât și în gheață și vaporii de apă. Din punct de vedere al energiei necesare, pentru a se desface o astfel de legatură, ele sunt mult mai slabe decât legăturile covalente din interiorul moleculei (de aproximativ 20 de ori mai slabe). Forța de legătură depinde și de unghiul în care se formează aceste legături și distanța dintre molecule.
Există diferențe mici între numărul de legături de hidrogen din apa sub formă de gheață și cea sub formă lichidă. Acest lucru se explică prin rapiditatea cu care se formează și se distrug aceste legături în apa lichidă. Există numeroase teorii prin care se încearcă explicarea structurii apei lichide, încă niciuna acceptată unanim.
Legăturile de hidrogen nu sunt specifice apei. Ele mai pot exista între o grupare HO- și H2O, între o grupare carbonil și apă, între 2 lanțuri peptidice, între perechile de baze complementare din ADN.
Între legăturile de hidrogen se naște fenomenul de cooperare. Acesta presupune creșterea puterii de atracție între 2 molecule prin participarea mai multor legături de hidrogen. Altfel spus, când între 2 molecule ale unei substanțe dizolvate se pot forma două sau mai multe legături de hidrogen, stabilirea primei legături mărește semnificativ, prin modificarea geometriei moleculare, probabilitatea stabilirii celei de-a doua legături de hidrogen. Această cooperare este caracteristică proteinelor și acizilor nucleici.
2.2.1.3. Proprietățile de solvent ale apei
Apa este un solvent foarte bun. Apa are capacitatea să dizolve multe săruri cristaline – NaCl – prin capacitatea sa de a se opune atracției dintre ionii de Na+ și Cl- prin formarea ionilor de Na+ și Cl- hidratați, foarte stabili.
Alte substanțe care se pot dizolva ușor în apă sunt compușii neionici polari, glucide, alcoolii simpli, aldehidele și cetonele.
2.2.1.4. Soluții apoase. Concentrația soluțiilor
Dizolvarea reprezintă procesul de amestecare a două sau mai multe substanțe, urmat de formarea unei soluții.
O soluție este formată din:
solvat (substanța care se dizolvă), solut, dizolvat;
solvent (substanța care dizolvă), dizolvant.
La dizolvarea substanțelor au loc concomitent două fenomene:
un fenomen fizic, în cursul căruia particulele solvatului difuzează printre moleculele solventului, fenomen în oțit de absorbție de căldură (endoterm);
un fenomen chimic, care constă în interacții cu formare de legături între particulele de solvat și solvent, fenomen numit solvatare, care are loc cu degajare de căldură (exoterm); dacă solventul este apa, pocesul se numește hidratare.
Când la dizolvarea unei substanțe, cantitatea de căldură absorbită depășește cantitatea de căldură degajată, temperatura soluției este mai mică decât temperatura inițială a dizolvantului (dizolvare endotermă).
Dacă la dizolvarea unei substanțe, cantitatea de căldură degajată este mai mare decât cea absorbită, soluția se încălzește (dizolvare exotermă).
La dizolvarea compușilor ionici în apă, interacțiile dintre solvat și solvent constau în formarea de legături ioni-dipol între ionii substanței dizolvate și moleculele polare de apă. Rezultă ioni înconjurați de dipolii apei, ioni hidratați; acești ioni mobili explică conductibilitatea electrică a soluțiilor de compuși ionici (săruri, baze).
La dizolvarea substanțelor polare în apă, se formează legături dipol-dipol între moleculele polare de apă și moleculele polare ale solvatului. Consecința acestui fenomen este ionizarea solvatului (desfacerea dipolului în ioni). Ionii formați se hidratează cu molecule de apă.
Ionii proveniți la ionizarea acizilor în soluție apoasă sunt particule materiale care conduc curentul electric.
Acizii, bazele și sărurile care în soluție și topitură conduc curentul electric prin intermediul ionilor mobili se numesc conductori de ordinul II (electroliți).
Prin evaporarea soluțiilor apoase, multe substanțe dizolvate se separă sub formă de cristale, în care particulele sunt hidratate. Cristalele de acest fel, care înglobează în ele apă, se numesc cristalohidrați; apa conținută în cristalohidrați se numește apă de cristalizare.
Exemple de cristalohidrați: Na2CO3∙10H2O – soda cristalizată; CaSO4∙2H2O – gips; CuSO4∙5H2O – piatra vânătă.
Unii cristalohidrați lăsați în aer, pierd o parte din apa lor de cristalizare, producându-se fenomenul de eflorescență (de exemplu Na2CO3∙10H2O).
Unele substanțe prezintă proprietatea de a absorbi vapori de apă din atmosferă; astfel de substanțe se numesc higroscopice (de exemplu CaCl2 sau AlCl3).
Noțiunea de solubilitate prezintă două semnificații:
din punct de vedere calitativ: proprietatea unei substanțe de a se dizolvă într-o altă substanță;
din punct de vedere cantitativ: cantitatea maximă de substanță, ce se poate dizolva, la o anumită temperatură, într-o anumită cantitate de solvent.
De exemplu: la 20°C, 100 g apă dizolvă 200 g zahăr, 36 g NaCl, 0,000014 g AgCl.
După solubilitatea, substanțele se pot clasifica în :
substanțe ușor solubile: NaCl, zahăr;
substanțe puțin solubile: gips;
substanțe greu solubile: clorura de argint.
Soluția care conține dizolvată o cantitate de substanță egală cu solubilitatea ei maximă nu mai poate dizolva o cantitate suplimentară de solvat; ea se numește soluție saturată.
Soluțiile în care se mai pot dizolva noi cantități de solvat se numesc soluții nesaturate.
Factorii care influențează solubilitatea substanțelor sunt:
natura solvatului și solventului: substanțele se dizolvă în solvenți cu structuri asemănătoare. Dizolvantul cel mai folosit este apa, care are molecule puternic polare; ea dizolvă multe substanțe, cu structură ionică sau polară.
Substanțele cu molecule nepolare (sulfura de carbon, CS2; tetraclorura de carbon, CCl4; benzenul, C6H6) sunt solvenți pentru substanțe cu molecule nepolare.
Două substanțe lichide care se dizolvă una în alta se numesc miscibile. Lichidele care nu formează soluții între ele se numesc nemiscibile.
temperatura: în cele mai multe cazuri, solubilitatea substanțelor solide și lichide crește cu creșterea temperaturii; solubilitatea gazelor scade cu creșterea temperaturii.
presiunea influențează în special solubilitatea gazelor, care crește când se mărește presiunea.
Concentrația unei soluții exprimă cantitatea de substanță ce se găsește dizolvată într-o anumită cantitate de soluție.
Concentrația procentuală – cantitatea de substanță dizolvată în 100 g soluție.
; ;
unde: m – masa soluției; – masa dizolvatului; – masa apei; c – concentrația soluției.
Concentrația molară – raportul dintre cantitatea (moli) unui component dintr-un amestec și volumul amestecului. Se notează cu C(i) sau Ci pentru un component oarecare i. Este o mărime dependentă de temperatură datorită volumului care e dependent de temperatură.
Unitatea de măsură în SI este kmol/m3. O unitate uzuală e mol/L.
Relația între concentrația molară și concentrația masică este:
Această relație poate fi demonstrată prin împărțirea la volumul amestecului (soluției) a relației dintre masa și cantitatea (moli) unui component din amestec (soluție).
Alte moduri de exprimare a concentrației sunt fracțiile (procentele) molare, masice și volumice, concentrația masică, molalitatea etc.
Fracția molară e un mod de exprimare a concentrației unui component dintr-un amestec sau soluție, fiind raportul dintre cantitatea (numărul de moli) componentului și cantitatea totală din soluție. Se notează de obicei cu xi sau xA după cum e notat componentul. Este deci o mărime adimensională. Prin multiplicare cu 100 rezultă procentul molar al componentului.
unde .
Suma fracțiilor molare ale componenților e egală cu 1, condiție de normare. Aceasta rezultă din definiția fracției molare.
Din definiție mai rezultă că componentul pur are o fracție molară de 1, iar dacă componentul nu este prezent în amestec, fracția sa molară e 0. Așadar fracția molară ia valori între 0 și 1.
Concentrația normală (normalitatea) – cantitatea de substanță exprimată în echivalenți gram dizolvată în 1000 mL de soluție.
Echivalentul gram – cantitatea de substanță exprimată în grame numeric egală cu echivalentul chimic.
Concentrația molală – cantitatea de substanță dizolvată în 1000 grame de soluție.
sau
Titrul – cantitatea de substanță dizolvată în 1 mL de soluție.
.
2.2.1.5. Interacții hidrofobe
Conform DEX:
Hidrofil, -ă, hidrofili, -e, adj., hidrofilă, hidrofile, adj.f., s.f. 1. Adj. Care absoarbe apă în cantitate mare; care se îmbibă ușor cu apă; care are afinitate pentru apă, avid de apă. 2. Adj.f., s.f. (Bot.) (plantă) la care florile se polenizează în apă sau la suprafața apei; hidrogamă. – Din fr. hydrophile.
Hidrofób, -ă, hidrofobi, -e, adj., s.m. și f. 1. Adj. (Chim.) Care nu se combină cu apa sub nicio formă; care nu se îmbibă de apă, care nu are afinitate pentru apă; hidrofug. 2. S.m. și f. (Med.) Persoană care suferă de hidrofobie. – Din fr. hydrophobe.
Există și substanțe amfipatice – exemplu: oleatul de sodiu. Acesta are un capăt hidrofob și unui hidrofil. Dizolvată în apă, această substanță se va organiza sub formă de particule (micele) cu partea hidrofilă la exterior și partea hidrofobă în interior, ascunsă de moleculele apei.
Există numeroși componenți celulari care se comportă astfel – tind să ascundă părțile nepolare de apă: proteinele, acizii nucleici și lipidele polare.
2.2.1.6. Efectul substanțelor dizolvate asupra proprietăților apei
Odată dizolvate substanțe în apă, acestea vor determina modificarea structurii și proprietăților apei lichide. Dacă se dizolvă NaCl în H2O aceasta va produce o creștere a ordinii interne și va apărea o structură mult mai regulată, mai ales când este într-o concentrație aproximativ egală cu cea prezentă în lichidele organismelor vii.
În cazul prezenței Mg2+ în apă, acest ion divalent va fi înconjurat de nu mai puțin de 6 molecule de apă.
Adăugarea unei substanțe în apă îi determină și schimbarea proprietăților coligative. Comportamentul fizico-chimic al unei soluții este diferit de cel al solventului pur. Principalele consecințe ale prezenței moleculelor de dizolvat în apă sunt: scăderea tensiunii de vapori (presiunea vaporilor saturanți), scăderea punctului de congelare proporțional cu concentrația, constanta de proporționalitate – constanta crioscopică – legea Raoult (scăderea T la dizolvarea unui mol de substanță într-un litru de soluție), creșterea punctului de fierbere – constanta ebulioscopică, apariția unei presiuni osmotice (acestea toate se numesc proprietăți coligative).
2.2.1.7. Ionizarea apei
Ionul de H este puternic atras de ionul de O. Din acest motiv, există posibilitatea ca el să “sară” spre ionul de O al moleculei de apă învecinat și să disocieze molecula din care face parte, legându-se de noua moleculă printr-o legătura de hidrogen.
Din acest “salt” – o reacție chimică de fapt – rezultă doi ioni, ionul hidroniu (H3O+) și ionul hidroxil (HO-). La rândul său, ionul de hidroniu se combină cu alte molecule de apă rezultând ionul H9O4+.
Efectul de tunel – reprezintă migrarea protonilor prin moleculele de apă legate prin legături de hidrogen, foarte rapid.
2.2.1.8. Produsul ionic al apei. pH
Semnificația și măsurarea pH-ului ocupă un loc important în numeroase domenii practice și științifice: în analiza chimică, în controlul și reglarea proceselor tehnologice, în studierea echilibrelor chimice etc.
Pentru experți, valoarea pH-ului reprezintă una dintre cele mai importante valori ce caracterizează calitatea neutră/acidă/bazică a unui fluid.
pH-ul este prescurtarea de la "pondus hydrogenii" – “puterea hidrogenului”. Noțiunea a fost introdusă de către omul de știință danez S.P.L. Sorensen în anul 1909, pentru a exprima concentrații mici de ioni de hidrogen și a fost definită ca logaritmul zecimal cu semn schimbat al concentrației ionilor de hidrogen. pH-ul înseamnă cantitatea de ioni de hidrogen (H+) și hidroxid (OH-) care sunt dizolvați într-o soluție. Cu cât ionii de hidrogen sunt mai mulți, cu atât apa este mai acidă, iar pH-ul este mai mic. O soluție cu concentrație egală de hidroxid și hidrogen este catalogată neutră, iar valoarea pH-ului este 7. O concentrație mai mare de ioni de hidroxid indică o valoare mai mare de 7 a pH-ului și o apă alcalină. O concentrație mai mare de ioni de hidrogen indică un pH mai mic de 7 și o apă acidă. Scala pH-ului este logaritmică, cu alte cuvinte, fiecare pas în jos sau în sus este de 10 ori mai mic sau mai mare decât precedentul. Un pH de 6 este de 10 ori mai acid decât un pH de 7. Un pH de 5 este de 100 de ori mai acid decât unul de 7 și așa mai departe.
Disocierea moleculei de apă este un proces continuu aflat într-un echilibru permanent:
H2OHO- + H+,
a cărui constantă de echilibru poate fi scrisă astfel:
,
unde: [H+] – concentrația molară la echilibru a protonilor; [HO-] – concentrația molară la echilibru a ionilor hidroxil; [H2O] – concentrația molară la echilibru a apei.
Aplicată la apă, această formulă se poate scrie astfel:
55,5M= [H+] [OH−] =Kw
Valoarea lui Kw la 25oC este de 1,0 x 10 -14.
-într-o soluție acidă – concentrația H+ este mare, iar OH- este scăzută.
-într-o soluție bazică raportul se inversează – concentrația OH- este mai mare și cea de H+ este mică.
Kw – produsul ionic al apei, stă la baza scalei pH-ului, mod de apreciere a concentrației reale a ionilor de H+ (implicit și de OH-) în orice soluție apoasă, pe intervalul H+ 1M și OH- 1M.
pH = lg ( 1/ H+) = – lg[H+],
ceea ce înseamnă într-o soluție complet neutră, la 25oC:
[H+] = [OH-] = 1·10-7 M de unde rezultă că pH = 1g[1/(1 x 0.0000001)] = 7,0
În practică, cu cât valoarea pH-ului este mai mare, cu atât concentrația [H+] este mai mică și invers.
2.2.2. Anioni și cationi
Sărurile minerale sunt prezente în toate organismele vii, în diferite proporții. În mediul
celular, care este un mediu apos, aceste săruri se găsesc sub formă ionizată. Cel mai frecvent se întâlnesc ioni de Na+, K+, Ca2+, Mg2+, NO3–, PO43–, SO42–, Cl–, S2O32−, [CH3COO]−, [HCOO]−, −OOC – COO− etc.
Cationul (grec. ἰόν *ión+ = cel mișcător) este un ion în cărcât electric pozitiv. Numele de cation provine de la comportarea lor în timpul unei electrolize: cationii se deplasează la catod (polul negativ). Cationii pot proveni din atomi sau molecule, care au devenit încărcați pozitivi prin cedare de sarcini negative (electroni) sau prin acceptare de protoni de hidrogen (H+).
Anionul (din grecul ἀνά – “ana”), în semnând “sus”, este un atom sau o moleculă cu mai mulți electroni decât protoni, ceea ce îi conferă o încărcare net negativă.
2.3. Biomolecule organice
2.3.1. Proteine
2.3.1.1. Definiție
Proteinele sunt substanțe organice macromoleculare formate din lanțuri simple sau complexe de aminoacizi; ele sunt prezente în celulele tuturor organismelor vii în proporție de peste 50% din greutatea uscată. Toate proteinele sunt polimeri ai aminoacizilor, în care secvența acestora este codificată de către o genă. Fiecare proteină are secvența ei unică de aminoacizi, determinată de secvența nucleotidică a genei.
Biosinteza proteinelor este un proces prin care fiecare celulă își sintetizează proteinele proprii, prin intermediul unui proces care include multe etape, sinteza începînd cu procesul de transcripție și terminînd cu procesul de translație. Procesul deși similar, este diferit în funcție de celulă: eucariotă sau procariotă.
Datorită compoziției, fiind formate exclusiv din aminoacizi se întâlnesc alături de alți compuși importanți de tipul polizaharidelor, lipidelor și acizilor nucleici începând cu structura virusurilor, a organismelor procariote, eucariote și terminînd cu omul. Practic nu se concepe viață fără proteine. Proteinele pot fi enzime care catalizează diferite reacții biochimice în organism, altele pot juca un rol important în menținerea integrității celulare (proteinele din peretele celular), în răspunsul imun și autoimun al organismului.
2.3.1.2. Tipuri de proteine
În funcție de compoziția lor chimică ele pot fi clasificate în:
Holoproteine (proteine simple) cu următoarele clase:
Proteine globulare (sferoproteine) sunt de regulă substanțe solubile în apă sau în soluții saline:protaminele, histonele, prolaminele, gluteinele, globulinele, albuminele.
Proteinele fibrilare (scleroproteinele) caracteristice regnului animal, cu rol de susținere, protecție și rezistență mecanică:colagenul, cheratina și elastina.
Heteroproteinele (proteide) sunt proteine complexe care sunt constituite din o parte proteică și o parte prostetică; în funcție de această grupare se pot clasifica astfel:
Glicoproteine
Lipoproteine
Nucleoproteine
Metaloproteine
Fosfoproteine
Polipeptidele naturale denumite proteine sunt elemente constitutive de bază ale lumii vii. Formarea lor implica participarea regio- și stereoselectivă a moleculelor de ADN.
Funcționalitatea proteinelor în organisme este complexă și variată:
material constitutiv al organismului uman cu rol fundamental sau auxiliar (suport mecanic pentru piele și oase);
rol de transportor – de exemplu hemoglobina din sânge ca purtător de oxigen de la plamâni la nivelul celulelor, și de fier care este transportat și stocat în ficat;
fotoreceptor (rodopsina), participând și la transmiterea impulsurilor nervoase spre celulele reținei;
biocatalizatori (enzime) – ce catalizează procese vitale majore de la simpla hidratare a bioxidului de carbon până la replicarea cromozomilor datorită structurii spiralate a ADN-material genetic important în viața celulelor;
elemente responsabile de apariția imunității și a controlului creșterii în corelare cu individualitatea și specificitatea organismului uman, preluând la un moment dat o parte a informației stocate în ADN.
2.3.1.3. Aminoacizi
a) Generalități
Aminoacizii sunt compuși polifuncționali ce conțin în moleculă grupări amino și grupări carboxilice. O clasificare structurală posibilă vizează poziția relativă a celor două grupe funcționale.
Nomenclatura precizează poziția grupei amino pe catena acidului carboxilic.
Aminoacizii sunt monomeri importanți, care prin condensare conduc la poliamide (polipeptide).
În structura proteinelor intervin aproximativ 20 de α-aminoacizi. Gradul de policondensare este de ordinul miilor, responsabile de biosinteza lor fiind moleculele de ADN și ARN.
În natură există peste 500 aminoacizi, dar în structura proteinelor tuturor speciilor (de la bacterii la organismul uman) sunt incluși 20.
Organismul uman poate sintetiza doar 10 aminoacizi (dintre care 2 în cantitate insuficientă). Restul aminoacizilor naturali (denumiți esențiali) trebuie introduși neapărat în organism prin alimentație.
Din punct de vedere chimic, proteinele sunt heteropolimeri constituiți din 20 de L-α aminoacizi (așa numiții aminoacizi standard, vezi tabelul), în care grupările carboxil se pot combina cu grupările amino formând legături peptidice, formând lanțurile peptidice.
Aminoacizii standard au proprietăți variate, proprietăți care sunt direct responsabile de structura tridimensională a proteinei, dar și de proprietățile acesteia.
Alanină ALA A
Arginină ARG R
Asparagină ASN N
Aspartat ASP D
Cisteină CYS C
Acid glutamic GLU E
Glutamină GLN Q
Glicină GLY G
Histidină HIS H
Izoleucină ILE I
Leucină LEU L
Lisină LYS K
Metionină MET M
Fenilalanină PHE F
Prolină PRO P
Serină SER S
Treonină THR T
Triptofan TRP W
Tirosină TYR Y
Valină VAL V
În lanțul polipeptidic, aminoacizii formează legăturile peptidice prin cuplarea grupei carboxil cu o grupă amino; odată legat în lanțul proteic aminoacidul se "transformă" în aminoacid "rezidual", iat atomii de carbon, azot, hidrogen și oxigen implicați în legături formează "scheletul" proteinei. Atunci când lanțul proteic se tremină cu o grupă carboxil poartă denumirea de carboxi-terminus sau (C-terminal), în timp ce, dacă se termină cu gruparea amino, devine amino-terminus (N-terminal).
Responsabile de proprietățile chimice sunt aceleași grupări carboxil și amino libere, neimplicate în formarea legăturilor peptidice, însă mai intervin și diferiții radicali grefați pe scheletul proteinei.
Datorită grupărilor carboxil și amino libere ele dau aceleași reacții ca și la aminoacizi.
Caracterul amfoter este responsabil de formarea de săruri atât cu bazele cât și cu acizii.
Legătura peptidică este responsabilă de formarea unor combinații complexe denumie chelați.
Prezența diferiților radicali alchilici sau arilici determină formarea unor derivați ai substanțelor proteice (derivații halogenați și nitrici sunt cei mai importanți).
Lanțurile peptidice sunt formate de grupările carboxil și aminice ale aminoacizilor; există de fapt 2 forme pentru fiecare proteină, numite forme de rezonanță:
-una datorată dublei legături care asigură rigiditatea și nu permite rotația în jurul axei sale;
-a doua formă de rezonanță este dată de unghiul diedru φ (planul atomilor C'-N-Cα-C'), ψ (planul atomilor N-Cα-C'-N), ω (planul atomilor Cα-C'-N-Cα)[9], unghiurile φ și ψ pot avea diferite valori fiind responsabile de gradul de libertate a proteinelor, controlând structura tridimensională a lanțului proteic.
b) Structura și caracterul amfoter al aminoacizilor
În molecula aminoacizilor este prezent atât un centru donor de protoni (acid) cât și unul acceptor de protoni (bazic). Din acest motiv aminoacizii monoamino-monocarboxilici pot exista în soluții apoase sub trei forme:
Pentru majoritatea aminoacizilor, punctul izoelectric pI, pI = (pKCOOH + pKNH3)/2, este situat între 5,4 și 6. Excepții de la această regulă fac produșii la care radicalul R include resturi amino (9.7 lisina, 10.8 arginina) și acizii dicarboxilici (acidul aspartic 2.8, acidul glutamic 3.2).
Datorită structurii lor amfionice, soluțiile de aminoacizi sunt soluții tampon, pH-ul lor ramâne constant la adaosul unor mici cantități de acizi sau baze, acestea fiind neutralizate de aminoacid.
c) Metode de sinteză a aminoacizilor
Principala sursă de α-aminoacizi sunt proteinele.
Metoda Gabriel de grefare a resturilor aminice prin substituția nucleofilă a halogenilor se regăsește în variantele (2) și (4) de sinteză.
Obținerea aminoacizilor aromatici prin metoda Strecker, prin tratarea aldehidelor cu acid cianhidric și amoniac poate fi concepută fie conform variantei (5), fie cu formarea intermediară a unei cianhidrine urmată de aminarea acesteia la aminoacid. Sinteza aminoacizilor aromatici prin reducerea nitroacizilor corespunzători este o metodă cu aplicații generale. Proveniența nitroacidului poate fi fie nitrarea directă (8), fie oxidarea energică a unui alchil-nitroderivat aromatic. Astfel prin oxidarea p-nitrotoluenului se obține acid p-nitrobenzoic, care prin reducere conduce la acid p-aminobenzoic (vitamina H).
d) Proprietăți fizice ale aminoacizilor
Aminoacizii naturali sunt substanțe solide, cristalizate, solubile în apă.
e) Proprietăți chimice ale aminoacizilor
În esență, proprietațile chimice alec aminoacizilor se pot împarți în trei categorii respectiv în reacții datorate prezenței (coexistenței) celor doua funcțiuni, amino și carboxil, în molecula și reacții datorate fiecărei funcțiuni în parte (reacții specifice aminelor respectiv acizilor carboxilici).
Reacții datorate coexistenței grupelor NH2 și COOH:
Reacții specifice grupei amino:
Reacții specifice grupei carboxil:
Alte reacții chimice ale aminoacizilor:
Reacții biochimice ale aminoacizilor:
– transaminarea ( în prezența transaminazei și cotransaminazei):
-dezaminarea:
-decarboxilarea (Bacterium coli, aminoacid-decarboxilază, codecarboxilază):
-dezaminare și decarboxilare:
2.3.1.4. Structura proteinelor
Structura substanțelor proteice este în că insuficient cunoscută datorită dinamicității structurii proteinelor, deoarece ele sunt în permanență supuse unor procese de sinteză și de degradare. Pentru evidențierea succesiunii aminoacizilor în structura proteinelor se folosesc 2 metode:
Degradarea Edman
Prin degradarea Edman se poate identifica o secvență de până la 30 aminoacizi, cu o eficiență de 98%/aminoacid. Un alt avantaj ar fi cantitatea de numai 10-100 picomoli de peptidă necesari pentru determinare.
Degradarea Edman folosește ca reactiv izotiocianatul de fenil care evidențiază selectiv aminoacidul. Grupa amino terminală se adiționează la izotiocianat trecând printr-un derivat de tiouree. După ce se tratează cu un acid slab, aminoacidul marcât sub formă de feniltiohidantoină se detașează de restul polipeptidei. Aceasta, cu noul său aminoacid terminal poate fi supusă la alt ciclu de tratări, pentru identificarea următoarei grupe amino.
Degradarea Sanger
Degradarea Sanger are la bază tratarea polipetidei cu fluoro-2,4-dinitrobenzen, având loc atacul reactivului asupra grupării amino a aminoacidului N-terminal. Metoda Sanger are dezavantajul degradării complete a polipeptidei.
S-a ajuns la concluzia că există 4 niveluri (structuri), care alcătuiesc edificiul proteic.
A. Structura primară
Structura primară este dată de aminoacizii care intră în lanțul proteic prin formarea legăturilor pepetidice.
În structura primară se observă lanțul de aminoacizi.
În proteinele naturale legătura peptidică se stabilește între gruparea carboxilică de la C1 și gruparea aminică de la C2, încât lanțul peptidic va fi format dintr-o succesiune de unități CO-NH-CH, legate cap-cap.
La unul din capetele lanțului peptidic se găsește o grupare -NH2 liberă, iar la celălalt capăt se află o grupare -COOH liberă.
Legătura peptidică -CO-NH- se găsește în același plan, iar carbonul -CH- se poate roti, putând să apară în planuri diferite. Datorită lungimii relativ mici a catenelor laterale, ele se pot aranja de o parte și de alta a lanțului proteic, astfel că lanțul proteic nu este ramificat.
Datorită deplasării alternative a unui electron de la gruparea -NH la C=O se produce oscilarea dublei legături de la atomul de carbon și oxigen la atomul de azot, formându-se astfel cele 2 forme mezomere.
Datorită numărului relativ mic de aminoacizi care intră în structura proteinelor, teoretic ar trebui să se formeze proteine cu masa moleculară în jur de 4200. însă în realitate masele moleculare ale proteinelor au valori de peste 10.000, ceea ce a dus la concluzia că cel puțin o parte dintre aminoacizi se repetă de mai multe ori în cadrul unei molecule.
B. Structura secundară
Structura secundară se referă la forma și la lungimea lanțurilor polipeptidice, proprietăți induse de legăturile de hidrogen. Cele mai întâlnite tipuri de structură secundară sunt α-helixul și lanțurile β.
Elicea α se formează prin rotația unui lanț polipeptidic în jurul propriei axe.
Mioglobina
Structura terțiară
Prin intermediul cristalografiei cu raze X s-a dovedit faptul că macromoleculele proteice au o conformație tridrimensională , realizată de obicei prin intermediul cuplării mai multor lanțuri polipeptidice scurte între ele, cuplare care duce la formarea fibrelor proteice; legăturile intercatenare pot fi principale sau secundare:
Legături de hidrogen, sunt legături coordinativ heteropolare care se stabilesc cu ușurință între gruparea carbonil C=O (electronegativă) și gruparea NH- (electropozitivă), din 2 lanțuri polipeptidice alăturate sau, în cazul formelor lactam-lactimă, între gruparea -OH și azotul iminic =NH. Legăturile de hidrogen au lungimea între 2,7-3,1A și energia de 3-7 Kcal/mol la peptide, iar la apă 2-3 Kcal/mol. Legăturile de hidrogen se pot stabili și între catenele laterale care au grupări carboxil, hidroxil, amino sau tiolice. Din punct de vedere energetic legătura de hidrogen nu este puternică, dar datorită răspîndirii relativ uniforme de-a lungul scheletului proteic oferă proteinei stabilitatea necesară.
Legături disulfidice. Legătura disulfidică este foarte puternică, 50-100 kcal/mol și are un rol foarte important în stabilizarea arhitecturii spațiale a moleculei proteice; legătura este rezistentă la hidroliză, însă se poate desface; prin reducere formează tioli (SH), iar prin oxidare formează acizi. În general, legătura sulfidică se întâlnește la proteinele transformate, care au o rezistență mecanică mare.
În afară de aceste legături, se mai pot stabili: legături ionice (stabilite de obicei între grupările aminice și cele carboxilice ionizate), legături de tip van der Waals (legături electrostatice slabe care se stabilesc între radicalii hidrofobi), legături fosfodiesterice (între 2 resturi de serină și acid fosforic), legături eterice (stabilite la nivelul aminoacizilor cu grupări hidroxilice).
Structura cuaternară
Structura cuaternară se referă la modul cum se unesc subunitățile proteice. Enzimele care catalizează asamblarea acestor subunități poartă denumirea de holoenzime, în care o parte poartă denumirea de subunități reglatoare și subunități catalitice.
Printre proteinele care au structura cuaternară se numără hemoglobina, ADN polimeraza și canalele ionice, dar și nucleozomi și nanotubuli, care sunt complexe mulțiproteice. Fragmentele proteice pot suferi transformări în structura cuaternară, transformări care se reflectă fie în structurile individuale, fie în reorientările fiecărei subunități proteice. Numărul subunităților din oligomeri sunt denumite prin adăugarea sufix-ului -mer (grecescul pentru subunitate), precedat de numele subunității.
2.3.1.5. Masa moleculară a proteinelor
Datorită formării aproape în exclusivitate din aminoacizi, putem considera proteinele ca fiind de fapt niște polipeptide, cu masă moleculară foarte mare: între 10.000 și 60.000.000. Masa moleculară se determină prin diferite metode, mai ales în cazul proteinelor cu masa moleculară foarte mare, ca de exemplu proteina C reactivă.
Masa moleculară a diferitelor proteine
Deoarece la multe proteine masa moleculară apare ca un mulțiplu de 17.500, multă vreme s-a mers pe ipoteza că particulele proteice sunt formate prin unirea mai multor molecule de bază ce au masa moleculară în jurul valorii de 17.500. Aceste molecule de bază s-ar putea uni între ele prin așa numitele valențe reziduale, ducând la formarea de agregate moleculare. Atunci când are loc ruperea acestor valențe reziduale, ar avea loc doar modificarea proprietaților fizice ale proteinelor, în timp ce, dacă are loc ruperea legăturilor principale (legăturile peptidice), proteina își modifică proprietățile fizico-chimice.
2.3.1.6. Proprietățile fizice ale proteinelor
Proteinele sunt substanțe solide, macromoleculare, solubile în general în apă și insolubile în solvenți organici nepolari. Unele proteine sunt solubile în apă, dar insolubile în alcool, altele sunt solubile în soluții apoase de electroliți, acizi organici. Datorită gradului diferit de solubilitate în diferiți solvenți, proteinele se pot izola, identifica și separa.
Solubilitatea lor depinde foarte mult de legăturile care se stabilesc între grupările libere de la suprafața macromoleculelor și moleculele solventului. La suprafața macromoleculelor proteice se găsesc grupări libere de tip polar (-COOH, -NH2, -OH, -SH, -NH), grupări cu caracter hidrofil care favorizează dizolvarea proteinelor în apă. De asemenea, există grupări de tip apolar, hidrofobe, de regulă radicali de hidrocarburi (-CH3, -C6H5, -C2H5) care favorizează dizolvarea proteinelor în alcool. Însă în marea lor majoritate predomină grupările polare, determinante pentru caracterul hidrofil. În contact cu apa, proteinele greu solubile manifestă fenomenul de gonflare, datorită tendinței de hidratare datorată grupărilor polare. Gelatina, de exemplu, se îmbibă foarte puternic cu apa dând naștere prin răcire la geluri.
La dizolvarea proteinelor în apă, are loc fenomenul de formare a coloizilor hidrofili. S-a constatat că în soluții diluate se găsesc macromolecule proteice izolate, iar în cazul soluțiilor concentrate se formează agregate de macromolecule proteice. Soluțiile coloidale ale proteinelor coagulează prin în călzire, prezintă efectul Tyndall (dispersia fasciculului de lumină).
2.3.1.7. Proprietăți chimice ale proteinelor
2.3.1.7.1. Caracterul amfoter
Proteinele, la fel ca și aminoacizii, sunt substanțe amfotere și formează în soluții apoase amfioni:
în prezența H2O:
în mediu acid proteinele se comportă ca baze slabe, ele primind protoni și formând cationi proteici:
Reacția stă la baza electroforezei proteinelor: datorită încărcării pozitive cationii migrează spre catod, fenomen numit cataforeză, proteina fiind în acest caz electropozitivă.
în mediu bazic proteinele se comportă ca acizii slabi, ele cedând protoni; se formează astfel anioni proteici, care migrează spre anod fenomenul fiind denumit anaforeză și proteina având încărcare electronegativă.
Datorită caracterului amfoter, proteinele pot neutraliza cantități mici de substanță acidă sau bazică, având în acest fel rol de soluție tampon, prin acest lucru contribuind la menținerea echilibrului acido-bazic al organismului. În general, caracterul amfoter este imprimat de grupările -NH2 și -COOH libere, care nu sunt implicate în legăturile peptidice. Dacă în molecula proteinei există mai mulți aminoacizi dicarboxilici, atunci molecula se va comporta ca un acid slab, iar în cele în care predomină aminoacizii diaminați se comportă ca baze slabe.
Chiar dacă într-o moleculă există un număr egal de grupări amino și carboxil, deci teoretic molecula ar trebui să fie neutră, în realitate -datorită gradului de ionizare mult mai mare a grupării carboxil față de gruparea amino- molecula proteinei va avea un caracter slab acid, în soluția ei întâlnindu-se amfiioni proteici, anioni proteici și protoni (H+).
Punct izoelectric
Prin acidulare, echilibrul reacției se deplasează spre formarea de cationi proteici. La o anumită concentrație a H+, proteina devine neutră deoarece gruparea aminică și cea carboxilică sunt la fel de disociate. În acel moment se vor găsi în soluție amfiioni, H+, ioni hidroxil (HO-); pH-ul la care soluția unei proteine conține anioni și cationi în proporție egală poartă denumirea de punct izoelectric, se notează cu pHi, fiind o constantă foarte importantă a proteinelor și nu numai. Fiecare proteină la punctul izoelectric are un comportament specific, având o solubilitate și reactivitate chimică minimă; de asemenea, hidratarea particulelor coloidale , vâscozitatea și presiunea osmotică sunt minime. Precipitarea proteinei, în schimb, la punctul izoelectric este maximă, dar nu se deplasează sub influența curentului electric. De obicei, valorile punctului izoelectric variază între 2,9 și 12,5 și se determină prin diferite metode: potențiometrice, electroforetice.
2.3.1.7.2. Precipitarea proteinelor
Sub acțiunea diferiților factori fizici (ultrasunete, radiații cu diferite lungimi de undă, căldură), factori chimici (acizi, baze, diferiți solvenți organici) sau mecanici (agitare), are loc fenomenul de precipitare a proteinelor, precipitarea care poate fi reversibilă sau ireversibilă.
Precipitare reversibilă
Precipitarea reversibilă se poate produce sub acțiunea soluțiilor concentrate ale sărurilor alcaline, dar și în prezența unor dizolvanți organici miscibili cu apa în orice proporție, cum sunt de exemplu acetona și alcoolul. În cadrul acestei precipitări, molecula proteinei suferă unele modificări fizico-chimice, dar nu are loc afectarea structurii moleculare.
Dacă anionul rămâne același, puterea de precipitare a cationilor scade în următoarea ordine: Li+>Na+>NH4+. Când cationul ramâne același, anionii se comportă astfel: SO42->PO43->CH3COO->citrat->tartrat->Cl->NO3->ClO3->Br->I->SCN-. Solvenții de tipul alcoolului sau acetonei, în funcție de concentrația lor, pot forma precipitate reversibile sau ireversibile. Sărurile alcaline au un comportament diferit față de proteine, în soluții diluate mărind solubilitatea proteinelor, iar în soluții concentrate determinând precipitarea lor reversibilă. De altfel, soluțiile sărurilor alcaline de diferite concentrații se folosesc pentru precipitarea fracționată a proteinelor din amestecuri.
Precipitare ireversibilă
În cursul acestei precipitări, molecula proteinei suferă modificări fizico-chimice ireversibile având loc și modificarea structurii moleculare. De regulă, se produce la adăugarea de soluții ale metalelor grele (Cu,Pb, Hg, Fe), a acizilor minerali tari (HNO3, H2SO4), acidul tricloracetic, a soluțiilor concentrate de alcool sau acetonă sau, în cazul anumitor proteine, în prezența căldurii. Prin precipitare ireversibilă, după cum arată și numele, proteinele își pierd activitatea lor biologică (enzimatică, hormonală etc.), are loc o descreștere a solubilității, modificarea activității optice, de asemenea sunt mai ușor de degradat sub acțiunea unor enzime proteolitice. Prin îndepărtarea factorilor care au dus la precipitare, proteinele nu revin la forma lor inițială și nu își pot reface structura moleculară. Proteinele precipitate își pierd din proprietățile hidrofile "obținând" proprietăți hidrofobe.
2.3.1.7.3. Separarea și purificarea proteinelor
Separarea proteinelor în soluții
Diferitele proprietăți caracteristice proteinelor globulare în soluții pot fi utilizate pentru separarea amestecurilor de proteine, în funcție de următorii factori:
1. masa moleculară
2. solubilitatea
3. încarcarea electrică
4. caracteristicile de adsorbție
5. afinitatea pentru alte molecule
A. Procedee de separare bazate pe masa moleculară
Dializa și ultrafiltrarea
Filtrarea prin dializă – se utilizează o membrană semipermeabilă, care reține moleculele de proteină și lasă să treacă moleculele mici dizolvate sau moleculele de apă.
Ultrafiltrarea – prezintă același principiu ca la dializă, dar se adaugă presiunea centrifugă.
Membrana semipermeabilă este confecționată din celofan sau alte tipuri de materiale sintetice.
Centrifugarea în gradient de densitate
Este un peocedeu utilizat nu numai pentru separarea proteinelor, ci și a altor tipuri de macromolecule, organite celulare sau virusuri.
Mod de realizare:
se prepara un gradient continuu de densitate pentru o soluție de zaharoză (la gura eprubetei zaharoză 20%, la fundul eprubetei zaharoză 60%);
amestecul de macromolecule este depus deasupra soluției de zaharoză;
centrifugare la viteză mare de rotație;
localizarea benzilor proteice, optic sau prin înghețarea tubului și tăierea unor felii subțiri.
Cromatografia de excludere moleculară
Metoda mai este cunoscută ca gel-filtrare sau cromatografie de “cernere” moleculară.
Amestecul de proteine este lăsat să treacă, datorită forței gravitaționale, printr-o coloana încărcată cu material polimeric inert, puternic hidratat. Proteinele mici vor fi întârziate în coloană, iar cele mari trec rapid prin ea deoarece nu pot intra în particulele de polimer hidratate.
Procedee de separare bazate pe diferența de solubilitate
Proteinele din soluții prezintă modificări în funcție de:
pH
tărie ionica
proprietăți dielectrice ale solventului
temperatură
Precipitarea izoelectrică
Solubilitatea proteinelor globulare este influentata de pH-ul sistemului. pH-ul la care o proteina este cel mai puțin solubilă este pH-ul izoelectric, adică pH-ul la care molecula nu are încărcare electrică și nu se deplasează într-un câmp electric.
Când pH-ul unui amestec de proteine este adus la pH-ul izoelectric al uneia dintre componente, cea mai mare parte/toată această componentă va precipita, lasând în soluție proteinele cu pH izoelectric deasupra/sub acel pH.
Salifierea proteinelor
În concentrații mici, sărurile cresc solubilitatea proteinelor globulare, fenomen numit “salting-in”. Dar, pe masură ce “tăria ionică” a sărurilor crește, proteinele precipită, fenomen numit “salting-out”.
Fractionarea cu solvenți
Adăugarea unor solvenți organici neutri, miscibili cu apa, în special etanolul și acetona, scade solubilitatea în apă a celor mai multe proteine globulare, așa încât acestea precipita în soluție. Amestecurile de proteine pot fi separate pe baza diferențelor cantitative ale solubilității lor în amestecuri reci de etanol-apă sau acetonă-apă.
Procedee de separare bazate pe încărcarea electrică
Separarea proteinelor pe baza încărcării lor electrice depinde, în cele din urmă, de proprietățile lor acido-bazice, care sunt dependente de numărul și tipul grupelor R ionizabile din lanțurile polipeptidice. Proprietățile acido-bazice reiese din componența diferită în aminoacizi a proteinelor. Această metodă este utilizată în electroforeza proteinelor și cromatografia de schimb ionic.
Metode electroforetice
Tipuri de electroforeza
Electroforeza în fază liberă
Această metodă utilizează următorul principiu: mobilitatea μ a unei molecule de proteină într-un câmp electric, exprimată în cm2/volt x secundă, este dată de raportul dintre viteza de migrare, v (cm/sec) și mărimea câmpului electric, E (volți/cm): μ = v/E. Proteinele migrează într-un câmp electric mult mai încet decât Na+ și Cl-, deoarece ele au un raport sarcină/masă mult mai mic. În soluția cu pH la care majoritatea proteinelor au aceeași încărcare, dar mobilitate diferită, se trece curentul electric; astfel, pe masură ce moleculele proteice încărcate negativ se deplasează spre anod, ele migrează în soluția tampon formând un front sau o limită de saparare, modificând indicele de refracție al soluției tampon.
Electroforeza de zona
Metoda este mai simplă; are o rezoluție mai bună și necesită probe mai mici; în această metodă soluția apoasă proteică este imobilizată pe o matrice sau un suport solid (hârtie de filtru sau benzi de acetat de celuloză); procesul de electroforeză este lăsat să continue până când majoritatea componentelor proteice se separă în zone distincte; poziția și cantitatea proteinelor în zonele separate sunt apreciate aplicând un colorant pentru proteine; intensitatea culorii este direct proporțională cu cantitatea de proteină și poate fi stabilită cu ajutorul unui densitometru.
Există și varianta în care suportul solid are proprietatea să întârzie migrarea proteinelor, funcție de masa lor moleculară.
Disc electroforeza: amestecul de proteine este supus unui câmp electric într-un suport de gel, care le întârzie diferențiat migrarea.
Focusarea izoelectrică/electrofocusarea: amestecul de proteine este supus unui câmp electric, într-un suport de gel în care, în prealabil, a fost generat un gradient de pH. Fiecare proteină migrează spre și este “focusată” în acea porțiune a gradientului de pH în care pH-ul este egal cu pH-ul său izoelectric, formând o bandă staționară.
Cromatografia de schimb ionic
Utilizează caracterul acido-bazic al proteinelor.
Separarea proteinelor prin adsorbție selectivă
Proteinele pot fi adsorbite luate selectiv de pe coloane cu materiale relativ inerte, foarte fin divizate, cu o suprafață totală foarte mare comparativ cu mărimea particulelor. Adsorbantul cel mai des utilizat este hidroxiapatita, mineral găsit și în oase.
Separări bazate pe specificitatea de ligand: cromatografia de afinitate
Această metodă se bazează pe o proprietate a unor proteine de legare specifică, necovalentă, a unei alte molecule numite “ligand”.
Cromatografia de afinitate este folosită nu numai pentru izolarea enzimelor, ci și a moleculelor de receptori din membranele celulare care leagă specific hormonii.
2.3.1.7.4. Purificarea proteinelor
Purificarea proteinelor implică:
posibilitatea aplicării unei metode specifice de determinare;
metoda de eliberare a proteinei din celulă;
extragerea proteinei din organitele celulare dacă este necesar;
utilizarea unei secvențe de diferite procedee de fracționare, până la atingerea unei activități specifice maxime și constante a proteinei și până la obținerea omogenității, care se stabilește prin criterii fizico-chimice ca electroforeza în gel sau focusarea izoelectrică.
2.3.2. Enzime
2.3.2.1. Definiție
Reacțiile chimice din organismele vii au loc datorită acțiunii catalizatorilor biologici numiți enzime. Acestea reprezintă instrumentul prin intermediul căruia se realizează totalitatea transformărilor chimice din organismul viu, transformări ce alcătuiesc metabolismul substanțelor și energiei. Substanța asupra căreia acționează enzima se numește substrat, iar compusul chimic rezultat în urma acțiunii enzimei se numește produs de reacție. Toate enzimele fără nicio excepție sunt proteine.
2.3.2.2. Clasificare și rol în organism
În funcție de structura lor chimică, ele pot fi enzime monocomponente și enzime bicomponente.
Enzimele monocomponente sunt proteine simple (holoproteine) cu moleculele alcătuite numai din radicali de aminoacizi legați între ei prin legături peptidice.
Enzimele bicomponente fac parte din clasa proteinelor complexe (heteroproteine) și au molecula alcătuită dintr-o componentă proteinică numită apoenzimă și o grupare de natură neproteică numită cofactor enzimatic.
Cofactorii legați puternic cu apoenzimele lor se numesc grupări prostetice, iar cei ușor disociabili se numesc coenzime.
Acțiunea catalitică a enzimelor este condiționată de existența în moleculele lor a unor regiuni distincte, denumite situsuri (centre) active sau catalitice. Aminoacizii participanți la formarea centrului activ sunt grupați într-o geometrie spațială, la nivelul căreia se află grupele funcționale implicate în legarea directă a substratului și în transformarea catalitică a acestuia. Situsurile active ale enzimelor bicomponente cuprind, pe langă aminoacizii respectivi, de asemenea coenzima sau gruparea prostetică, ce interacționează cu substratul și facilitează desfășurarea reacției enzimatice.
O altă clasificare a enzimelor se poate face în funcție de natura reacției catalizate. După acest criteriu enzimele se grupează în 6 clase:
1. oxidoreductaze
2. transferaze
3. hidrolaze
4. liaze
5. izomeraze
6. ligaze (sintetaze).
Fiecare clasă se subdivide în subclase și subsubclase.
În acest sistem (elaborat de Comisia de Enzimologie a Uniunii Internaționale de Biochimie) o enzimă este definită printr-o denumire și un cod de patru cifre.
Prima cifră indică clasa la care aparține enzima, a doua cifră subclasa și precizează natura grupelor chimice sau a legăturilor chimice din molecula substratului, a treia cifră natura chimică a substratului, a acceptorului etc., iar a patra cifră indică numărul de ordine al enzimei în cadrul subsubclasei date. De regulă, înaintea codului enzimei se înscriu literele EC (Enzyme Commission).
2.3.2.3. Coenzime
În funcție de natura lor chimică se împart în patru clase:
– coenzime cu structură alifatică
– coenzime cu structură alifatică
– coenzime cu structură heterociclică
– coenzime cu structură nucleozidică
A. Coenzime cu structură alifatică
Din această grupă fac parte acidul lipoic, glutationul și acidul ascorbic (vitamina C).
A1. Acidul lipoic
Poate exista sub o formă aciclică și una ciclică:
forma oxidată forma redusă
Datorită capacității sale de a trece ușor și reversibil din forma disulfidică (oxidată) în forma ditiolică (redusă), acidul lipoic este implicat în diferite procese metabolice legate de oxidarea biologică:
– dehidrogenarea α-cetoacizilor;
– biosinteza și degradarea glicocolului;
– biosinteza prostaglandinelor.
A2. Glutationul este o tripeptidă:
Rolul coenzimatic al glutationului este asigurat prin prezența grupării –SH în moleculă, care se poate oxida reversibil:
Glutationul redus (G-SH) poate fi oxidat enzimatic sub acțiunea glutation-dehidrogenazei în prezența acidului ascorbic. Datorită acestei proprietăți, glutationul este coenzimă pentru o serie de dehidrogenaze importante.
A3. Acidul ascorbic
Din grupa coenzimelor de natură alifatică face parte și acidul L-ascorbic, deși mecanismul de acțiune prin care acesta este implicat în diferite procese metabolice nu justifică pe deplin apartenența vitaminei C la clasa coenzimelor.
acid L-ascorbic radical ascorbic liber acid dehidroascorbic
B. Coenzime cu structură aromatică
Din această categorie fac parte ubichinonele, compuși naturali ce conțin în molecula lor un inel derivat de la hidrochinonă și mai multe unități izoprenice:
Ubichinone (coenzime)
Ubichinonele sau coenzimele Q apar în țesuturile animalelor și plantelor superioare, în special în mitocondrii, unde sunt componente ale catenei respiratorii.
C. Coenzime de natură heterociclică
a) coenzime derivate de la tiamină
Tiamina (aneurina sau vitamina B1) este un factor nutritiv foarte important. Forma în care vitamina B1 îndeplinește funcție coenzimatică este tiamin-pirofosfatul. Această coenzimă este implicată în reacțiile de decarboxilare a α-cetoacizilor, reacțiile de dismutare a acidului piruvic și reacțiile de decarboxilare oxidativă:
b) coenzime derivate de la biotină
Biotina (vitamina H) se prezintă sub 3 forme din care doar β-biotina joacă rol coenzimatic:
Rolul coenzimatic al biotinei este jucat în reacțiile enzimatice în care se realizează o activare urmată de un transfer de CO2, adică reacțiile de decarboxilare și carboxilare. în aceste reacții se formează în totdeauna un intermediar carboxilat al coenzimei. O astfel de reacție enzimatică în care este implicată biotina este reacția de carboxilare a acidului piruvic cu formare de acid oxalil-acetic.
c) coenzime derivate de la piridoxină
Numeroase reacții enzimatice sunt catalizate de enzime ce conțin în calitate de cofactor piridoxal-fosfatul, un derivat al formei aldehidice a vitaminei B6:
Această coenzimă este implicată într-o serie de reacții extrem de importante ale metabolismului aminoacizilor cum ar fi transaminarea, decarboxilarea și racemizarea acestora.
coenzime derivate de la acidul folic
Acidul folic a fost extras prima dată din frunzele de spanac după care a fost descoperit în ficat și alte organe și țesuturi. Acidul folic (vitamina M) conține în moleculă un rest de pteridină, un rest de acid p-aminobenzoic și unul de acid glutamic:
În stare liberă, acidul folic se întâlnește foarte rar, fiind de obicei prezent sub forma unor derivați, care îndeplinesc același rol biochimic. Cel mai adesea se întâlnește sub formă parțial redusă care este acidul tetrahidro-folic sau acid folinic FH4, care îndeplinește rol de transfer a unor grupări C1 (metil, formil, hidroximetil etc.).
Coenzime cu structură nucleozidică și nucleotidică
Există mai multe coenzime de natură nucleozidică și nucleotidică, cele mai importante fiind următoarele:
a) adenozintrifosfatul – este principalul compus macroergic al organismelor vii și, în același timp, principalul transportor de grupări fosfat.
Legăturile dintre radicalii fosfat ai moleculei de ATP au o energie liberă cu mult mai mare decât în cazul altor esteri fosforici din care cauză ele se numesc legături macroergice.
b) coenzima A – este un agent de activare și transport a radicalului acetil și în general a radicalilor acil.
Din punct de vedere structural, coenzima A este formată dintr-un rest de acid adenilic, un rest de ribozo-3-fosfat, un rest de pirofosfat, unul de acid pantotenic și unul de tioetanolamină:
Gruparea funcțională –SH reprezintă partea activă a moleculei din care cauză notarea prescurtată este CoA-SH. Atomul de sulf al grupei –SH poate forma legături macroergice cu
radicalii acil. Din această cauză, CoA-SH este implicată în reacțiile în care se realizează transfer de radicali acil.
c) coenzime piridin-nucleotidice
Majoritatea organismelor animale precum și numeroase microorganisme necesită un aport zilnic de acid nicotinic sau nicotinamidă (viamina PP).
În afară de rolul vitaminic jucat de acidul nicotinic și amida sa, acesta intră în structura a două coenzime importante: nicotinamidadenindinucleotid (NAD+) și nicotinamidadenindinucleotidfosfat (NADP+).
NAD+ și NADP+ sunt coenzime ale unor oxidoreductaze, deoarece au capacitatea de da
reacții redox reversibile:
d) coenzime flavinice (flavinmononucleotid (FMN) și flavinadenindinucleotid (FAD)):
Și coenzimele flavinice sunt cofactori ai unor oxidoreductaze. Acestea au capacitatea de a da reacții redox reversibile la nivelul nucleului izoaloxazinic:
2.3.2.4. Proprietățile enzimelor
Datorită naturii lor proteice, enzimele posedă toate proprietățile fizico-chimice specifice acestor macromolecule (solubilitate, proprietăți osmotice, sarcină electrică netă, denaturare termică, reacții chimice etc.).
Enzimele sunt catalizatori și respectă legile catalizei: catalizează reacții posibile din punct de vedere termodinamic, scad energia liberă a sistemului accelerând reacția, sunt necesari în cantități mult mai mici comparativ cu substratul, se regăsesc nemodificați din punct de vedere cantitativ și calitativ la sfarșitul reacției.
Cataliza enzimatică prezintă o serie de particularități care o deosebesc net de cataliza chimică:
viteză de reacție mult mai mare decât în cazul reacțiilor chimice;
acționează în condiții blânde de reacție care sunt condițiile fiziologic normale de pH;
temperatură, presiune osmotică etc.;
cea mai importantă particularitate este înalta specificitate de acțiune, concretizată în capacitatea enzimelor de a cataliza transformarea unui grup de substrate înrudite structural.
2.3.2.5. Cinetica reacțiilor enzimatice
Studiază dependența vitezei reacțiilor enzimatice de natura chimică a enzimei și substratului, de pH-ul și temperatura mediului de incubare, de concentrația substratului etc.
Influența concentrației enzimei asupra vitezei de reacție
Viteza reacției enzimatice depinde de concentrația enzimei. Dacă concentrația substratului este constantă, se observă o proporționalitate directă între viteza de reacție inițială (când numai o cantitate foarte mică de S se transformă în P) și concentrațiile crescânde ale enzimei. Această dependență liniară este caracteristică pentru majoritatea enzimelor.
Influența pH-ului mediului
Acțiunea tuturor enzimelor depinde de pH-ul mediului în care au loc reacțiile enzimatice. Fiecare enzimă manifestă o activitate maximă într-un domeniu determinat al concentrației ionilor de hidrogen, care se numește pH optim de acțiune. Valoarea sa variază cu natura și originea enzimei, natura chimică a substratului, sistemul tampon etc. Pentru majoritatea enzimelor pH-ul optim se situează în domeniul neutru sau slab acid.
Influența pH-ului asupra vitezei reacțiilor enzimatice
Influența temperaturii
Viteza reacțiilor enzimatice crește cu ridicarea temperaturii pe un interval mic de temperatură.
Dependența vitezei reacțiilor enzimatice de temperatura mediului
Valoarea maximă a vitezei de reacție corespunde la temperatura optimă de acțiune a enzimei. Dacă temperatura se mărește în continuare are loc o diminuare rapidă a vitezei de reacție prin denaturarea termică a enzimei. În general, majoritatea enzimelor de origine animală prezintă o eficiență catalitică maximă între 35 și 40oC, iar enzimele vegetale în domeniul de temperatură 45 și 60oC. La temperaturi mai mari de 70oC, majoritatea enzimelor se inactivează. Funcția catalitică a enzimelor este anulată reversibil la temperaturi sub 0oC.
Influența concentrației substratului
Pentru majoritatea enzimelor, la concentrații mici de substrat, viteza de reacție este direct proporțională cu concentrația substratului. Pentru a găsi o dependență matematică între acești doi parametri, Michaelis, Menten și Haldane au luat în considerare reacția enzimatică cea mai simplă, adică cea cu un singur substrat și cu un singur complex enzimă-substrat.
Conform teoriei acestor autori, viteza de reacție enzimatică este de fapt viteza cu care complexul ES se descompune pentru a forma produsul de reacție. Totodată autorii iau în considerare și conceptul de stare staționară conform căruia în sistem se instalează un echilibru atunci când viteza de formare (Vf) a complexului ES devine egală cu viteza de descompunere (Vd) a acestuia:
Vf = k1[E] . [S] = k1([Et] – [ES]) . [S]
unde Et reprezintă cantitatea totală de enzimă, iar diferența reprezintă enzima liberă.
Vd = k2 [ES] + k3[ES] = (k2+ k3) [ES]
La echilibru: Vf = Vd
Rezultă: k1([Et] – [ES]) . [S] = (k2+ k3) [ES]
Sau:
Constanta KM poartă numele de constanta Michaelis și are o semnificație concretă, identificându-se cu acea concentrație a substratului la care v=1/2 Vmax. Din relația de mai sus KM este egală cu concentrația molară a substratului la care jumătate din enzimă se găsește legată cu substratul, iar cealaltă jumătate se află în stare liberă. Constanta KM se poate determina experimental prin trasarea curbei de viteză funcție de concentrația substratului. Pentru construirea graficului se determină viteza de reacție la diferite valori ale concentrației substratului. Pentru evaluarea mai precisă a KM și Vmax ecuația M. M. se prelucrează în următoarea ecuație liniară, numită ecuația Lineweaver-Burck:
Reprezentarea liniară a ecuației Lineweaver-Burck
Graficul dependenței între 1/v și 1/[S] reprezintă o linie dreaptă a carei pantă este egală cu KM/Vmax și care intersectează ordonata în punctul 1/Vmax; din acest grafic se pot afla ușor Vmax și KM.
Parametrul KM al unei enzime depinde de substrat și condițiile de reacție, valorile sale variind pentru diferite enzime în limite foarte largi. O constantă KM mare indică o afinitate mică a enzimei pentru substrat. Enzima cu KM mică va manifesta în organismul viu o activitate mare, posibil chiar maximă.
Influența efectorilor asupra activității enzimelor
Se numesc efectori (modulatori) substanțele chimice care modifică viteza unor reacții enzimatice când sunt adăugate în mediul de incubare. În funcție de modul cum acționează efectorii, pot fi activatori sau inhibitori.
Activatorii influențează pozitiv activitatea enzimelor pe care o intensifică sau stimulează.
Între activatorii enzimatici se numără numeroși ioni metalici (Na+, K+, Mg2+, Ca2+, Zn2+, Mn2+, Co2+ etc.), unii anioni (Cl– etc.), diferiți compuși organici cum ar fi unii tioli (cisteina, glutationul etc.).
Inhibitorii sunt modulatori care diminuează sau anulează activitatea enzimelor. În funcție de modul de acțiune al inhibitorilor asupra enzimelor, inhibiția poate fi:
– inhibiție reversibilă;
– inhibiție ireversibilă.
Ultima conduce la pierderea definitivă a activității enzimei, datorită denaturării ei prin legarea covalentă a inhibitorului cu un aminoacid esențial pentru funcția catalitică. La rândul ei, inhibiția reversibilă este de 2 tipuri, în funcție de mecanismul de acțiune al inhibitorului, competitivă și necompetitivă.
Inhibitorii competitivi interacționează cu centrul activ al enzimei. Ei prezintă o analogie structurală cu substratul și în consecință concurează cu acesta pentru centrul activ al
enzimei. În inhibiția necompetitivă, inhibitorul nu prezintă analogie structurală cu substratul și se leagă cu enzima într-o altă zonă a moleculei, diferită de centrul activ. Inhibitorii necompetitivi pot reacționa atât cu enzima liberă cât și cu complexul ES.
2.3.2.6. Reglarea activității enzimelor
Se realizează prin mai multe mecanisme:
Conversia precursorilor inactivi în enzime active. Unele enzime care funcționează în
exteriorul celulei ( în tractul digestiv sau în plasma sanguină) sunt sintetizate sub formă de precursori inactivi numiți proenzime sau zimogene. Hidroliza unui număr limitat de legături peptidice în moleculele zimogenelor conduce la conversia lor în enzime active. Modificarea covalentă a unor enzime se poate realiza prin inserția de grupări micromoleculare în moleculele lor. D exemplu, activitatea enzimelor care catalizează sinteza și degradarea glicogenului este reglată prin fosforilarea unui anumit radical de serină din moleculele acestor enzime.
Un mecanism de reglare mai răspandit decât modificarea covalentă, este inhibiția de tip feed back, când acumularea produsului final al unei căi metabolice cauzează inactivarea enzimelor necesare pentru sinteza lui.
Cel mai răspandit mecanism de reglare a activității enzimelor în lumea vie se consideră reglarea alosterică. Caracteristica esențială a enzimelor alosterice este susceptibilitatea lor de a fi activate sau inhibate de alți metaboliți decât substratele naturale. Acești metaboliți se numesc efectori alosterici sau modulatori alosterici. Dacă modulatorul induce creșterea capacității catalitice a enzimei, se numește activator sau modulator pozitiv, iar dacă acesta provoacă scăderea eficienței ei catalitice, se numește inhibitor sau modulator negativ.
Un alt mecanism este reglarea vitezei de biosinteză a enzimelor sau reglarea genetică.
2.3.3. Hormoni
2.3.3.1. Definiție
Hormonii (grec. ορμόνη, – horman, hormanus – a pune în mișcare, a trezi) sunt substanțe cu structură proteică, cu rolul de a transmite informații de la un organ sau țesut la altul, fiind secretate de glandele endocrine sau de alte țesuturi și care stimulează și coordonează activitatea anumitor organe sau a întregului organism.
Spre deosebire de sistemul nervos, unde informațiile de la centru (creier sau măduva spinării), impusurile nervoase se propagă prin prelungirile axonice sau dentritice cu o viteză mare ce durează fracțiuni de secundă, informațiunile transmise pe cale hormonală sunt mai lente, unele ca de exemplu în cazul adrenalinei care durează secunde, pe când în cazul celorlalți hormoni durează zile, până ce informațiile ajung la organul sau țesutul țintă.
De la această regulă fac o excepție hormonii tisulari (produși de țesuturi), hormoni ca: histamina, serotonina sau prostaglandinele, care sunt produși direct de parenchimul organului țintă.
Hormonii sunt substanțe care acționează pe anumite organe țintă, ce au receptori speciali în membrana celulară, care leagă moleculele hormonului respectiv, unde hormonii declanșează o serie de reacții biochmice, pătrunzând prin membrana celulară ajungând în citoplasmă, respectiv nucleul celulei.
Hormonii din organismul animal sunt produși și de glandele endocrine: hipofiză, epifiză, tiroidă, paratiroidă, pancreas, glandele suprarenale cu corticosuprarenala și insulele Langerhans, gonadele sau glandele genitale.
2.3.3.2. Clasificare
Clasificarea hormonilor se face în funcție de raza de acțiune, solubilitate, structura chimică, locul de sinteză și în funcție de interdependența sistem endocrin cu cel nervos.
Clasificarea hormonilor în funcție de raza de acțiune
Hormoni locali: autocrini și paracrini
Hormoni endocrini
Neurohormoni
Hormonii endocrini respectă definiția clasică, fiind sintetizați și secretați de celule specializate, urmând să ajungă la celula țintă prin intermediul sistemului circulator, legați de proteine transportoare în cazul hormonilor hidrofobi sau liberi în sânge în cazul hormonilor hidrofili.
Hormonii paracrini nu respectă definiția clasică dată hormonilor, fiind sintetizați de o celulă specializată,urmând să acționeze asupra celulelor învecinate, fără a mai ajunge în torentul circulator; de exemplu, somatostatina produsă de celulele D pancreatice acționează asupra celulelor A (secretoare de glucagon) și B (secretoare de insulină) inhibându-le secreția.
Hormonii autocrini sunt sintetizați și secretați de către o celulă în spațiul extracelular, acționând ca mesager asupra aceleeași celule. În acest caz, celula țintă și celula secretoare reprezintă de fapt aceeași celulă.
Neurohormonii sunt o categorii speciala de substanțe chimice produse de către celulele nervoase, eliberate în sânge prin terminațiile axonale și apoi vehiculate prin sistemul circulator până la nivelul celulei țintă. Prin intermediul neurohormonilor se realizează interacțiunea dintre sistemul nervos și sistemul endocrin.
Clasificarea hormonilor în funcție de solubilitate
În funcție de solubilitate, hormonii se pot clasifica în hormoni hidrosolubili (hidrofili) și hormoni liposolubili (hibrofobi). Hormonii liposolubili necesită proteine transportoare, pentru a fi vehiculați prin sânge, până la nivelul celulei țintă, de asemenea acești hormoni prezintă capacitatea de a traversa bistratul lipidic al membranei celulare, patrunzând în interiorul celulei unde se afă receptori specifici fie în citoplasmă, fie legați de cromatină la nivelul nucleului. Hormonii hidrosolubili circulă liberi prin sistemul circulator însă nu pot traversa membrana celulară. Receptorii pentru acest tip de hormoni se află încorporați în membrana celulară, determinând producția de mesageri secunzi la nivelul spațiului citoplasmatic, hormonul fiind considerat mesager primar.
Hormonii hidrosolubili: hormonii peptidici, hormonii proteici, hormonii derivați din aminoacizi.
Hormoni liposolubili: hormonii steroizi, hormonii tiroidieni.
Clasificarea hormonilor după structura chimică
Hormoni derivați din aminoacizi
Hormoni polipeptidici, proteici și glicoproteici
Hormoni steroizi
Hormonii steroizi sunt hormoni ce au ca precursor comun colesterolul: estradiol, estrona, testosteron, 1,25 dihidroxicolecalciferol, cortisol, aldosteron.
Hormonii eicosanoizi
Hormonii eicosanoizi reprezintă o serie de hormoni derivați din acidul arahidonic: prostaglandinele primare (clasice, PG); endoperoxizi prostaglandinici (PGG2 și PGH2); prostaciclina (PGI2); tromboxani (TX); leucotrienele (LT).
Clasificarea hormonilor în funcție de locul de producere
Hormonii sunt secretați la nivelul întregului organism, putând fi secretați de organe specializate sau de celule individuale ce prezintă activitate secretorie.
Hormoni hipotalamici
Hormonul eliberator al tireotropinei (TRH)
Hormonul eliberator al somatostatinei (GH-RIH)
Hormonul eliberator al gonadotropinelor (Gn-RH)
Hormonul eliberator al corticotropinei (CRH)
Hormonul eliberator al somatotropinei (GH-RH)
Hormonul antidiuretic – vasopresina (ADH)
Hormoni hipofizari
Somatotropina numită și hormonul de creștere (GH)
Corticotropina numită și hormonul adenocorticotrop (ACTH)
Gonadotropine (Gn)
Hormonul luteinizant (LH)
Hormonul foliculo-stimulator (FSH)
Tireotropina (TSH)
Prolactina (PRL)
Hormoni gastrointestinali
Gastrina
Colecistokinina (CCK)
Secrețina
Polipeptidul intestinal vasoactiv (VIP)
Peptidul gastic inhibitor (GIP)
Ghrelina
Peptidul YY
Parotina
Sialogastrona
Leptina
Motilina
Hormoni pancreatici
Insulina
Glucagonul
Somatostatina
Polipeptidul pancreatic
Hormoni trombocitari: Tromboxan
Hormoni limfocitari: Leucotrienele
Hormoni suprarenalieni
Epinefrina (adrenalina)
Norepinefrina (noradrenalina)
Cortisol
Aldosterona
Hormoni secretați de rinichi: Renina
Hormoni din țesutul miocardic atrial: Polipeptidul natrinuretic
Clasificarea hormonilor după inderdependența sistemului endocrin cu cel nervos
Din punct de vedere al interdependenței sistemului endocrin cu cel nervos sistemul endocrin poate fi structurat în 3 nivele ierarhice:
Nivelul I – cuprinde hormoni secretați de țesuturi ce provin embriologic din țesut nervos
Hipotalamusul
Celule C din tiroida
Celule secretoare de hormoni din mucoasa gastrointestinală
Medulosuprarenala
Nivelul II – cuprinde hormoni ce sunt influențați în mod direct de sistemul nervos
Hormonii adenohipofizari
Hormonii secretati de insulele pancreatice
Hormonii parotidieni
Nivelul III – cuprinde hormonii a caror secreție este dependenta de hipofiza anterioară
Hormonii elaborați în cortexul glandei suprarenale
Hormonii tiroidieni
Hormonii secretați de gonade
2.3.4. Glucide
2.3.4.1. Definiție
Zaharidele, cunoscute și sub denumirea de glucide, sunt substanțe organice cu funcțiune mixtă, ce au în compoziția lor atât grupări carbonilice cât și grupări hidroxilice.
Glucidele constituie o clasă de substanțe foarte importantă, atât pentru organismele animale cât și pentru cele vegetale. Sub aspect biochimic și fiziologic , glucidele constituie o materie primă pentru sinteza celorlalte substanțe: proteine, lipide, cetoacizi, acizi organici. De asemenea, constituie substanțe de rezervă utilizate de către celule și țesuturi. Biosinteza lor se realizează prin fotosinteză.
Hidrații de carbon/zaharurile sunt mai simplu definiți ca polihidroxialdehide, polihidroxicetone sau derivați ai acestora. Au formula empirică (CH2O)n, ceea ce a sugerat, inițial, că era vorba de “hidrați” ai carbonului.
Monozaharidele – denumite simplu zaharuri – sunt constituite dintr-o singură unitate polihidroxialdehidică/polihidroxicetonică. Cel mai răspândit monozaharid este cel cu 6 atomi de C – D-glucoza – de la care derivă o serie întreagă de monozaharide. D-glucoza reprezintă sursa energetică majoră pentru cele mai multe organisme, cât și “piatra” de construcție a unor polizaharide, cum ar fi amidonul și celuloza.
Oligozahareidele conțin 2 – 10 unități monozaharidice unite printr-o legătură glicozidică.
Polizaharidele conțin mai multe unități monozaharidice unite în lanțuri liniare sau ramificate. Multe din polizaharide conțin un singur tip sau două tipuri alternative de unități monozaharidice.
Polizaharidele au doua funcții biologice majore: formă de stocare a energiei, elemente structurale.
În biosferă există, probabil mai multe glucide decât oricare alta materie organică și aceasta datorită abundenței din lumea plantelor a celor 2 polimeri ai D-glucozei, amidonul și celuloza.
Amidonul este forma principală de stocare a energiei în cele mai multe plante, în timp ce celuloza este principalul component structural extracelular din pereții celulari rigizi ai țesuturilor fibroase și lemnoase din plante.
Glicogenul, care are o structură asemănătoare cu amidonul, este principalul hidrat de carbon de rezervă la animale. Alte polizaharide sunt componente majore ale peretelui celular și a învelișurilor celulare moi din țesuturi.
2.3.4.2. Nomenclatura glucidelor
Cel care încearcă prima dată să denumească glucidele este C. Schmidt, în anul 1844, care le denumește hidrați de carbon, datorită raportului observat între atomii de hidrogen și oxigen, de 2:1. Se propune formula generală de Cn(H2O)n. Formula propusă are 2 incoveniente: hidrogenul și oxigenul nu sunt legați sub formă de molecule de apă de atomul de carbon, sunt substanțe de tipul aldehidei formice CH2O, acid lactic C3(H2O)3, care nu sunt glucide.
Nomenclatura actuală de glucide provine de la grecescul γλικισ (glikis=dulce). Nici această denumire nu este riguros științifică deoarece glucide cu masă mare (celuloză, amidon) nu au gust dulce.
2.3.4.3. Clasificarea glucidelor
Are la bază comportarea glucidelor la reacția de hidroliză:
oze (cunoscute și sub denumirea de monoglucide) sunt glucidele care prin hidroliză nu pot fi descompuse în molecule mai simple care să posede proprietăți fizico – chimice caracteristice glucidelor;
ozide – substanțe formate prin unirea mai multor molecule de monoglucide; oligoglucide formate dintr-un număr mic de resturi de monoglucide.
poliglucide – număr foarte mare de monoglucide.
2.3.4.3.1. Monozaharide
Monozaharidele au formula empirica (CH2O)n, unde n≥3. Lanțul atomilor de carbon în monozaharidele obișnuite este neramificat și fiecare atom de carbon, cu excepția unuia, conține o grupare hidroxil; atomul de carbon care nu are grupare hidroxil conține un oxigen carbonilic cuprins într-o legătură aldehidică sau cetonică.
Dacă gruparea carbonil este la capătul lanțului – monozaharidul este un derivat aldehidic numit aldoză; dacă gruparea este prezentă în oricare altă poziție, monozaharidul este un derivat cetonic, numit cetoză.
Aldehida glicerică este o aldotrioza, iar dihidroxicetona este o cetotrioză. Există și tretroze (4 C), pentoze (5 C), hexoze (6 C), heptoze (7C) și octoze (8C). Fiecare există în două serii, respectiv aldotetroze și cetotetroze, aldopentoze și cetopentoze, etc.
În cadrul celor două serii de monozaharide, hexozele sunt cele mai raspândite.
Monozaharidele sunt substanțe solide, cristaline, solubile în apă și insolubile în solvenți nepolari. Multe din ele au gust dulce. Provin din plante prin procesul de fotosinteză.
Cei mai importanți derivați ai monozaharidelor sunt:
Glicozidele – aldopiranozidele reacționează cu alcooli în prezența acizilor minerali formând alfa și beta glicozide.
N-glicozamine/N-glicozide – aldozele și cetozele reacționează cu aminele în soluții de solvenți adecvați cu obținere de N-glicoamine sau N-glicozide.
Derivații O-acilați și O-metilați
Osazonele
Poliolii/alcoolii polihidroxici – exemplu: glicerol – component important al lipidelor și ciclohexanul hexahidroxilat = inozitolul.
Derivații acizi ai monozaharidelor
Fosfoglucide – derivați fosforilați ai monozaharidelor ce se găsesc în toate celulele organismelor, fiind intermediari importanți ai metabolismului glucidic.
Dezoxiglucide
Aminoglucide – cele mai raspândite – D-glucozamina (intra în componența polizaharidelor vertebratelor, componentă a chitinei), D-galactozamina (intra în componența glicolipidelor și a poliglucidului din cartilagii, condroitin sulfatul).
Acidul muramic și acidul neuraminic – intră în structura peretelui bacterial și al celulelor animalelor superioare.
2.3.4.3.2. Dizaharidele
Sunt biomolecule formate din două monozaharide legate printr-o legătură glicozidică. Cele mai cunoscute dizaharide sunt maltoza, lactoza și zaharoza.
Maltoza este produsul intermediar al acțiunii amilazelor asupra amidonului și conține două resturi de glucoză.
maltoza
Alte dizaharide care conțin două resturi de D-glucoza sunt celobioza și gentiobioza.
Lactoza este un diglucid care se găsește doar în lapte. Prin hidroliza ei se obțin D-glucoza și D-galactoza.
lactoza
Zaharoza/zahărul de trestie este un dizaharid format din glucoză și fructoză. Este foarte răspândit în lumea plantelor.
Tetrahaloza este compusă din 2 resturi de D-glucoză și intră în componența hemolimfei unor insecte.
2.3.4.3.3. Trizaharidele
Rafinoza se găsește din abundență în sfecla de zahăr și alte plante superioare, melezitoza se găsește în seva unor conifere.
rafinoza
2.3.4.3.4. Polizaharide
Polizaharidele, prin hidroliza totală, acidă sau enzimatică, produc monozaharide și/sau derivați monozaharidici simpli. Unitatea monozaharidica predominantă a polizaharidelor este D-glucoza, dar există și polizaharide cu D-manoză, D-fructoză, D și L-galactoză, D-xiloză și D-arabinoză.
Polizaharidele (glicani) se deosebesc în ceea ce privește repetitivitatea unităților monozaharidice, lungimea lanțului și gradul de ramificare.
Clasificare:
Homopolizaharide – care conțin un singur tip de polimer – exemplu: amidon;
Heteropolizaharide – care conțin doua sau mai multe subunități diferite – exemplu: acidul hialuronic.
Polizaharide de rezerva
Cel mai raspândit polizaharid de rezervă la regnul vegetal este amidonul. La regnul animal, este glicogenul, depozitat sub forma unor granule mari în citoplasma celulară.
A1. Amidonul
Este alcătuit din α-amiloză și amilopectină.
amidon
Amiloza nu este cu adevarat solubilă în apă, dar formează micelii hidratate.
Lanțul este polidispers și variază în ceea ce privește masa moleculară, de la câteva mii la 500000.
Amilopectina este foarte ramificată și conține 24-30 resturi de glucoză, funcție de specie.
Componenții majori ai amidonului pot fi hidrolizați enzimatic în două moduri:
-de către α-amilază prezentă în salivă și sucul pancreatic; rezultă un amestec de glucoză și maltoză libere;
-de către β-amilază care se găsește în malț; rezultă numai maltoză.
α și β-amilazele acționează și asupra amilopectinelor.
A2. Glicogenul
Este principalul polizaharid de rezervă din celulele animale, corespondentul amidonului din plante. Se găsește în cantitate mare în ficat (10% din greutatea acestuia) și în mușchii scheletici (1-2%).
Ca și amilopectina, glicogenul este un polizaharid format din molecule de glucoză.
glicogen
A3. Alte polizaharide de rezerva
dextranul – polizaharid format din D-glucoză;
fructanii – homopolizaharide formate din unități de D-fructoză;
inulina – formată din unități de D-fructoză;
mananii – homopolizaharide formate din manoză;
xilani și arabinani – conținuti în plante.
Polizaharide de structură
Multe polizaharide servesc ca elemente de structură a pereților și învelișurilor celulare, ale spațiului intracelular și ale țesutului conjunctiv, cărora le conferă formă, elasticitate/rigiditate, protecție și suport pentru organismele unicelulare. Polizaharidele sunt componente majore ale exoscheletului unor nevertebrate (chitina).
Pereții și învelișurile celulare nu au rol doar în menținerea structurii țesuturilor, dar conțin și situsuri specifice de recunoaștere celulă-celulă, importante în morfogeneza țesuturilor și organelor. Conțin elemente de protecție importante, cum ar fi Ac de pe suprafața celulei din țesuturile nevertebratelor.
B1. Pereții celulari ai plantelor
Deoarece celulele plantelor trebuie să reziste la marea diferență de presiune osmotică dintre compartimentele extra și intracelulare, ele au nevoie de pereți celulari rigizi. La plantele superioare și arbori, pereții celulari contribuie nu numai la rezistența fizică și rigiditatea tulpinii, frunzelor și țesuturilor rădăcinii, ci și la susținerea unei mari greutăți. În lumea plantelor, cel mai răspândit polizaharid structural este celuloza, un polimer liniar, format din unități de D-glucoza. Celuloza este componentul major din lemn și hârtie; bumbacul este aproape celuloză pură. Ea se găsește și la unele nevertebrate mici. Este un polimer aproape în întregime extracelular.
fibre de celuloză
În lumea plantelor, fibrele de celuloză împachetate dens înconjoara celula în aranjamente paralele regulate, în straturi care se încrucișează. Aceste fibre sunt cimentate într-o matrice formată din alți 3 polimeri: hemiceluloza, pectina și extensina.
Alte polizaharide din structura peretelui celular sau componente structurale ale plantelor sunt: agarul din alge, care conține resturi de D și L-galactoză, acidul alginic din alge și ierburi marine, guma arabică, etc.
B2. Pereții celulei bacteriene
Celula bacteriană are pereți rigizi, poroși, structură de “geamantan”, oferind protecție celulei. Deoarece bacteria are o presiune osmotică internă mare și este expusă des la un mediu variabil și uneori hipotonic, ea trebuie să aibă pereții celulari rigizi pentru a o proteja de gonflare și ruptură.
Clasic, bacteriile sunt clasificate în Gram pozitive și Gram negative, în funcție de reacția cu colorantul Gram. De obicei bacteriile Gram pozitive au o cantitate mică de lipide în perete, pe când cele Gram negative au o cantitate mare de lipide în peretele celular. Pereții celulelor Gram pozitive/negative au în comun doar structura “scheletului”care reprezintă mai mult de 50% din greutatea peretelui celular – lanțuri polizaharidice paralele legate covalent încrucișat prin lanțuri peptidice. Acest schelet poate fi privit ca o singură moleculă mare, asemănătoare cu un sac și este denumit peptidoglican sau mureină. Unitatea de bază a peptidoglicanului este muropeptidul.
În afară de scheleltul peptidoglicanic, peretele celular mai conține și alți componenți:
1. acidul teichoic – format din molecule de glicerol sau ribitol legate fosfodiesteric;
2. polizaharide – ramnoza, glucoza, galactoza, manoza;
3. polipeptide sau proteine.
Atât acidul teichoic cât și polizaharidele din pereții celulari bacterieni sunt antigenice.
B3. Peretele celular al organismelor superioare
Componenții majori ai învelișului celular din organismele superioare sunt:
mucopoliglucidele acide;
glicoproteinele;
glicosfingolipidele.
Mucopolizaharidele acide
Sunt un grup de substanțe înrudite cu heteropolizaharidele și conțin, uzual, două tipuri de unități monozaharidice alternative, din care cel puțin una conține fie o grupare acidă, fie o grupare carboxil sau sulfat.
Când se găsesc sub formă de complecși cu proteine specifice se numesc mucine/mucoproteine.
Mucoproteinele sunt substanțe gelatinoase, lipicioase/alunecoase; unele asigură lubrefierea, altele acționează ca un ciment intercelular flexibil. Cel mai răspândit mucopolizaharid este acidul hialuronic prezent în învelișul celular și în substanțele de bază extracelulare din țesutul conjunctiv al vertebratelor, în lichidul sinovial, în umoarea vitroasa a ochiului. Unitatea repetitivă a acidului hialuronic este un dizaharid compus din acid D-glucuronic și N-acetil-D-glucozamina, fiind un polimer liniar. La pH = 7 este solubil în apă cu care formează soluții foarte vâscoase. Enzima hialuronidaza catalizează hidroliza legăturilor din acid.
Alt mucopolizaharid este condroitina care are o structură aproape identică cu acidul hialuronic. Derivații cu acidul sulfuric – condroitin 4-sulfatul și condroitin 6-sulfatul – sunt componente structurale majore ale învelișului celular, cartilaje, schelet, cornee și alte structuri ale țesutului conjunctiv.
Dermatansulfatul, keratansulfatul sunt mucopolizaharide acide din piele, cornee și țesut osos.
Heparina – se găsește în plămâni și peretele arterelor.
Glicoproteinele
Procentul în greutate al hidraților de carbon în diferite glicoproteine poate varia de la 1% (ovalalbumina) – 80% (mucoproteine). Glicoproteinele cu un conținut ridicat de hidrați de carbon se numesc proteoglicani.
Printre glicoproteinele cu localizare și funcții extracelulare putem enumera glicoproteinele învelișului celular, cele din sânge, formele circulante ale unor hormoni proteici, Ac, diferite enzime digestive intestinale, mucoproteinele din secrețiile mucoaselor și glicoproteinele din membranele fundamentale extracelulare.
Glicoproteinele conțin diferite monozaharide sau derivați ai acestora. Lanțurile liniare sau ramificate ale glicoproteinelor pot conține de la 2 – 20 de resturi monozaharidice, aparținând de obicei, la două sau mai multe tipuri. Cel mai adesea, monozaharidul terminal este un rest încărcat negativ al acidului N-acetil neuraminic, acidul sialic etc.
Proteinele de grup sangvin conțin lanțuri oligozaharidice laterale formate din resturi de L-fucoză, D-galactoză, N-acetil-D-galactozamină și N-acetilglucozamina; aceste lanțuri determină specificitatea de grup sangvin.
2.3.5. Lipide
2.3.5.1. Definiție
Lipidele sunt substanțe organice grase, insolubile în apă, dar solubile în majoritatea substanțelor organice, ce conțin grupa hidrocarbon. Acestea joacă un rol important în viața materiei vii.
2.3.5.2. Funcțiile lipidelor
Lipidele au următoarele funcții:
energetică și de rezervă (lipidele sunt mai energoeficiente ca proteinele, fiind păstrate în organism cel mai des în țesutul adipos);
structurală (sunt prezente în cadrul membranei celulare, constituind un fel de barieră pentru substanțele de dinafară);
regulatorie (hormonii lipidali);
imunoprotectoare;
de accelerare a metabolismului (în calitate de coenzime);
de pigmenți.
2.3.5.3. Rol în cadrul materiei vii
-izolatori termici;
-protecție mecanica;
-depozit de substanțe cu valoare energetica.
2.3.5.4. Structura lipidelor
Lipide simple: -trigliceride (esteri micști ai glicerinei cu acizii grași)
Lipide complexe:
-fosfolipidă;
-glicofosfolipidă;
-fosfosfingolipidă;
-steroide;
-glicolipide.
Lipidele sunt biomolecule organice, insolubile în apă, ce se pot extrage din celule și țesuturi cu ajutorul solvenților nepolari – eter, cloroform, benzen etc. Există câteva familii sau clase de lipide diferite între ele, dar toate își datorează proprietățile lor caracteristice naturii hidrocarburii pe care o are cea mai mare parte din structura lor.
Deși sunt o clasă distinctă de biomolecule, ele se afă în combinații, prin legături covalente sau slabe, cu compuși din alte clase de biomolecule, formând molecule hibride:
glicolipide – conțin hidrați de carbon și lipide;
lipoproteinele – conțin lipide și proteine.
În astfel de molecule hibride, proprietățile fizice și chimice distinctive ale componentelor lor sunt astfel asociate încât să corespundă funcțiilor biologice ale acestor biomolecule.
2.3.5.5. Clasificarea lipidelor
Există mai multe criterii de clasificare – funcție de structura catenei lor principale:
Complexă (saponificabilă – prin hidroliză alcalină eliberează sapunuri, săruri de acizi grași):
acilgliceroli – catena principală = glicerol
fosfogliceride – catena principală = glicerol-3-fosfat
sfingolipide – catena principală = sfingozina
ceruri – catena principală = alcooli nepolari cu masa moleculară mare.
Simplă (nesaponificabilă – nu conțin acizi grași):
Terpene
Steroizi
Prostaglandine
2.3.5.6. Acizii grași
Deși acizii grași se găsesc în cantități foarte mari, combinați cu alte substanțe, în lipide saponificabile, în formă liberă (neesterificați), ei se găsesc doar în urme, în diferite celule și țesuturi.
Toți acizii grași au lung lanț lung de hidrocarbură și o grupare terminală carboxil. Lanțul de hidrocarbură poate fi saturat, ca în acidul palmitic sau poate avea una sau mai multe legături duble ca în acidul oleic; există câțiva acizi care au legături triple.
Acizii grași se deosebesc între ei prin lungimea lanțului, numărul și poziția legăturilor nesaturate. Există o codificare internațională care utilizează caracteristicile acestea.
Acizi grași nesaturați
Acizii grași cu una sau mai multe duble legături sunt considerați a fi nesaturați. Aceștia au catena lungă, fiind formați din 18 sau mai mulți atomi de carbon, cu excepția unor acizi mononesturați (miristioleic, palmitoleic) mai rar întâlniți în natură, care au catena mai scurtă. Dintre acizii grași nesaturați, compușii care posedă o singură dublă legătură, poartă numele de acizi grași mononesaturați, iar cei cu mai multe astfel de legături duble, se cheamă acizi grași polinesaturați (mai multe despre acizii grași mononesaturați și polinesaturați).
Cel mai cunoscut acid gras mononesaturat și singurul care este destul de răspândit încât să poată asigura necesarul organismului, este acidul oleic, care se află în cantități mai mari în uleiul de măsline, dar care este prezent și în semințele oleaginoase, are formula:
CH3-(CH2)7-CH=CH-(CH2)7-COOH (18:1)
Simbolul, în cazul acizilor nesaturați, se mai completează cu poziția atomilor de carbon care realizează dubla legătură. Numărătoarea atomului de carbon care se leagă de următorul prin puntea C=C, se poate face în 2 feluri:
-dinspre gruparea carboxil spre gruparea metil (se notează cu c sau cu Δ);
-dinspre gruparea metil spre carboxil (se notează cu ω sau cu n).
În cazul acidului oleic, de oriunde se pornește, cifra va fi tot 9. Astfel avem:
← sens numerotare c
CH3-(CH2)7-CH=CH-(CH2)7-COOH (9c-18:1) (acid ω-9)
sens numerotare ω →
Acizii grași polinesaturați, prezintă 2 sau mai multe duble legături (uneori 5 sau 6). Luând ca exemplu acidul linolenic, acid gras cu 3 duble legături, prezent mai ales în uleiul de in, acesta are formula și simbolul:
CH3-(CH2-CH=CH)3-(CH2)7-COOH (9c, 12c, 15c-18:3) (acid ω-3)
Numerotarea omega (ω), în cazul acizilor polinesaturați, nu se mai continuă după atomul de carbon prin intermediul căruia se realizează prima dublă legătură.
Acizii grași saturați
Acizii grași saturați nu prezintă duble legături. De aceea simbolul lor prezintă, pe lângă numărul atomilor de carbon, cifra 0.
CH3-CH2-CH2-COOH (4:0)
acidul butiric
CH3-CH2-CH2-CH2-CH2-COOH (6:0)
acidul capronic
Formula generală a acizilor grași saturați este: Cn-H2n-O2, unde n este întotdeauna par și mai mare decât 4.
Reprezentanți ai acizilor grași
Toți acizii grași din plantele superioare și animale au câteva caracteristici comune:
Cei mai mulți au un număr par de atomi de carbon, 14-22 C, predominant 16-18 C.
Cei mai răspândți sunt acidul palmitic și acidul stearic, iar dintre cei nesaturați, acidul oleic.
Acizii grași nesaturați predomină față de acizii grași saturați, în special la nivelul organismelor vii care trăiesc într-un mediu rece.
Acizii grași nesaturați au puncte de topire mai mici decât cei saturați cu același număr de atomi de carbon.
În cei mai mulți acizi grași mononesaturați legătura dubla este între atomii de carbon 9-10.
În cei mai mulți acizi grași polinesaturați, o dublă legătură se afă între 9-10, iar celelalte duble legături se afă între aceasta și capătul metil terminal al lanțului.
În cele mai multe tipuri de acizi grași polinesaturați, dublele legături sunt separate printr-o grupare metilen (-CH=CH-CH2-CH=CH-); foarte rar vom găsi legături duble conjugate (-CH=CH-CH=CH-).
În aproate toți acizii grași nesaturați dublele legături se afă în configurația cis.
Acizii grași din bacterii sunt mai puțini și mai simpli decât în organismele superioare.
Acizii grași cu număr impar de atomi de C se afă doar în urme în animalele tereste, dar sunt în cantități apreciabile în organismele marine.
Acizii grași necesari în alimentația mamiferelor se numesc acizi grași esențiali. Cel mai abundent acid gras esențial este acidul linoleic (10-20% din totalul acizilor grași din compoziția triacilglicerolilor și fosfogliceridelor). Mamiferele nu pot sintetiza acid linoleic și γ-linoleic, dar aceștia pot fi obținuți din plante, unde se afă în cantități foarte mari. Acidul linoleic este, la mamifere, precursorul acidului arahidonic.
2.3.5.6.1. Proprietățile fizice ale acizilor grași
Acizii grași saturați se deosebesc de cei nesaturați prin conformația lor. În acizii saturați, catena atomilor de C este flexibilă și poate exista în foarte multe conformații, deoarece fiecare legătură simplă din catenă are o completă libertate de rotație. Conformația cea mai probabilă a acizilor grași saturați este cea complet extinsă, caracterizată prin cea mai mică energie posibilă.
Acizii grași nesaturați au în structura lor unul sau mai multe puncte rigide datorate dublei/dublelor legături C=C, legături lipsite de libertate de rotație. Configurația cis a dublelor legături determină o înclinare de cca 300 a lanțului alifatic, în timp ce configurația trans se aseamănă cu forma extinsă a lanțului saturat.
2.3.5.6.2. Proprietățile chimice ale acizilor grași
Acizii grași nesaturați dau reacții de adiție la legăturile duble din structura lor.
Formele cis pot trece în forme trans prin încălzire în prezența unor catalizatori. În acest fel, acidul oleic poate fi ușor transformat în izomerul său trans – acid elaidic. Acidul elaidic nu se găsește în natură, dar el se formează în cantități apreciabile prin hidrogenarea catalitică a uleiurilor vegetale lichide, în procesul obținerii grăsimilor comestibile semisolide și a margarinei.
2.3.5.7. Trigliceride (triacilgliceroli)
a. Definiție
Esterii glicerolului cu acizii grași se numesc acilgliceroli sau gliceride sau, uneori, “grăsimi neutre”. Când toate cele 3 grupări hidroxil ale glicerolului sunt esterificate cu acizi grași, structura se numește triacilglicerol.
Aceștia reprezintă familia cea mai numeroasă de lipide și reprezintă componentele majore ale lipidelor de depozit din celulele vegetale și animale.
Trigliceridele se afă sub diferite forme în funcție de felul și poziția celor 3 acizi grași cu care este esterificat glicerolul. Trigliceridele care au același tip de acid gras în cele 3 poziții se numesc trigliceride simple și se denumesc funcție de acidul gras care îl conțin: tristearoilglicerol, tripalmitoilglicerol, trioleilglicerol sau tristearină, tripalmitină, trioleină.
Trigliceridele mixte conțin 2 sau mai mulți acizi grași diferiți. Aceștia sunt denumiți astfel: 1-palmitoil-distearoilglicerol sau 1-palmito-distearină.
Grăsimile naturale sunt de obicei mixturi între trigliceride simple și mixte.
tristearina
b. Proprietățile trigliceridelor
Punctul de topire al trigliceridelor este determinat de acizii grași din compoziția lor. În general acesta crește cu numărul și lungimea acizilor grași din compoziție.
Toate trigliceridele sunt insolubile în apă și nu au tendința să formeze micelii cu grad mare de dispersie. Diacilglicerolii și monoacilglicerolii au însă o polaritate apreciabilă și pot forma micelii. Aceștia au o largă aplicare în industria alimentară, fiind perfect digestibili și utilizabili biologic.
Acilglicerolii sunt solubili în eter, cloroform, benzen și etanol fierbinte.
Densitatea lor este mai mică decât a apei.
Acilglicerolii fierți cu acizi sau baze sau atacați de lipaze, ca de exemplu cele din sucul pancreatic, se hidrolizează. Hidroliza cu alcalii – saponificare – duce la un amestec de săpunuri și glicerol.
2.3.5.8. Glicozildiacilgliceroli
Sunt o altă familie de acilgliceroli, ce conțin un glucid legat glicozidic cu gruparea 3 hidroxilică, neesterificată, a diacilglicerolilor.
De exemplu, galactozildiacilglicerolul este prezent în plantele superioare și neuronii unor vertebrate.
2.3.5.9. Fosfogliceridele
A doua mare clasă de lipide complexe cuprinde fosfogliceridele sau glicerol fosfatidele. Ele sunt componente majore ale membranelor celulare și sunt rare în alte compartimente celulare.
Acestea mai sunt cunoscute și sub formă de fosfolipide sau fosfatide, dar nu toate lipidele care conțin fosfor sunt și fosfogliceride.
În fosfogliceride, una din grupările hidroxil primare ale glicerolului este esterificată cu acid fosforic; celelalte grupări sunt esterificate cu acizi grași.
Deoarece fosfolipidele au un cap polar legat la cozile alifatice nepolare, ele sunt denumite lipide amfipatice sau polare. Diferitele fosfolipide diferă ca marime, forma și sarcina electrică a grupelor polare. Fiecare fosfoglicerida poate exista în mai multe specii chimice diferite, în funcție de acizii grași din compoziție. De obicei unul din acizii grași din compoziție este saturat, iar celălalt este nesaturat.
Fosfolipidele cele mai abundente în plantele superioare și animale sunt fosfatidiletanolamina și fosfatidilcolina, fiind componente majore în majoritatea membranelor celulare animale. Un alt fosfolipid important este fosfatidilglicerol care este prezent în membrana bacteriilor. Strâns înrudită cu aceasta este cardiolipina, o moleculă complexă, prezența în membrana bacteriilor, a mitocondriilor, în mușchiul cardiac.
Proprietățile fosfolipidelor
Fosfolipidele pure sunt substanțe solide albe, ceroase. în contact cu aerul ele se brunifica și suferă modificari chimice complexe datorită tendintei acizilor grași polinesaturați din compoziția lor de a se peroxida cu oxigenul atmosferic.
Fosfolipidele sunt solubile în majoritatea solvenților nepolari care conțin puțină apă și sunt cel mai bine extrase din celule și țesuturi cu un amestec de cloroform-metanol. În apă, fosfogliceridele par să se dizolve, dar în realitate numai o mică parte trec în soluția propriu-zisă; cea mai mare parte din fosfolipidele “dizolvate” se afă în micele.
Toate fosfolipidele au la pH = 7 încărcare negativă.
În organism acestea sunt degradate de:
Fosfolipaza A1 – ce în depărtează acidul gras din poziția 1;
Fosfolipaza A2 – ce acționează asupra acidului gras din poziția 2;
Fosfolipaza B – care în depărtează succesiv cei doi acizi grași;
Fosfolipaza C – hidrolizează legătură dintre acidul fosforic și glicerol;
Fosfolipaza D – în depărtează capul polar din legătură cu acidul fosforic.
2.3.5.10. Sfingolipidele
Sfingolipidele sunt lipide complexe care au drept catenă principală sfingozina sau o bază înrudită. Sunt componente importante în membrana celulară. Cantitățile cele mai mari de sfingolipide se găsesc în creier și în țesutul nervos.
Toate sfingolipidele au 3 unități constituiente caracteristice:
o moleculă de acid gras;
o moleculă de sfingozină / derivat al acesteia;
o grupare polară care formează capul.
Sfingozina este unul din cei peste 30 de aminoacizi cu la lanț lung identificat în diferite specii. La mamifere, cele mai frecvente baze din structura sfingolipidelor sunt sfingozina și dihidrosfingozina. Sfingozina se leagă prin gruparea sa aminică, printr-o legătură amidică, cu un acid gras saturat sau mononesaturat cu lanț lung de 18-26 atomi de carbon, complex denumit ceramidă. Aceste complexe de ceramidă se deosebesc prin diferitele grupări polare care constituie capul, atașate la gruparea hidroxil din poziția 1 a bazei sfingozinice.
Sfingomieline
Sunt cele mai abundente sfingolipide din țesuturile animalelor superioare și conțin drept grupare polară esterificată cu gruparea 1-hidroxil dintr-o ceramidă, fosforil-etanolamina sau fosforilcolina.
Glicosfingolipide neutre
A doua clasă de sfingolipide conține ca grupare polară de cap una sau mai multe glucide și nu este încărcată electric. Cele mai simple sunt cerebrozidele, care au capul polar format dintr-un monozaharid legat β-glicozidic de gruparea hidroxil a ceramidei. Cerebrozidele din creier și din sistemul nervos conțin D-galactoză și se numesc galactocerebrozide. Cerebrozidele se găsesc în cantități mici în celelalte țesuturi și conțin D-glucoză, fiind denumite glucocerebrozide.
Glicosfingolipidele neutre care au grupări polare de cap o moleculă de dizaharid se numesc dihexoze. Se cunosc și trihexoze și tetrahexoze.
Glicosfingolipidele au rol important la suprafața celulei, la suprafața eritrocitelor ele determină specificitatea de grup sangvin.
Glicosfingolipide acide – gangliozide
Al treilea și cel mai complex grup al glicosfingolipidelor sunt gangliozidele. Acestea conțin în grupul oligozaharidic din capul polar unul sau mai mulți radicali de acid sialic, ceea ce le conferă acestora o încărcare negativă la pH=7. Acidul sialic cel mai răspândit este N-acetilneuraminic. Cea mai mare parte a gangliozidelor se găsesc în materia cenușie din creier. Există peste 20 de tipuri de gangliozide.
Funcțiile glicosfingolipidelor
constituiente minore ale membranelor;
gagliozidele se găsesc în special la nivelul terminațiilor nervoase – rol în transmisia impulsului nervos la nivelul sinapsei;
dau specificitatea de grup sangvin;
dau specificitatea de organ sau țesut;
sunt implicate în imunitatea tisulară și în zonele de recunoaștere celulă-celulă.
2.3.5.11. Ceruri
Sunt esteri solizi, insolubili în apă, ai acizilor grași superiori cu alcooli grași monohidroxilici cu lanț lung sau cu steroli. La cald ele sunt moi și pliabile, dar la rece devin rigide. Cerurile se găsesc în învelișurile de protecție ale pielii, blănii, penelor, pe frunzele și fructelor plantelor superioare și pe exoscheletul multor insecte.
Componentele majore ale cerii de albine sunt esterii acidului palmitic cu alcooli grași cu 26-34 atomi de C.
Lanolina, grăsimea din lână, este un amestec de esteri ai acizilor grași cu steroli ca lanosterolul și agnosterolul.
2.3.5.12. Lipide simple – nesaponificabile
Lipidele simple nu conțin acizi grași. Ele se afă în celule și țesuturi în cantități mai mici decât lipidele complexe, dar ele cuprind multe substanțe de foarte mare importanță biologică: vitamine, hormoni etc.
Există 2 clase de lipide nesaponificabile: terpenele și steroizii. Deși sunt elemente diferite, ambele clase au unități constitutive care au 5 atomi de C.
2.3.5.12.1. Terpenele
Sunt construite din multipli ai izoprenului – hidrocarbură cu 5 atomi de C. Ele pot fi liniare, ciclice sau mixte.
Dintre foarte numeroasele terpene identificate în plante, multe au mirosuri sau arome caracteristice și sunt componentele majore ale uleiurilor esențiale obținute din acestea: geraniol, limonen, mentol, pinen, camfor, carvonă – provin din mușcată, lămâie, mentă, terebentină, ulei de camfor și de chimion. Dintre terpenele superioare menționam carotenoizii. Dintre aceștia foarte important este β-carotenul, precursor al vitaminei A.
Unele dintre cele mai importante terpene sunt 3 vitamine liposolubile – A, E, K.
O clasă importantă de terpene, cu rol de coenzimă, este familia ubiquinonei sau a coenzimei Q, care funcționează ca transportor de hidrogen în oxidările biologice din mitocondrii.
2.3.5.12.2. Steroizii
Steroizii sunt derivați ai hidrocarburii saturate tetraciclice perhidrociclopentanofenantren. Steroizii se deosebesc prin numărul și poziția dublelor legături, prin tipul, locul de legare și numărul grupărilor funcționale substituite, prin configurația α/β a legăturilor dintre grupările substituite și nucleu și prin configurația ciclurilor unul față de altul, întrucât hidrocarbura de bază are 6 centre de asimentrie.
Toți steroizii provin din triterpena liniară squalen. Primul produs sterolic important al acestei ciclizări este lanosterolul, precursor al colesterolului. Colesterolul și lanosterolul sunt membrii unei subclase denumite steroli. Colesterolul se găsește în membrana multor celule animale și în lipoproteinele din plasma sangvină. Colesterolul este rar întâlnit la plantele superioare; acestea conțin alte tipuri de steroli denumiți fitosteroli. Un alt sterol important este ergosterolul care, sub acțiunea UV, se transformă în vitamina D. Nu există steroli în bacterii.
Colesterolul este precursorul multor alți steroizi din țesuturile animale ca: acizii biliari – care înlesnesc emulsionarea și absorbția lipidelor în intestin; androgenii – hormoni sexuali masculini; estrogenii – hormoni sexuali feminini; progesteronul – hormon progestațional; hormonii adrenocorticali.
2.3.5.13. Prostaglandine
Prostaglandinele sunt o familie de derivați ai acizilor grași, care au o gamă largă de activități biologice de natură hormonală sau reglatorie.
Toate prostaglandinele naturale derivă din ciclizarea acizilor grași nesaturați cu 20 atomi de C, ca acidul arahidonic care provine la rândul său din acidul linoleic (esențial).
Prostaglandinele diferă între ele în ceea ce privește activitatea lor biologică, deși toate au capacitatea de a scădea TA și de a induce contracția mușchilor netezi. Unele PG cum este PGE1 sunt antagoniști ai unor hormoni. PGE2 și PGE2α induc contracția mușchilor netezi.
2.3.5.14. Micele, monostraturi și dublu straturi lipidice
O lipidă polară – o fosfogliceridă – se dizolvă foarte puțin în apă, cu formarea unei soluții apoase adevărate. Dacă lipidele polare se afă în apa într-o concentrație mai mare decât concentrația micelară critică, ele se asociază în diferite tipuri de agregate asemănătoare micelelor formate din săpunuri. În aceste structuri, cozile de hidrocarbură sunt ascunse mediului apos și formează o fază hidrofobă internă, în timp ce capetele hidrofile sunt expuse la suprafață. Trigliceridele nu formează asemenea agregate întrucât ei nu au capete polare.
Fosfogliceridele formează, de asemenea, monostraturi la interfața apă-aer, ca și dublustraturi care separă două compartimente apoase.
Lipozomii sunt structuri dublustratificate, veziculare, complet închise, formate prin expunerea la oscilații sonice a suspensiilor de fosfogliceride în apă. Sistemele dublustrat de acest tip au fost intens studiate ca modele ale membranelor naturale, a căror fază continuă este formată din straturi duble fosfolipidice polare.
2.3.5.15. Sistemele lipoproteice
Anumite lipide se asociază cu proteine specifice pentru a forma sisteme lipoproteice caracterizate prin însușiri rezultate din combinația proprietăților fizice ale celor 2 clase de biomolecule. Există două tipuri majore de lipoproteine: de transport și sistemele de membrană. În aceste sisteme, lipidele și proteinele nu sunt legate covalent, ci sunt menținute în sistem mai ales prin interacțiuni hidrofobe între fragmentele nepolare ale lipidelor și ale proteinelor.
2.3.5.16. Lipoproteine de transport din plasma sangvină
Lipoproteinele plasmatice sunt complexe în care lipidele și proteinele se afă în tr-un raport relativ fix. Ele transporta lipidele insolubile în apa între diferite organe, pe cale sangvina, sub forma unor particule relativ mici, cu diametru și greutate constante.
Lipoproteinele plasmatice se pot împărți în 4 clase, funcție de densitatea și dimesiunea particulelor lor:
kilomicroni – cu densitate foarte mică;
lipoproteine cu densitate foarte mică – VLDL;
lipoproteine cu densitate mică – LDL;
lipoproteine cu densitate mare – HDL;
Lipoproteinele cu densitate foarte mică conțin 4 tipuri de lanțuri peptidice, cu secvențe distincte de aminoacizi. Lipoproteinele cu densitate mare conțin 2 tipuri de lanțuri polipeptidice, cu mase moleculare între 17500 și 28000.
Se presupune că proteinele sunt plasate la suprafața acestui complex conferindu-i acestuia proprietăți hidrofile. La chilomicroni și VLDL, proteinele nu acoperă întreaga suprafață, proprietatea hidrofilă fiind conferită de fosfolipide, în timp ce trigliceridele nepolare rămân în interior.
2.3.6. Vitamine
2.3.6.1. Definiție
Vitaminele (vital – viață; amină – amine) sunt compuși organici esențiali pentru viață și sănătate, pe care organismul nu îi poate sintetiza pe măsura nevoilor sale.
Pentru oameni există 13 vitamine, împărțite în două grupe, cele patru solubile în grăsimi (A, D, E și K) și cele nouă solubile în apă (opt vitamine B și vitamina C).
2.3.6.2. Nomenclatură
Vitaminele pot prezenta mai multe denumiri:
denumirea alfabetică: se folosesc literele mari ale alfabetului A, B, C, D, E, K și diferiți indici în cadrul unui tip de vitamină D2-D3, B1, B2, B6 etc.
denumirea chimică: are la bază structura chimică a vitaminei:
A1 REȚINOL
B1 TIAMINĂ
B2 RIBOFLAVINĂ
B6 PIRIDOXINA
C ACID ASCORBIC
E TOCOFEROL
H1 ACID PARAAMINOBENZOIC
K FITOMENADIONĂ
c) denumirea terapeutică, după efectul terapeutic:
A ANTIXEROFTALMICĂ
C ANTISCORBUTICĂ
D ANTIRAHITICĂ
E ANTISTERILITĂȚII
PP ANTIPELAGRĂ
K ANTIHEMORAGICA
Unele dintre vitamine sunt cunoscute după numele din literatura de specialitate mai veche. Vitamina B2 este numită și vitamina G. Vitamina B7, sau biotină este știută și ca "vitamina H". Vitamina B9 sau acid folic și alți folați precum "vitamina M (acid pteril-tri-glutamic)" sunt cunoscute drept folicină. Vitamina B3 apare și ca "vitamina PP", un nume derivat de la termenul în vechit "factor prevenitor de pelagra". Multe alte substanțe esențiale ale dietei care erau numite la în ceput vitamine sunt acum clasificate ca facând parte din alte grupuri.
Alte vitamine posibile sunt DMAE (pește, ouă, soia, creier), acidul lipoic (ficat), acidul folinic (ficat), bioptrină (pește, ficat), PPQ (mai jos) și coenzima Q (carne, iaurt, soia).
2.3.6.3. Clasificare
S-a încercat o clasificare în funcție de mecanismul de acțiune, deși nu este pe deplin cunoscut pentru toate vitaminele. Multe vitamine funcționează ca atare sau după o prealabilă biotransformare, formând coenzime ale unor enzime specifice (toate vitaminele B, biotina, vitaminele A și K). Altele acționează pe căi asemănătoare hormonilor (D și A). Unele (vitaminele C și E) funcționează ca sisteme antioxidante față de peroxizii nocivi. Vitaminele A (reținalul, acidul reținoic) au modalități particulare de acțiune.
O clasificare mai veche împărțea vitaminele în 2 mari clase, în funcție de solubilitatea lor:
– vitamine hidrosolubile (solubile în apă), din care fac parte toate vitaminele B, biotina, acidul ascorbic;
– vitamine liposolubile, insolubile în apă, solubile în lipide (grăsimi), din care fac parte vitaminele A, D, E și K.
Există o serie de substanțe, numite antivitamine, care prezintă o acțiune antagonistă vitaminelor și care produc efectele avitaminozelor respective. În principiu, fiecare vitamină poate avea una sau mai multe antivitamine.
După mecanismul de acțiune:
efect nuclear – acționează influențând transcripția ADN: vitamina A și vitamina D;
efect membranar – împiedică acțiunea unor radicali liberi în organism: vitamina E, vitamina C;
transferarea unor grupări funcționale (-COOH, -CH3, -NH2): vitaminele B1, B6, B12, biotina, acid folic;
transfer de electroni: vitamina PP, vitamina B2, vitamina K.
2.3.6.3.1. Vitaminele hidrosolubile
Din această clasă fac parte compușii polari, solubili în apă, dar cu structuri și funcții biochimice foarte diferite. Un număr dintre ele alcătuiesc grupul vitaminelor B, prezente în drojdie, în semințe de cereale, în ficat. Lipsa de aport prin alimentație, provoacă stări de policarență și nu de hipovitaminoză anume. Sunt absorbite la nivelul intestinului subțire, trecând în circulația portală. Se stochează în cantități foarte mici și sunt eliminate urinar. De aceea trebuie continuu furnizate prin alimentație. Excesul este, în general, bine tolerat, surplusul eliminându-se urinar, fară afectarea organismului. Excepție face supradozarea unora cum sunt acidul nicotinic și vitamina B6.
2.3.6.3.2. Pseudo-vitamine
Vitamina F este termenul care desemna la început acizii grași esențiali pe care corpul nu îi poate sintetiza. Au fost excluși din categoria vitaminelor pentru că sunt acizi grași. Acizii grași sunt o componentă majoră a grăsimilor care, ca și apa, sunt necesare organismului în cantități mari și deci nu sunt sub incidența definiției vitaminelor, care sunt necesare în cantități mici.
Herbalists and naturopaths a numit diferite substanțe chimice terapeutice "vitamine", deși nu sunt, printre care vitamina T, vitamina U și vitamina X.
Unele autorități în domeniu spun că ubiquinona, numită și coenzima Q10, este o vitamină. Ubiquinona este produsă în cantități mici de organism, ca și vitamina D.
Vitamina B15 (acid pangamic); substanță î rudită cu dimetilglicina este numită greșit vitamina B15, dar numită și B16.
Toxinele laetrile și amigdalina sunt numite uneori vitamina B17. Și acidul pangamic, și laetrile au fost propuse ca fiind vitamine de Ernst T. Krebs; niciuna nu a fost recunoscută drept vitamină de comunitatea medicală. Capacitățile vitaminei B17 de a combate cancerul au fost negate de multe experimente. Ele produc drept metabolit acid cianhidric și pot provoca moartea.
Flavonoizii sunt numiți uneori și vitamina P.
Factorii de creștere a animalelor au fost desemnați vitamine, precum acidul para-aminobenzoic (PABA), care este factorul datorită căruia cresc penele păsărilor (vitamina B10), folacina (vezi acid folic), acid pteril-heptaglutamic este factorul de creștere a păsărilor (vitamina B11 sau vitamina Bc-conjugată) și acidul orotic ca vitamina B13 pentru șobolani.
Câteva substanțe erau crezute a fi vitamine complexe B și sunt numite vitamine B în literatura veche, incluzând B4 (adenină) și B8 (acid adenilic), dar nu mai sunt recunoscute ca vitamine.
2.3.6.4. Deficiențe și excese de vitamine
Un organism poate supraviețui pentru un timp fără vitamine, deși deficitul prelungit de vitamine poate duce la boli, de obicei dureroase și potențial fatale. Rezervele organismului de vitamine pot varia foarte mult; un adult poate avea un deficit de vitamina A sau B12 de un an sau mai mult în ainte să se apară vreo boală, în timp ce vitamina B1 din rezerve nu rezistă mai mult de două săptămâni.
Vitaminele solubile în grăsimi pot fi păstrate ca rezervă în organism și sunt toxice când sunt luate în exces. Vitaminele solubile în apă nu sunt păstrate în organism, cu excepția vitaminei B12, rezerva ei aflându-se în ficat.
2.7. Acizi nucleici
2.7.1. Definiție
Acizii nucleici reprezintă molecule foarte complexe, produse atât de organisme vii (celule), cât și de virusuri.
Denumirea de „acizi nucleici” se datorează faptului că prima oară au fost izolate din nuclei de celule. Cercetări ulterioare au dovedit însă faptul că anumite tipuri de acizi nucleici nu se găsesc în nucleu, ci în citoplasmă.
2.7.2. Funcții
În ansamblu, acizii nucleici îndeplinesc două funcții biologice majore:
1. transmit informația ereditară de la o generație la alta;
2. conțin informație pentru producerea de proteine specifice.
2.7.3. Structură
2.7.3.1. Structura primară a acizilor nucleici
O moleculă de acid nucleic este formată din unități de bază, numite nucleotide, legate între ele prin legături chimice de tip covalent (legături fosfodiesterice).
Fiecare nucleotidă este alcătuită din 3 categorii de molecule, și ele legate între ele:
bază azotată;
pentoză (un zahăr format din 5 atomi de carbon);
un rest de radical fosforic.
Atât în structura ADN, cât și în ARN, există 4 tipuri majore de baze azotate:
adenină, timină, citozină, guanină – în ADN;
adenină, uracil, citozină, guanină – în ARN.
Adenina și guanina sunt baze azotate derivate din structura purinei și, ca atare, mai sunt numite și baze purinice (sau simplu purine).
Timina, citozina și uracilul sunt derivate din structura pirimidinei – baze pirimidinice/pirimidine. în mod curent, cele 5 baze azotate se prescurtează A, T, C, G și, respectiv, U.
Pentoza este, fie riboză – în ARN, fie deoxiriboză – în ADN.
Principalele baze azotate din acizii nucleici
Denumirea nucleozidelor și nucleotidelor
2.7.3.2. Structura secundară a acizilor nucleici
Nucleotidele se leagă între ele prin legături fosfodiesterice care se formează între o pentoză a unui nucleotid și radicalul fosforic al nucleotidului următor. Asemenea lanțuri de nucleotide poartă numele de catene polinucleotidice și reprezintă structura primară a unui acid nucleic. Astfel de molecule sunt, deci, monocatenare (prescurtat m.c.)
Mai toate tipurile de acizi ribonucleici (ARN) sunt formate dintr-o singură catenă polinucleotidică, în timp ce majoritateta moleculelor de ADN sunt alcătuite din două catene polinucleotidice, având astfel și o structură secundară. Asemenea molecule sunt dublucatenare (prescurtat d.c.).
Formarea unor molecule de acizi nucleici dublucatenare respectă o serie de legi chimice, care poartă numele cercetătorului care le-a descris prima oară – Chargaff.
2.7.3.3. Structura terțiară a acizilor nucleici
Datorită formei spațiale a nucleotidelor, cele 2 catene polinucleotidice dintr-o moleculă d.c. se dispun spațial una față de cealaltă într-o formă de elice (dublu helix), învârtindu-se una în jurul celeilalte și amândouă în jurul unui ax central. Această dispunere formează structura terțiară a unei molecule de acid nucleic d.c. în arhitectura unei asemenea molecule, la exterior se găsec cele 2 schelete glucido-fosforice ale catenelor, iar spre interior sunt bazele azotate.
Perioada modernă a biologiei moleculare a început în 1953, când James Watson, Francis Crick și Maurice Wilkins au propus modelul de structură dublu-helicală a ADN.
Toate cercetările ulterioare au demonstrat corectitudinea acestui model.
Un dublu-helix de acid nucleic prezintă o serie de parametri fizici, denumiți parametri helicali:
Moleculele de ADN d.c. pot fi lineare sau circulare.
Astfel, cromozomii la organismele eucariote, dar și o serie de plasmide, sunt alcătuite din molecule de ADN d.c. linear.
Cromozomul bacterian, precum și o serie de plasmide bacteriene, sunt alcătuite din molecule de ADN d.c. circular.
2.7.3.4. Suprarăsucirea moleculelor de ADN
Moleculele de ADN se găsesc în celule într-o stare de suprarăsucire. Astfel, prin convenție internațională, se numesc suprarăsuciri negative cele ce sunt îndirecție inversă față de orientarea bazelor din B-ADN. Cu alte cuvinte, o moleculă ADN ce prezintă suprarăsuciri negative, are un grad mai mare de „relaxare”. Suprarăsucirile în aceeași direcție cu cele naturale dintr-o moleculă B-ADN se numesc suprarăsuciri pozitive și produc o înfășurare mai mare a moleculei de ADN.
Este important de reținut faptul că gradul de răsucire a moleculelor de ADN influențează esențial o serie de procese celulare:
– în comparație cu cromozomii eucariotelor, cromozomul bacterian este mult mai mic; cu toate acestea, această moleculă de ADN ce reprezintă cromozomul bacterian nu ar încăpea în celula bacteriană dacă nu ar fi suprarăsucit și împachetat;
– diverse procese, ca replicare, transcriere, recombinare precum și repararea moleculelor de ADN, presupun derăsucirea locală a moleculelor de ADN.
2.7.4 Acizii ribonucleici
Pe de o parte, acizii ribonucleici reprezintă materialul genetic al anumitor tipuri de virusuri (numite virusuri ARN). Pe de altă parte, în celule, moleculele de ARN îndeplinesc diverse funcții metabolice, dintre care cele mai importante sunt legate de traducerea informației genetice din secvența de nucleotide în secvență de aminoacizi, adică în sinteza de proteine.
Din punct de vedere chimic, există trei diferențe majore între acizii ribonucleici și ADN:
– zahărul din ARN (riboza) conține o grupare hidroxil în plus față de deoxiriboză (prezentă în ADN);
-în majoritatea moleculelor de ARN, timina din ADN este înlocuită cu uracil;
-în cele mai multe cazuri, moleculele de ARN sunt formate dintr-o singură catenă polinucleotidică, spre deosebire de majoritatea moleculelor de ADN, care sunt dublu-catenare; chiar și moleculele de ARN monocatenare pot forma structuri secundare și terțiare;
-unele molecule de ARN ( în mod special, ARNt) mai conțin și o serie de baze azotate modificate, de exemplu pseudouridina, dihidrouridina, riboziltimina, inozina.
Cele mai importante tipuri de acizi ribonucleici dintr-o celulă sunt ARN mesager, ARN de transfer și ARN ribozomal.
Toate moleculele de ARN dintr-o celulă iau naștere printr-un proces numit transcriere genetică.
Molecula rezultată poartă numele de transcript primar și este ulterior procesată, în funcție de gena care a fost transcrisă, pentru a deveni ARNm, ARNt sau ARNr.
Moleculele de ARN au un rol central în exprimarea genelor. Inițial, aceste molecule au fost descrise ca intermediar în sinteza proteică; ulterior însă, s-a constatat că există multe clase de ARN ce în deplinesc roluri complexe în diverse etape ale exprimării genelor. Implicarea moleculelor de ARN în foarte multe funcții celulare și, în mod special în expresia genică, reprezintă unul din argumentele majore în sprijinul teoriei conform căreia, în fazele inițiale ale apariției și evoluției sistemelor biologice, ARN ar fi reprezentat componenta activă în menținerea și expresia informației genetice, și nu moleculele de ADN, care probabil au apărut mult mai târziu.
CAPITOLUL 3. BIOCHIMIE DINAMICĂ (METABOLISMUL)
3.1. Definiție, generalități
Conform DEX, metabolismul este reprezentat de totalitatea proceselor complexe de sinteză, de asimilare (cu înmagazinare de energie), de degradare și de dezasimilare (însoțită de eliberare de energie), pe care le suferă substanțele dintr-un organism viu.
Metabolismul bazal reprezintă cantitatea de calorii produse într-o oră, în condiții de repaus al organismului, raportată la un metru pătrat din suprafața corpului.
Altfel spus, metabolismul este suma tuturor reacțiilor enzimatice din celulă. Este o activitate orientată, coordonată superior, la care participă mai multe seturi de sisteme multienzimatice corelate (reacții chimice catalizate de enzime), asigurând schimbul de materie și energie între celulă și mediul său înconjurător. În aceste reacții enzimatice, produsul unei reacții devine substrat pentru următoarea reacție din secvență, produșii succesivi ai reacțiilor chimice fiind cunoscuți ca metaboliți.
3.2. Funcțiile metabolismului
1. Obținerea enegiei chimice din molecule combustibil.
2. Conversia substanțelor nutritive exogene în unități constituiente (precursori) ale componentelor macromoleculare.
3. Asamblarea acestor elemente în proteine, acizi nucleici, lipide și alte componente celulare.
4. Formarea și degradarea biomoleculelor necesare diferitelor funcții celulare specializate.
3.3. Direcțiile de acțiune a metabolismului
Metabolismul are două sensuri, două direcții de acțiune a reacțiilor chimice:
Catabolismul – reprezentat de degradarea constituienților celulari la compuși simpli, rezultând energie (reacții exoterme).
Anabolismul – reprezentat de edificare și refacere a constituienților celulari din compuși simpli, consumând energie (reacții endoterme).
Energia necesară proceselor de biosinteză provine, în cea mai mare parte, din desfacerea legăturilor macroergice ale diferiților compuși (ATP).
În funcție de capacitatea de producere a energiei, organismele se împart în:
autotrofe: organisme care își sintetizează substanțele organice necesare, prin procesul de fotosinteză și chemosinteză.
heterotrofe: organisme care își asigură hrana folosind diferite substanțe în descompunere (saprofite) sau parazitând alte organisme vii (parazite).
Catabolismul și anabolismul se desfășoară printr-o succesiune de numeroase reacții chimice: hidroliză, hidrogenare, deshidratare, decarboxilare, dezaminare, transaminare, esterificare, condensare, polimerizare.
3.3.1. Reacția de hidroliză
Hidroliza este procesul de desfacere a unei legături chimice prin combinare cu apa (H2O). Aceasta se realizează prin scindarea moleculei de apă în hidrogen și hidroxil (-OH). Reacția inversă a hirolizei este reacția de condensare când se acceptă ionul de hidroxil cu formare de apă.
În acest fel sunt desfăcute în biologie prin procesele metabolice cu ajutorul enzimelor moleculele mari de proteine, polizaharahide sau lipide în molecule mai mici monomere. Sursa de energie necesară reacției o asigură ATP-ul (acidul adenozintrifosforic).
3.3.2. Reacția de hidrogenare
Hidrogenarea este o reacție de adiție a hidrogenului rupând legăturile duble C=C din grăsimi.
3.3.3. Reacția de decarboxilare
Decarboxilarea este o reacție chimică prin care un produs care conține o grupare carboxil este degradat la CO2 și un metabolit intermediar.
Prin acest proces se formează aminele corespunzătoare: din histidină se formează histamină și heparină; din triptofan serotonină, din fenilalanină adrenalină și noradrelanină. Tot prin decarboxilare se formează și amine toxice (cadaverină, putresceină).
3.3.4. Reacția de dezaminare
Dezaminarea este o reacție chimică prin care este eliminată dintr-un produs gruparea aminică.
Dezaminarea are loc în mediu cu pH neutru sau slab alcalin, cu formare de NH3 și acizi grași nesaturați, acizi grași saturați sau hidroxiacizi; are loc întotdeauna cu formare de NH3, care poate fi folosit în procesele biosintetice ca sursă de azot. Surplusul se elimină în mediu.
Cantitatea de NH3 care se formează depinde de raportul dintre cantitatea de hidrați de carbon și de substanțe azotoase. Când cantitatea de substanțe azotoase este mare, se produce acumularea de amoniac.
Dezaminarea poate avea loc în condiții oxidative-aerobioză sau în condiții reductive-anaerobioză.
Astfel, în aerobioză poate avea loc o dezaminare oxidativă sau hidrolitică cu formare de acizi organici nesaturați, cetoacizi, hidroxiacizi și NH3. Aceasta este realizată de bacteriile aerobe și mucegaiuri.
Dezaminarea oxidativă are loc cu formare de NH3 și cetoacizi, care pot fi ulterior complet oxidați și transformați în CO2 și apă. Prin acest proces poate avea loc și dezaminarea aminoacizilor dicarboxilici. Procesul poate avea loc cu și fără participarea oxigenului molecular.
Dezaminarea hidrolitică are loc cu formare de hidroxiacizi în prezența apei.
3.3.5. Reacția de transaminare
Transaminarea este o reacție chimică în cadrul metabolismului, constând în transferul reversibil al grupului amino către diverși aminoacizi. Altfel spus, transaminarea constă în procesul de transfer al grupării amino de pe un aminoacid pe un cetoacid. La acest proces pot participa mai mult de jumătate din aminoacizii prezenți în fondul metabolic al organismului: acid glutamic, acid aspartic, alanină, arginină, lisină, triptofan, tirosină, fenilalanină, valină, leucină, cisteină. Transaminarea asigură sinteza continuă de aminoacizi și cetoacizi corespunzători, reacțiile fiind reversibile.
3.3.6. Reacția de esterificare
Prin esterificare se în țelege totalitatea proceselor de obținere a esterilor.
Esterii sunt derivați funcționali ai acizilor carboxilici, în care hidrogenul acid din gruparea –OH este înlocuit cu un rest organic.
Modul cel mai uzual de obținere a esterilor este prin reacția de esterificare directă a unui acid carboxilic cu un alcool, cu eliminare de apă.
Reacția de esterificare și de saponificare (reacția inversă) sunt reacții de echilibru, catalizate printre altele de protoni:
3.3.7. Reacția de condensare
Reacțiile de condensare sunt reprezentate de unirea moleculelor de compuși carbonilici prin gruparea metilenică din poziția α (condensare metilenică) sau prin eliminarea unei molecule de apă (condensare carbonilică) => aldoli, respectiv aldehide/cetone nesaturate.
3.3.8. Reacția de polimerizare
Polimerizarea este procesul prin care mai multe molecule identice nesaturate se unesc formând o macromoleculă. În reacțiile de polimerizare “n” molecule de substanță “M” se unesc formând macromoleculele care au aceeași compoziție cantitativă cu a substanței care polimerizează, însă produsul rezultat are proprietăți complet diferite.
3.3.8. Reacțiile catabolice
Reacțiile catabolice generează energie. Ele se desfășoară în două faze succesive.
Într-o primă fază are loc metabolizarea incompletă, pe căi specifice, a substanțelor nutritive, până la stadiul de acetil coenzimă A și acid oxaloacetic, produși intermediari comuni glucidelor, lipidelor și proteinelor. În această fază se eliberează o cantitate redusă de energie.
În faza a doua are loc metabolizarea completă a produșilor intermediari.
Această fază este comună tuturor substanțelor nutritive. Ea constă în reacții de oxido-reducere prin care se eliberează peste 90% din energia chimică a moleculelor. O parte din aceste reacții se desfășoară ciclic, în cadrul ciclului citric sau ciclul lui Krebbs, iar o altă parte are loc la nivelul lanțului sau catenei respiratorii celulare.
Toate aceste reacții constă, în esență, din „arderea ”alimentelor în prezența oxigenului. În organism, energia se eliberează treptat, în etape succesive, și nu se transformă toată în căldură, ci o parte se depozitează. Ciclul Krebbs și catena respiratorie au sediul în mitocondrii, unde se desfășoară respirația celulară.
3.3.9. Reacțiile anabolice
Acest tip de reacții necesită energie și din această cauză ele se desfășoară cuplat, împreună cu cele catabolice.
Energia chimică nu poate fi utilizată direct: mai întâi, ea este înmagazinată sub formă de compuși macroergici, al căror reprezentant principal este acidul adenozintrifosforic (ATP). Depozitarea energiei sub formă de legături fosfatmacroergice reprezintă 40% din energia chimică eliberată în procesele de oxidare metabolică. Restul se “pierde” sub formă de căldură. Totalitatea schimburilor energetice organism – mediu reprezintă metabolismul energetic.
Glicogeneza – transformarea glicogenului în glucoză prin procesul de hidroliză. Atunci când nivelul de glucoză din sânge este ridicat, celulele hepatice și musculare în special, activează glicogeneza, determinând depozitarea materialului energetic în depozite de glicogen care vor fi degradate la glucoza în caz de nevoie.
Gliconeogeneza – formarea glucozei din proteine și grăsimi. Atunci când nivelul glicemiei este scăzut și s-au consumat rezervele de glicogen, se activează calea gliconeogenezei care va sintetiza glucoza din proteine și grăsimi.
Sinteza porfirinelor. Porfirinele sunt un grup de compuși definiți prin structura lor chimică, fiind o parte integrantă a anumitor proteine care se găsesc în organism, precum hemoglobina, mioglobulina și enzime specifice, care determină creșterea și mineralizarea oaselor sau creșterea masei musculare.
3.4. Tipuri de metabolism
3.4.1. Metabolismul aminoacizilor
3.4.1.1. Căi comune de degradare a aminoacizilor
Aminoacizii sintetizați în celulele vii sunt folosiți pentru biosinteza de proteine specifice organismelor respective, de enzime și de hormoni de natură polipeptidică și proteică sau pot fi metabolizați cu formarea unor compuși intermediari utilizați la rândul lor în sinteza bazelor azotate sau a altor compuși. Ei pot suferi de asemenea o degradare oxidativă completă și în acest caz servesc ca sursă energetică. O serie de reacții de degradare sunt comune tuturor aminoacizilor, iar restul hidrocarbonat se degradează apoi pe căi diferite, specifice fiecărui aminoacid.
Spre deosebire de alte biomolecule, aminoacizii prezintă căi de degradare mult mai numeroase și mai complexe, existând totuși o serie de căi comune, întâlnite la toți sau la marea majoritate a aminoacizilor proteinogeni. Principalele căi comune de degradare a aminoacizilor, întâlnite atât la plante și animale cât și la microorganisme, sunt dezaminarea, decarboxilarea și transaminarea, iar pentru unii dintre ei transmetilarea și transamidinarea.
3.4.1.1.1. Dezaminarea aminoacizilor
Procesul de dezaminare reprezintă procesul de eliminare a grupării aminice sub formă de amoniac cu formarea acizilor corespunzători, adică a α-cetoacizilor, α-hidroxiacizilor, acizilor carboxilici saturați și nesaturați etc. Produșii rezultați în urma dezaminării aminoacizilor sunt apoi metabolizați în celulă, fiind utilizați, fie în procese de biosinteză a altor constituenți celulari, fie degradați în scopul formării energiei necesare întreținerii proceselor biochimice în funcție de natura enzimelor ce catalizează aceste procese și de structura chimică a produșilor formați, dezaminarea aminoacizilor poate fi reductivă, hidrolitică, oxidativă sau desaturantă.
a) Dezaminarea reductivă are loc atunci când aminoacidul este transformat în acidul carboxilic corespunzător cu eliberare de amoniac, donorul hidrogenului necesar reducerii fiind
NADH-ul. Aminoacizii se dezaminează reductiv sub acțiunea aminoacid-reductazelor specifice NADH-dependente:
b) Dezaminarea hidrolitică realizează înlăturarea azotului aminic sub formă de amoniac cu formarea α-hidroxiacidului corespunzător:
c) Dezaminarea oxidativă a aminoacizilor constă în eliminarea azotului aminic sub formă de amoniac cu formarea α-cetoacidului corespunzător, sub acțiunea aminoacid-oxidazelor specifice:
La animalele superioare și în organismul uman predomină dezaminarea aminoacizilor pe cale oxidativă. Acest lucru a fost demonstrat prin cercetările efectuate de Krebs, Green și alții care au stabilit că în aceste organisme (în special în ficat, rinichi, creier etc.), dar și în plantele superioare, unele bacterii, veninul de șarpe etc., se întâlnesc aminoacid-oxidazele ce catalizează dezaminarea oxidativă atât a L-aminoacizilor cât și a D-aminoacizilor. Enzimele ce acționează asupra aminoacizilor din seria L se mai numesc și aminoacid-dehidrogenaze-dezaminante și sunt NAD+ sau NADP+ – dependente. Ele sunt incluse în subclasa E.C.–1.4. care cuprinde dehidrogenazele aminoacizilor și aminooxidazele. Împărțirea în subsubclase se face în funcție de natura acceptorului: NAD+ pentru E.C.–1.4.1., NADP+ pentru E.C.–1.4.2., oxigenul pentru E.C.–1.4.3., diferiți compuși disulfidici pentru E.C.–1.4.4. etc. în organismele animale este foarte activă glutamat-dehidrogenaza pentru care acceptorul echivalenților reducători este NAD+-ul:
Reacția de dezaminare oxidativă decurge în două etape. În prima fază are loc un proces de dehidrogenare a aminoacidului cu formarea α-iminoacidului corespunzător. În această etapă acceptorul de hidrogen este FAD-ul în calitatea sa de coenzimă a aminoacid-oxidazei, dar care joacă în această reacție și rol de cosubstrat. În etapa a II-a are loc adiționarea elementelor apei cu formarea α-cetoacidului corespunzător și eliminarea amoniacului:
În numeroase organisme s-a pus în evidență faptul că în realitate există două categorii de flavoenzime ce catalizează acest proces, care se deosebesc între ele prin natura cofactorului.
Unele din ele sunt specifice L-aminoacizilor, poartă numele de L-aminoacid-oxidaze, au FMN-ul drept cofactor și sunt localizate în reticulul endoplasmatic:
Enzimele din cealaltă categorie sunt specifice D-aminoacizilor, se numesc D-aminoacidoxidaze, au drept cofactor FAD-ul și sunt localizate în microsomii hepatocitelor:
Flavin-nucleotidele reduse ale acestor oxidaze (FMNH2 și FADH2) reacționează direct cu oxigenul molecular cu formarea peroxidului de hidrogen care, la rândul său, este descompus de către catalază în apă și oxigen. Acest proces conjugat se realizează în peroxisomii hepatocitelor.
d) Dezaminarea desaturantă este procesul prin care aminoacizii eliberează azotul aminic sub formă de amoniac cu formarea acizilor nesaturați corespunzători:
3.4.1.1.2. Decarboxilarea aminoacizilor
Procesul de eliminare a grupelor –COOH din moleculele aminoacizilor este catalizat de enzime specifice numite aminoacid-decarboxilaze care conțin în calitate de cofactor piridoxal-fosfatul. Prin decarboxilare, aminoacizii proteinogeni formează monoamine, diamine, γ- și δ-aminoacizi etc., în funcție de structura chimică a aminoacidului supus decarboxilării. Reacția generală de decarboxilare a aminoacizilor poate fi reprezentată astfel:
Aminoacizii diaminomonocarboxilici formează prin decarboxilare diaminele corespunzătoare. Astfel, prin decarboxilarea lizinei se formează cadaverina, iar ornitina trece în putresceină. Aceste diamine au un miros specific, iar procesul de decarboxilare este deosebit de intens în cadavre unde se realizează sub acțiunea decarboxilazelor din microflora de putrefacție.
Mirosul specific de cadavru este datorat diaminelor care se formează în cantități crescute:
Putresceina se mai formează și prin decarboxilarea argininei. În acest caz se formează mai întâi agmatina în calitate de compus intermediar, iar aceasta se descompune prin hidroliză în uree și putresceină:
Decarboxilarea lisinei, argininei și ornitinei se realizează și în vivo. Diaminele rezultate nu se acumulează însă, ci sunt utilizate de organism în calitate de precursori în biosinteza unor poliamine biologic active cum ar fi spermina și spermidina. Acestea se întâlnesc în cantități apreciabile în unele țesuturi (ficat, pancreas, plămâni etc.) și în unele microorganisme (Escherichia coli, Aspergillus nidulans etc.). Biosinteza poliaminelor mai utilizează în calitate de precursor, alături de diamine și propilamina. Aceasta din urmă se formează în organism sub formă de S-adenozil-metilmercapto-propilamină prin decarboxilarea S-adenozil-metioniei:
Restul propilamină din S-(3’-adenozil)-5’-metilmercapto-propilamină se condensează apoi cu o moleculă de putresceină cu formare de metiltioadenozină și spermidină:
Pentru biosinteza sperminei se repetă procesul de decarboxilare a S-adenozilmetioninei, iar restul propilamină din S-adenozilmetil-mercapto-propilamina formată se transferă pe o moleculă de spermidină:
Poliaminele joacă roluri diverse, încă incomplet elucidate, în organismele vii. Nu este
exclus ca ele să joace un rol de stabilizare a structurilor membranare și ribozomale, să îndeplinească un rol de factor de creștere pentru unele microorganisme etc. Ele mai joacă un rol important în reglarea biosintezei acizilor nucleici și proteinelor.
Alți aminoacizi formează prin decarboxilare unele amine biologic active sau care servesc drept precursori în biosinteza unor compuși biologic activi. Astfel, fenilalanina și tirozina formează prin decarboxilare feniletilamina și respectiv tiramina, iar histidina și acidul glutamic formează histamină și respectiv acidul γ-aminobutiric (GABA):
Majoritatea aminelor biogene îndeplinesc funcții biochimice și fiziologice bine determinate în organismele vii. Unele dintre ele se utilizează în practica medicală datorită acțiunii lor farmacodinamice deosebite. Tiramina formată prin decarboxilarea tirozinei este o substanță biologic activă ce manifestă o acțiune vasoconstrictoare, ca și triptamina rezultată prin decarboxilarea triptofanului. Tot din triptofan se formează și serotonina care participă la fenomenul de transmitere a fluxului nervos, la reglarea presiunii sanguine, a respirației, temperaturii corpului etc. Din histidină se formează histamina, o amină biogenă cu acțiune vasodilatatoare. Ea se formează în cantități mari în zonele inflamate și este implicată în transmiterea senzației dureroase.
Un neurotransmițător cu rol de inhibiție în sistemul nervos central este acidul γ-aminobutiric (GABA) care rezultă prin decarboxilarea acidului glutamic. Tioetanolamina formată prin decarboxilarea cisteinei intră în structura coenzimei A. De asemenea, ea este utilizată în practica medicală în tratamentul bolii de iradiere. Cadaverina, putresceina și poliaminele (spermina și spermidina) interacționează în mod specific cu catenele polinucleotidice influențând conformația spațială a acizilor nucleici.
Triptofan-decarboxilaza nu prezintă o specificitate strictă de substrat. S-a demonstrat că această enzimă catalizează atât decarboxilarea triptofanului cu formare de triptamină, cât și a unor derivați ai acestuia cum ar fi 5-hidroxitriptofanul (când se formează serotonina) și 3,4-dihidroxifenilalanina (DOPA) cu formare de DOP-amină. Aceste reacții prezintă o importanță biochimică și fiziologică deosebită. Astfel, serotonina rezultată prin decarboxilarea hidroxitriptofanului este un intermediar în calea de biosinteză a melatoninei în pinealocite, iar DOP-amina este un hormon din clasa catecolaminelor și servește în același timp drept precursor în biosinteza noradrenalinei și adrenalinei:
Melatonina este sintetizată în pinealocite prin utilizarea serotoninei în calitate de precursor.
Principala sa funcție biologică o constituie inhibarea activității gonadale la mamifere:
Prin decarboxilarea cisteinei sub acțiunea cistein-decarboxilazei se formează cisteamina (tioetanolamina) care reprezintă grupa funcțională a coenzimei A:
Deoarece aminele rezultate prin decarboxilarea aminoacizilor manifestă o acțiune fiziologică importantă, ele au primit numele de amine biogene. Unele dintre ele prezintă importante proprietăți farmacodinamice (în special histamina și tiramina).
Alte amine biogene îndeplinesc un important rol de precursori în biosinteza unor hormoni derivați de la aminoacizi (triptamina, serotonina, DOP-amina etc.), iar la unele plante mulți alcaloizi se sintetizează prin utilizarea în calitate de precursori a aminelor biogene.
Multe amine biogene sunt deosebit de toxice pentru organismul uman și animal, din care cauză, excesul lor în organism poate fi letal. O cantitate relativ crescută de amine biogene se poate forma prin alterarea alimentelor de origine animală bogate în proteine, sub acțiunea decarboxilazelor microorganismelor. Acest fenomen explică toxiinfecțiile alimentare cauzate de consumul de preparate din carne alterată, mai ales cele din ficat și pește care sunt alimentele cele mai ușor alterabile.
La consumuri exagerate de proteine de origine animală, procesul de decarboxilare a aminoacizilor este deosebit de intens datorită necesității degradării rapide a excesului de aminoacizi. Aminele biogene formate în acest caz sub acțiunea decarboxilazelor endogene pot determina apariția gutei.
Formarea aminelor biogene toxice poate avea loc și în organismele vegetale. în anumite condiții nefavorabile de dezvoltare, în țesuturile plantelor se acumulează cantități mari de amine biogene care provoacă intoxicații. De exemplu, insuficiența potasiului în sol determină intensificarea formării putresceinei care influențează nefavorabil frunzele.
În condițiile unui metabolism echilibrat, organismele vii au capacitatea de a metaboliza în continuare aminele biogene toxice prin oxidarea lor sub acțiunea unor enzime specifice. De exemplu, monoaminoxidazele (MAO) catalizează dezaminarea oxidativă a monoaminelor cu formarea aldehidelor corespunzătoare, amoniacului și apei oxigenate:
Aceste reacții sunt cuplate de regulă cu acțiunea catalazei sau peroxidazei deoarece unul din produșii de reacție (H2O2) este, de asemenea, toxic pentru celula vie.
Oxidarea diaminelor are loc sub acțiunea diaminoxidazelor specifice (DAO) și conduce la formarea amino-aldehidelor corespunzătoare, amoniacului și apei oxigenate:
Aldehidele rezultate se pot oxida în continuare cu formarea acizilor corespunzători. Datorită acțiunii lor de degradare a aminelor biogene toxice, monoaminoxidazele și diaminoxidazele îndeplinesc în organismul viu o funcție extrem de importantă și anume cea de detoxifiere, aceste enzime fiind la fel de răspandite ca și decarboxilazele aminoacizilor deoarece acțiunea lor este conjugată.
Decarboxilarea aminoacizilor poate conduce și la formarea altor compuși. Astfel, prin
decarboxilarea acidului glutamic sub acțiunea glutamat-decarboxilazei se formează acidul γ-
aminobutiric (GABA) care este un important mediator al inhibiției în sistemul nervos central. în mod similar, aspartat-decarboxilaza catalizează conversia acidului aspartic în β-alanină, aceasta fiind o componentă a coenzimei A și a altor substanțe biologic active:
Prin decarboxilarea serinei sub acțiunea serin-decarboxilazei se formează etanolamina ce poate juca rol de precursor în biosinteza fosfolipidelor (cefalinelor și lecitinelor) când esterifică acidul L-α-fostatidic, fie sub formă de etanolamină (colamină), fie sub formă de colină. Aceasta din urmă se formează din etanolamină prin metilare treptată, donorul de grupări metil fiind S-adenozilmetionina:
În afară de rolul de neurotransmițător, în organismele animale, acetilcolina mai este implicată în procesul de dilatare a vaselor sanguine cu diminuarea corespunzătoare a tensiunii arteriale. Ea mai determină totodată și peristaltismul intestinal. Colina se întâlnește atât în organismele vegetale, cât și în cele animale unde intră în structura fosforil-colinei, glicerol-fosforilcolinei,
fosfatidil-colinei (lecitinei), plasmalogenelor și sfingomielinei.
Un alt compus biologic activ, sintetizat în organismele animale prin utilizarea serinei în calitate de precursor, este carnitina (acidul 4-trimetil-3-hidroxi-butanoic):
Carnitina se întâlnește în toate țesuturile animale unde este implicată în metabolismul lipidelor sub forma derivaților de tip acil-carnitină. Mai exact, carnitina realizează transportul transmembranar al acizilor grași.
3.4.1.1.3. Transaminarea aminoacizilor
Reacția de transaminare a aminoacizilor are loc sub acțiunea catalitică a aminotransferazelor (transaminazelor) și constă în transferul grupei –NH2 de la un α-aminoacid la un α-cetoacid cu formarea unui nou aminoacid și a unui nou cetoacid.
Reacția de transaminare mai poate fi considerată ca un tip special de dezaminare a aminoacizilor, însă fără formare de amoniac:
Reacția de transaminare a fost pusă în evidență prima dată în 1938 de către Braunstein și Kritzman. Ulterior s-a demonstrat că ea este larg răspandită, atât în lumea vegetală cât și în cea animală. Din cei 22 aminoacizi proteinogeni, un număr de 11 suferă în mod obișnuit reacții de transaminare: alanina, fenilalanina, triptofanul, tirozina, valina, arginina, acidul aspartic, asparagina, izoleucina, cisteina și lisina. Aminotransferazele ce catalizează aceste reacții conțin în calitate de cofactor enzimatic piridoxal-fosfatul. Reacțiile de transaminare sunt reacții reversibile, iar în condiții normale constanta de echilibru are o valoare apropiată de unitate.
Aminotransferazele sunt localizate atât intramitocondrial, cât și în faza solubilă a citoplasmei celulelor eucariote, iar rolul este extrem de diferit.
Pe parcursul reacției de transaminare, piridoxal-5-fosfatul (PALP) trece reversibil în pirodixamin-5-fosfat (PAMP):
În lipsa substratului, gruparea aldehidică a piridoxal-fosfatului formează o legătură aldiminică cu grupa ε-amino a unui rest de lizină localizat în centrul activ al enzimei (cu care formează o bază Schiff). Aceasta este forma activă a aminotransferazelor ce poate lega aminoacidul care urmează a fi transaminat.
Reacția de transaminare este alcătuită din două procese complexe diferite. în prima etapă a transaminării, gruparea aminică a aminoacidului reactant (substratul S1) suferă o reacție de condensare cu grupa aldehidică a cofactorului enzimatic, deplasand grupa ε-amino a restului de lizină din centrul activ al enzimei:
Se formează o nouă bază Schiff între aminoacid și piridoxal-fosfat care este o aldimină și care rămane legată de apoenzimă prin legături slabe, necovalențe (ceea ce inseamnă că în acest caz cofactorul enzimatic este coenzimă). în etapa următoare are loc o izomerizare când legătura dublă iși schimbă poziția, aldimina trecând în cetimină. Aceasta din urmă, suferă apoi o reacție de hidroliză cu formarea α-cetoacidului și eliberarea cofactorului sub formă de piridoxamin-5-fosfat:
Cealaltă componentă a procesului de transaminare o constituie formarea noului aminoacid.
în urma acestor reacții are loc totodată și regenerarea enzimei, mai exact refacerea formei aldehidice a cofactorului enzimatic.
Această serie de transformări debutează prin interacțiunea complexului enzimatic (apoenzimă – piridoxamin-5-fosfat) cu α-cetoacidul reactant, care este acceptorul grupării aminice. Se formează complexul ES2 sub formă de cetimină, aceasta trece apoi prin izomerizare în aldimină și, în final acest complex suferă o reacție de hidroliză cu formarea α-aminoacidului și regenerarea enzimei active, adică a complexului apoenzimă – piridoxal-5-fosfat (PALP). Cu alte cuvinte, succesiunea reacțiilor ce au loc este inversă cu cea a componentei care realizează conversia aminoacidului în cetoacid:
Aminoacid-aminotransferazele sunt larg răspandite în țesuturile vegetale și animale, precum și în microorganisme, în prezent cunoscându-se peste 30 de aminotransferaze specifice. Unele dintre ele sunt mai intens studiate, datorită importanței lor practice. Printre acestea se numără alanin-aminotransferaza și respectiv aspartat-aminotransferaza, enzime ce catalizează următoarele reacții:
Determinarea activității acestor două enzime în serul sanguin se efectuează în mod curent în laboratoarele clinice pentru diagnosticul unor maladii ale ficatului și inimii. În general, aminotransferazele prezintă o înaltă specificitate față de ambele substrate, având însă o mai mare afinitate față de cetoacid decât față de aminoacid (KM cetoacid < KM aminoacid). Pentru metabolismul proteic, transaminarea aminoacizilor prezintă o importanță deosebită deoarece aceste reacții fac parte din căile de degradare a unor aminoacizi și, în același timp, de biosinteză a altora. Pe de altă parte, participarea α-cetoacizilor face ca aceste reacții să reprezinte puncte de întretăiere ale căilor metabolismului proteic, glucidic și lipidic. În urma acestor reacții, alături de cetoacid, se formează acidul glutamic care, la rândul său se poate dezamina oxidativ sau poate intra în alte căi de degradare sau biosinteză. Fiind reversibilă, reacția de transaminare servește la biosinteza aminoacizilor neesențiali prin utilizarea în calitate de precursori a acidului glutamic și a α-cetoacizilor corespunzători. Reacțiile de transaminare mai fac parte din unele secvențe metabolice cum ar fi cele de biosinteză a ureei, acidului γ-aminobutiric etc.
3.4.1.1.4. Transamidinarea și transmetilarea aminoacizilor
Spre deosebire de decarboxilare, dezaminare și transaminare care se întâlnesc la toți aminoacizii, reacțiile de transamidinare și transmetilare sunt procese enzimatice pe care le suferă doar unii aminoacizi, în urma lor formându-se o serie de compuși cum ar fi creatina, carnitina, ornitina, canavalina, canavanina și altele. Enzimele ce catalizează aceste reacții se numesc transamidinaze și respectiv transmetilaze (sau metiltransferaze). Enzimele din prima categorie au fost evidențiate în rinichi, ficat și pancreas, sunt înalt specifice și folosesc arginina în calitate de donor de grupări amidinice. Metiltransferazele se întâlnesc în majoritatea țesuturilor și utilizează S-adenozilmetionina în calitate de donor de radicali metil.
3.4.1.2. Ciclul ureogenetic
Amoniacul rezultat în urma proceselor de dezaminare a aminoacizilor, precum și din alte procese metabolice ale acestor biomolecule este un produs toxic pentru celula vie, chiar și în concentrații relativ mici. La mamifere, acest produs final de metabolism este convertit în uree, fiind apoi eliminat pe cale renală.
Primele observații asupra acestei căi metabolice au fost făcute de către Krebs, care a observat că ornitina, citrulina și arginina accelerează producerea de uree în prezența amoniacului, fără ca ele însele să se consume. Clarificarea completă însă a mecanismului prin care amoniacul este convertit in vivo în uree a fost realizată mult mai tarziu.
Această cale metabolică debutează prin mobilizarea amoniacului sub acțiunea carbamilfosfat-sintetazei care, în prezență de ATP ca sursă de energie și radicali ortofosfat, catalizează reacția de condensare a amoniacului cu dioxidul de carbon cu formare de carbamilfosfat:
În hepatocite au fost descoperite două enzime ce catalizează acest proces și anume carbamilfosfat-sintetaza I, localizată în mitocondriile celulelor hepatice, și carbamilfosfatsintetaza II, prezentă în citoplasmă. Reacția de formare a carbamil-fosfatului este accelerată de N-acetil-glutamat sau de alți derivați acil-glutamici identificați în țesutul hepatic. Mecanismul de participare a N-acetil-glutamatului este deocamdată incomplet elucidat. Se pare că el acționează asupra enzimei ca un modulator alosteric. Viteza de formare a carbamil-fosfatului se află sub controlul argininei care inhibă printr-un mecanism de tip feed back viteza de formare a N-acetilglutamatului care, la rândul său, stimulează biosinteza carbamil-fosfatului. Carbamilfosfat-sintetaza II, prezentă în citosol, a fost identificată și la bacterii unde catalizează reacția de biosinteză a carbamil-fosfatului prin utilizarea glutaminei în calitate de donor de grupări aminice:
La bacterii, formarea carbamil-fosfatului are loc în absența N-acetil-glutamatului, iar consumul de energie este mult mai mic, fiind necesară o singură moleculă de ATP.
În etapa următoare a procesului acționează enzima numită ornitin-transcarbamilază ce catalizează reacția de condensare a carbamil-fosfatului cu ornitină, cu formare de citrulină:
În prezența arginino-succinat-sintetazei, a ATP-ului și a ionilor de magneziu, citrulina astfel formată dă o reacție de condensare cu acidul aspartic generând acidul arginino-succinic:
Reacția de mai sus este, în principiu, reversibilă însă, în condiții fiziologic normale, pirofosfatul rezultat este hidrolizat rapid sub acțiunea pirofosfațăzei, ceea ce face ca echilibrul reacției să se deplaseze spre dreapta. În etapa următoare acționează arginino-succinat liaza, care scindează acidul arginino-succinic cu formare de arginină și acid fumaric:
Arginino-succinat liaza este o enzimă larg răspandită în organismul mamiferelor, fiind prezentă preponderent în ficat, rinichi și creier, iar reacția catalizată de ea are lor în citosol, spre deosebire de reacțiile precedente care se realizează în mitocondrii.
Ultima etapă a ciclului ureogenetic constă în scindarea argininei în ornitină și uree, proces ce are loc exclusiv în ficat. Acest lucru este argumentat de faptul că enzima ce catalizează această reacție – arginaza – este localizată exclusiv în hepatocite. Molecula sa este alcătuită din două subunități identice legate între ele prin intermediul ionilor de Mg2+ și are o masă moleculară de 120.000 Da. Scindarea argininei se face pe cale hidrolitică, iar ornitina rezultată poate relua un nou ciclu de transformare a carbamil-fosfatului. Această cale metabolică este cunoscută sub numele de ciclu ureogenetic sau ciclul Krebs – Henseleit:
Ureea formată în această cale metabolică este transportată pe cale sanguină la rinichi, fiind eliminată apoi prin urină. Pentru fiecare moleculă de uree formată se consumă o moleculă de dioxid de carbon și o moleculă de amoniac, care reprezintă precursorii atomului de carbon și respectiv a unuia din atomii de azot ai ureei. Celălalt atom de azot este cedat de acidul aspartic care, la rândul său, este regenerat continuu în cursul proceselor de transaminare ce au loc între glutamat și oxaloacetat.
3.4.2. Biosinteza proteinelor
În toate organismele vii, biosinteza proteinelor reprezintă principalul proces prin intermediul căruia se asigură expresia informației genetice codificată în succesiunea bazelor azotate din moleculele de ADN într-un tip de metabolism, specific fiecărei specii de viețuitoare în parte.
Principala caracteristică a procesului de biosinteză a proteinelor constă în exactitatea sa deosebită. Structura proteinelor este programată genetic și se conservă din generație în generație, moleculele proteice sintetizându-se de mai multe ori în același organism, fără abateri esențiale de la succesiunea dată a aminoacizilor. Această exactitate deosebită este asigurată de către mecanismele moleculare ce stau la baza căilor de biosinteză proteică.
3.4.2.1. Codul genetic
Plecând de la faptul că în moleculele de ADN există patru tipuri de baze azotate, iar în
structura proteinelor intră de regulă 20 de aminoacizi; prin calcul matematic se constată că secvența nucleotidică suficientă pentru codificarea unui aminoacid este reprezentată de o combinare de trei nucleotide adiacente, aceasta primind numele de tripletă sau codon. Din cele patru nucleotide se pot forma C43 = 64 de triplete diferite, fapt ce oferă posibilitatea codificării tuturor celor 20 de aminoacizi proteinogeni. Raportul numeric nucleotide/aminoacizi = 3/1 a fost determinat și pe cale experimentală. Decodificarea codului genetic, adică stabilirea compoziției nucleotidice concrete și a succesiunii tripletelor pentru toți cei 20 de aminoacizi proteinogeni a fost elucidată relativ recent. Deoarece în procesul de biosinteză a proteinelor se decodifică informația conținută în ARNm, codonii se reprezintă grafic de regulă sub forma tripletelor de ribonucleotide.
Aceeași informație, codificată insă sub forma tripletelor de deoxiribonucleotide, este conținută și în catena de ADN care a servit drept matriță la biosinteza ARNm. Din cei 64 codoni posibili, numai trei dau semnalul de terminare a translației și anume tripletele UAA, UAG și UGA, ele fiind denumite codoni terminatori sau codoni nonsens. Alți doi codoni (AUG și GUG) marchează debutul biosintezei catenei polipeptidice, aceștia fiind denumiți codoni de inițiere sau codoni inițiatori. Deoarece pentru codificarea celor 20 de aminoacizi proteinogeni există 64 – 3 = 61 codoni, deci un număr triplu de posibilități, unii aminoacizi pot fi codificați de doi sau chiar mai mulți codoni, aceștia fiind cunoscuți sub numele de codoni sinonimi.
O altă caracteristică a codului genetic o constituie universalitatea sa. Aceasta înseamnă
că un anumit codon codifică același aminoacid la toate organismele vii.
O a treia caracteristică a codului genetic o constituie faptul că acesta este neacoperit și fără virgule. Aceasta înseamnă că tripletele succesive, vecine într-o genă nu se acoperă, adică nu au nucleotide comune. Deci, codonii reprezintă unități de sine stătătoare, nesuprapuse. Pe de altă parte, între sfarșitul unei triplete și începutul tripletei următoare nu există nucleotide izolate.
3.4.2.2. Biosinteza proteinelor
Procesul propriu-zis de biosinteză a proteinelor se realizează la nivelul ribozomilor în mai multe etape: activarea aminoacizilor, inițierea translației, translația propriu-zisă, terminarea translației și modificarea post-translațională a proteinelor.
3.4.2.2.1. Activarea aminoacizilor
Biosinteza proteinelor este, poate, cel mai complex proces biochimic ce are loc în vivo.
Prima etapă a acestui proces biosintetic este reprezentată de etapa de recunoaștere. În această etapă, fiecare aminoacid dizolvat în citosol recunoaște prin intermediul unei enzime specifice ARNt-ul său specific cu care formează un complex activ de tipul aminoacil-ARNt. Această recunoaștere este înalt specifică în sensul că fiecărui aminoacid proteinogen îi corespunde un anumit ARNt și se realizează datorită înaltei specificități de substrat a enzimei ce catalizează această reacție și care se numește aminoacil-ARNt-sintetază.
Formarea complexului aminoacil-ARNt debutează prin activarea aminoacidului cu ajutorul energiei din ATP, procesul având loc sub acțiunea acelorași aminoacil-ARNt-sintetaze:
Se formează deci complexul hiperreactiv dintre enzimă și două din cele trei substrate, adică aminoacidul și molecula de ATP. Acest complex interacționează apoi cu cel de-al treilea substrat, care este ARNt-ul specific aminoacidului activat:
Sub această formă, aminoacizii sunt apți de a intra în procesul propriu-zis de biosinteză a proteinelor.
3.4.2.2.2. Biosinteza propriu-zisă a proteinelor (translația)
Complecșii aminoacil–ARNt sintetizați în citoplasmă sunt transportați spre ribozomi, unde are loc procesul propriu-zis de biosinteză a catenelor polipeptidice ce vor alcătui viitoarele molecule proteice. Etapa ribozomală a biosintezei proteinelor poartă numele de translație deoarece acest proces constă în traducerea (sau translarea) informației genetice stocată în succesiunea mononucleotidelor ce formează ARNm, în succesiunea resturilor de aminoacizi din proteina nou sintetizată. Translația informației genetice din ARNm în structura primară a proteinelor se realizează la rândul ei în trei etape distincte:
– inițierea translației;
– elongarea sau translația propriu-zisă;
– terminarea translației.
Inițierea translației înseamnă recunoașterea punctului de start în ARNm. Pentru că inițierea translației să debuteze este nevoie ca aminoacizii dizolvați în citoplasmă să fie activați. Aceasta are loc sub acțiunea enzimelor numite aminoacil-ARNt-sintetaze. Acțiunea acestor enzime cere prezența ionilor de Mg2+, fiecare aminoacid are enzima sa specifică (există deci cel puțin 20 aminoacil-ARNt-sintetaze), iar energia necesară pentru procesul de activare a aminoacizilor este furnizată de ATP. Inițierea translației nu este intamplătoare. La nivelul ribozomului este transportat un anumit complex de aminoacid-ARNt pe baza recunoașterii dintre codonul din ARNm și anticodonul din ARNt. Codonul ce declanșează inițierea se numește codon de inițiere.
Etapa de elongare constă în clivarea ribozomului de-a lungul ARNm.
Sinteza unei polipeptide începe de la capătul N-terminal și se termină cu extremitatea C-terminală.
Creșterea polipeptidei cu un aminoacid se efectuează în trei stadii:
– legarea următorului aminoacil-ARNt;
– transpeptidarea (formarea legăturii peptidice sub acțiunea enzimei peptidil-transferază);
– translocația.
Acest proces complex se repetă ciclic până când întreaga informație conținută de ARNm este tradusă în secvența aminoacidică a proteinei codificate.
Încheierea (terminarea) translației se produce atunci când ribozomul ajunge în dreptul așa numitului codon non-sens (UAG, UGA, UAA), care nu codifică nici un aminoacid.
Multe catene polipeptidice eliberate de pe ribozom suferă modificări ulterioare care au drept rezultat structura spațială finală a proteinelor ce determină activitatea lor biologică.
3.4.3. Metabolismul glucidelor
3.4.3.1. Glicoliza anaerobă a glucidelor (secvența Embden – Meyerhoff – Parnas)
Funcția principală a glucozei în organism este aceea de a servi drept sursă de energie metabolică. Eliberarea energiei încorporate în molecula de glucoză se realizează fie parțial, prin degradarea sa la piruvat, fie total, prin oxidare la dioxid de carbon.
Oxidarea glucozei până la piruvat presupune parcurgerea glicolizei – cale metabolică elucidată de către Embden, Meyerhoff și Parnas. Piruvatul rezultat în glicoliză este oxidat în continuare până la dioxid de carbon prin antrenarea sa în ciclul Krebs, în condițiile în care țesuturile dispun de oxigen sau este redus la lactat, în condițiile în care aportul de oxigen este
scăzut.
În ficat și alte țesuturi, glicoliza reprezintă și modalitatea metabolică de transformare a glucozei, oferită în cantități mari postprandial, în lipide de rezervă, respectiv trigliceride, formă ideală de depozitare a energiei la care se va face apel în condițiile în care concentrația glucozei în sânge este redusă. Glicoliza furnizează atât componenta glicerol a trigliceridelor cât și elementul de construcție a acizilor grași care este acetil – CoA. De menționat faptul că ficatul utilizează componenta glicerol (ca glicerofosfat) și în vederea obținerii fosfolipidelor, iar componenta acetil–CoA și în scopul sintezei colesterolului. Acești compuși de natură lipidică vor fi exportați țesuturilor extrahepatice, cu precădere țesutului adipos, sub formă de lipoproteine.
Secvența glicolitică se desfășoară în citosol și presupune următoarele transformări catalizate enzimatic:
– conversia glucozo – 6 – fosfatului la fructozo – 6 – fosfat;
– fosforilarea fructozo – 6 – fosfatului;
– scindarea fructozo – 1,6 – difosfatului;
– oxidarea fosforilantă a gliceraldehid – 3 – fosfatului;
– transformarea 3 – fosfogliceratului în piruvat;
– obținerea acidului L – lactic.
Însumând toate transformările ce au loc se obține următoarea reacție globală pentru
glicoliză: C6H12O6 + 2ATP + 2H3PO4 + 2ADP → 2acid lactic + 4ATP
Aceasta înseamnă că randamentul energetic al degradării glucozei pană la acid lactic este de 2 moli ATP.
Schema generală a glicolizei anaerobe (cuplată cu gluconeogeneza)
3.4.3.2. Fermentația glucidelor de către microorganisme
Prin fermentație se înțelege procesul complex de degradare anaerobă a glucidelor de către microorganisme în scopul obținerii energiei necesare proceselor lor fiziologice.
În funcție de natura produsului final care predomină cantitativ în mediul de fermentație și care caracterizează procesul, există mai multe tipuri de fermentație:
– alcoolică, rezultă etanol;
– lactică, rezultă acid lactic;
– acetică, rezultă acid acetic;
– citrică, rezultă acid citric etc.
Fermentația alcoolică este realizată de drojdii și unele bacterii care metabolizează glucoza cu formare de alcool etilic și CO2.
Materia primă este reprezentată de glucoza liberă din sucurile de fructe, glucoza obținută din maltoză și zaharoză sau din amidon, ultimul fiind supus mai întâi zaharificării cu ajutorul amilazelor. Deoarece levurile nu conțin amilaze, mediul de fermentație se suplimentează cu malț (orz încolțit) sau preparate amilazice izolate din ciuperci. Maltoza formată din amidon sub acțiunea amilazelor este scindată apoi în glucoză de către maltaza din levuri. Fermentația alcoolică decurge după un mecanism care este identic până la etapa de formare a acidului piruvic inclusiv, cu secvența reacțiilor din glicoliză.
Spre deosebire de glicoliză, acidul piruvic în fermentația alcoolică este supus decarboxilării ireversibile în acetaldehidă, sub acțiunea piruvatdecarboxilazei care are drept coenzimă TPP.
În etapa finală alcooldehidrogenaza reduce cu ajutorul NADH acetaldehida în alcool etilic.
3.4.3.3. Decarboxilarea oxidativă a acidului piruvic
În majoritatea celulelor vegetale și animale, precum și la unele microorganisme, acidul piruvic se degradează prin decarboxilare oxidativă cu formare de acetil – CoA. Acest proces este catalizat de un complex multienzimatic numit piruvatdehidrogenază, format din trei enzime și cinci coenzime: piruvatdehidrogenaza, dihidrolipoiltransacetilaza, dihidrolipoildehidrogenaza și respectiv tiaminpirofosfatul, Acidul lipoic, coenzima A, nicotinamidadenindinucleotidul (NAD) și flavinadenindinucleotidul (FAD).
Schema generală a structurii piruvatdehidrogenazei și a decarboxilării oxidative a acidului piruvic
3.4.3.4. Ciclul Krebs (ciclul acizilor tricarboxilici, ciclul acidului citric)
Ciclul acizilor tricarboxilici reprezintă o succesiune de reacții prin parcurgerea căreia fragmentul acetil – CoA este oxidat pană la dioxid de carbon. Etapele ciclului au fost postulate și demonstrate ulterior de către Hans Krebs care, cu cațiva ani înainte, elucidase etapele procesului de ureogeneză.
Cele două molecule de dioxid de carbon care se formează la fiecare tur al ciclului rezultă prin scindarea restului acetil din acetil – CoA.
Funcționarea conținuă a ciclului Krebs este condiționată de reoxidarea celor trei molecule de NADH și FADH2 în lanțul respirator, cu producerea de ATP. La nivelul mitocondriilor, pentru fiecare moleculă de NADH se formează trei molecule de ATP, iar un mol de FADH2 generează doi moli de ATP. Ciclul acizilor tricarboxilici este strict aerob, în timp ce glicoliza se poate desfășura atât în condiții aerobe cât și anaerobe. Bilanțul energetic al ciclului Krebs arată că prin degradarea restului acetil pe această cale se formează 12 moli de ATP.
Schema generală a ciclului acizilor tricarboxilici (ciclul Krebs)
3.4.3.4.1. Catena respiratorie
Oxidarea substanțelor organice în celula vie se realizează prin dehidrogenare. Procesul de respirație este catalizat de o serie de oxidoreductaze (dehidrogenaze nicotinamiddinucleotidice, dehidrogenaze flavinice și citocromi – proteine transportoare de electroni. Totalitatea acestor enzime formează așa numita catenă respiratorie care are structură de tip cascadă ce permite eliberarea treptată a energiei libere. Această energie liberă se acumulează parțial în legăturile chimice macroergice ale ATP. Transferul protonilor și electronilor prin catena respiratorie spre O2 are loc cu o scădere mare a energiei libere, care parțial se pierde sub formă de căldură, parțial se acumulează în legăturile chimice macroergice ale ATP. Sinteza ATP din ADP și acid fosforic cu ajutorul energiei procesului de oxidare biologică se numește fosforilare oxidativă.
3.4.4. Metabolismul lipidelor
Lipidele se disting prin eterogenitate structurală și funcțională, ceea ce determină o mare diversitate de căi metabolice de degradare și biosinteză.
3.4.4.1. Metabolismul triacilglicerolilor
A. Biosinteza triacilglicerolilor
Acest proces biosintetic poate utiliza în calitate de precursori glicerolul și acizii grași preexistenți, adică rezultați în urma hidrolizei lipidelor sau se poate realiza de novo prin utilizarea unor produși intermediari ai metabolismului glucidic.
Atunci când acizii grași rezultați prin hidroliza lipidelor sunt insuficienți, ei se sintetizează prin utilizarea în calitate de precursori a acetil – CoA. Calea de biosinteză a triacilglicerolilor poate fi redată schematic astfel:
B. Catabolismul triacilglicerolilor
Triacilglicerolii (trigliceridele) ca formă de depozitare a excesului caloric al organismului se găsesc în cantități apreciabile în țesutul adipos. Un adult normal (bărbat de 40 de ani și 70 de kg) cuprinde 15 kg țesut adipos (135 kilocalorii). Energia potențială a acilglicerolilor este în catenele bogate în hidrogen ale resturilor acil. În țesuturi, catabolismul triacilglicerolilor are loc în etape, până la formarea de glicerol și acizi grași corespunzători care se absorb la nivelul peretelui intestinal. Procesul este catalizat de către lipază, enzimă întalnită atât la plante, microorganisme cât și în țesuturile animale. La animale, lipidele sunt mai întâi emulsionate sub acțiunea sărurilor biliare din bilă, ceea ce determină creșterea suprafeței de contact dintre cele două faze.
3.4.4.2. Metabolismul glicerolului
Glicerolul este component al gliceridelor și fosfogliceridelor. Liber se formează prin hidroliza tisulară a trigliceridelor. Pentru ca glicerolul să reintre în fluxul metabolic, el este mai întâi fosforilat la glicerol – fosfat sub acțiunea glicerol kinazei:
Această enzimă este foarte activă în ficat, dar este practic absentă în adipocite. Glicerolul format în țesutul adipos difuzează în plasmă de unde este captat de ficat care îl utilizează după
conversie în glicerol – fosfat.
Glicerol–fosfatul mai poate fi obținut din glucoză, mai exact din dihidroxiaceton – fosfat, intermediar al glicolizei anaerobe, prin reacția reversibilă:
După condițiile specifice fiecărui țesut, glicerol – fosfatul poate evalua pe următoarele căi metabolice:
– poate fi transformat în trigliceride sau fosfogliceride;
– după conversia sa într-un triozofosfat (dihidroxiaceton – fosfat și 3 – gliceraldehid – fosfatul) poate urma calea glicolitică degradativă și apoi oxidare completă la dioxid de carbon și apă; ca triozofosfat poate fi substratul gluconeogenetic.
3.4.4.3. Metabolismul acizilor grași
Degradarea acizilor grași se face pe mai multe căi. Cea mai importantă este β-oxidarea care reprezintă procesul de degradare completă cu formare de dioxid de carbon, apă și energie.
Această cale de degradare a fost postulată prima dată în 1904 de către Franz Knopp. Hrănind
animalele de experiență cu fenil–derivați ai acizilor carboxilici cu până la cinci atomi de carbon în moleculă, autorul studiază metabolismul acestor substanțe urmărind produșii ce apar în urină. El constată că derivații cu număr impar de atomi de carbon au fost oxidați la acid benzoic, iar cei cu număr par de atomi de carbon dau acid fenil–acetic.
Din aceste experimente Knopp trage concluzia că degradarea acizilor grași are loc cu desprinderea treptată a unor fragmente cu doi atomi de carbon. Mecanismul β-oxidării a fost clarificat cu aproape jumătate de secol mai târziu când Lynen reușește să izoleze din drojdii acetil–CoA. El conchide că degradarea acizilor grași prin β-oxidare se realizează prin clivarea unor fragmente cu doi atomi de carbon sub formă de acetil – CoA.
Procesul β-oxidării acizilor grași se realizează în mai multe etape. Prima etapă o reprezintă activarea acizilor grași prin formarea unor complecși cu CoA. Reacția de activare este catalizată de enzime specifice numite tiokinaze sau acil–CoA–sintetaze. La rândul ei, etapa de activare cuprinde două faze: mai întâi acidul gras interacționează cu ATP–ul formând un produs intermediar–acil-adenilatul. După etapa de activare, complecșii acil–CoA astfel formați pătrund în mitocondrii unde se realizează degradarea propriu-zisă. Transformările ce urmează sunt ciclice, la fiecare ciclu desprinzându-se câte doi atomi de carbon sub formă de acetil–CoA, iar noul acil–CoA, mai scurt deci cu doi atomi de carbon, reia un nou ciclu de transformări:
3.5. Metabolismul energetic
Conservarea structurilor și perfecționarea lor, refacerea uzurilor necesită multă energie pe care sistemele vii o preiau din mediul înconjurător, sub formă de legături chimice ale macromoleculelor, și o redau mediului sub formă de căldură.
Metabolismul energetic studiază geneza și utilizarea energiei chimice a substanțelor alimentare. Energia este eliberată la nivelul celulelor ( în special în mitocondrii) prin reacții de oxidare a lipidelor și glucidelor, uneori și a proteinelor. Această energie este înmagazinată mai întâi sub forma unor noi legături chimice, bogate în energie (legături fosfat macroergice de ATP și CP). Fiecare celulă folosește ATP ca sursă primară de energie, pentru îndeplinirea funcțiilor sale caracteristice. Celulele acționează ca adevărați transformatori ai energiei chimice a substanțelor în energie mecanică, electrică, calorică, osmotică.
3.5.1. Determinarea metabolismului energetic
Deoarece toate transformările energetice din orice sistem duc, în final, la apariția de energie calorică, schimburile energetice organism –mediu pot fi evaluate prin calorimetrie și exprimate în calorii. Metodele calorimetrice pot fi directe și indirecte.
Calorimetria directă constă din măsurarea căldurii degajate de un organism viu într-un interval de timp. Se folosesc camere calorimetrice. Producția calorică a organismului este evaluată cu ajutorul unor sisteme termoelectrice.
Calorimetria indirectă. Se bazează pe faptul că toată producția calorică a organismului provine din reacții de oxidare. În organism, ca și în bomba calorimetrică, alimentele sunt „arse” în prezența oxigenului care se consumă. În organism, arderile sunt mult mai lente, au loc în etape succesive, iar energia se elimină treptat. Prin determinarea consumului de oxigen într-un interval de timp se poate calcula calorigeneza corespunzătoare. Trebuie să cunoaștem puterea calorică (echivalentul caloric) a oxigenului și volumul de oxigen consumat de organism.
3.5.2. Metabolismul energetic de bază (metabolismul bazal)
Fiecare organism prezintă două feluri de cheltuieli energetice:
cheltuieli fixe, minime, necesare menținerii funcțiilor vitale (respirație, circulație, activitatea sistemului nervos) – metabolismul bazal;
cheltuielile variabile, în funcție de activitatea musculară, digestivă sau termoreglatoare – metabolismul energetic variabil.
Metabolismul bazal se determină în anumite condiții speciale:
•repaus fizic și psihic;
•repaus digestiv de 12 ore și post proteic de 24 ore.
Ingestia de proteine crește metabolismul bazal cu 30%, fenomen denumit acțiunea dinamică specifică a proteinelor (ADS).
• repaus termoreglator;
• stare de veghe.
Metoda de determinare este calorimetrică indirectă.
Metabolismul bazal variază în funcție de numeroși factori fiziologici: vârsta, sex, felul de viață etc.
3.5.3. Metabolismul energetic variabil
Cheltuielile energetice ale organismului pot crește în cursul eforturilor fizice de 10-20 de ori față de cele bazale. Munca fizică necesită multă energie, care trebuie acoperită prin consum sporit de alimente energetice. În raport cu gradul efortului fizic prestat, cheltuielile energetice se clasifică în cinci categorii:
• Cheltuieli energetice de repaus;
• Cheltuieli energetice din efortul fizic ușor;
• Cheltuieli energetice din efortul fizic mediu;
• Cheltuieli energetice în efortul fizic greu;
• Cheltuieli energetice în efortul fizic foarte greu.
CAPITOLUL 4. METODE ȘI TEHNICI DE ANALIZĂ BIOCHIMICĂ
4.1. Operații uzuale de laborator
În laboratorul de biochimie, atât pentru prepararea reactivilor, cât și pentru efectuarea propriu-zisă a analizelor, se folosesc o serie de operații simple, cum ar fi cântărirea, dizolvarea, pipetarea, încălzirea etc.
4.1.1. Cântărirea
Este o operație de determinare a masei unor substanțe cu ajutorul balanței. Obținerea unor rezultate cât mai exacte a analizelor efectuate depinde într-o mare măsură de precizia cântăririi.
Balanțe analitice
4.1.2. Dizolvarea
Este o operație curent folosită în prepararea soluțiilor. Are la bază amestecarea substanței dizolvate cu dizolvantul într-un vas de sticlă (de exemplu balon cotat) prin simpla agitare la rece sau la cald.
Cel mai utilizat solvent în laborator este apa distilată.
Balon cotat
4.1.3. Încălzirea
Este o operație utilizată atât pentru accelerarea unor procese fizice, cât și a unor procese chimice. Pentru încălzire se pot folosi etuve, băi de apă, băi de nisip, becuri de gaz etc.
Etuvă Baie de apă Baie de nisip Becuri de gaz
4.1.4. Filtrarea
Este o operație folosită pentru separarea substanțelor insolubile din suspensii. Ca materiale filtrante se folosesc: hârtia de filtru, vata de sticlă etc.
Filtrul neted se obține prin împăturirea hârtiei în patru și se utilizează atunci când este necesar precipitatul, iar filtrul creț se obține în mod analog cu cel neted, dar în plus se pliază iar apoi se desface, utilizându-se când este necesar filtratul.
Hârtie de filtru
4.1.5. Pipetarea
Este operația prin care se poate adăuga un reactiv în picătură sau se poate măsura exact un anumit volum de soluție cu ajutorul pipetelor.
Pipete cu reper Pipete gradate Pipete gradate cu piston
Pipete KIPP Pipete KUBIENA Pipete PASTEUR
4.2. Metode și tehnici de analiză biochimică
Analiza biochimică include totalitatea tehnicilor de analiză aplicate atât în scopul identificării constituenților biochimici din proba de analizat (analiza biochimică calitativă), cât și în stabilirea conținutului cantitativ al constituenților biochimici din probă (analiză chimică cantitativă).
Principalele metode de analiză sunt:
1. Metode chimice (absolute), care nu necesită etalonare:
a) gravimetria;
b) volumetria.
2. Metode fizico-chimice (metode instrumentale), des utilizate în laboratorul de biochimie:
a) metode de separare:
– cromatografia;
– electroforeza.
b) metode de determinare:
– metode optice: – spectrofotometria;
– colorimetria;
3. Metode electrochimice
4. Metode radiochimice
4.2.1. Metode chimice de analiză
4.2.1.1. Analiza gravimetrică
Analiza gravimetrică constă în aducerea componentului de determinat, existent în soluție, sub forma unui produs practic insolubil (precipitat), care se separă prin filtrare de restul componenților din soluție. Precipitatul purificat prin spălare, după o tratare termică adecvată, se cântărește, iar din masa găsită se calculează cantitatea componentului determinat. Precipitatul cântărit trebuie să aibă o compoziție cunoscută și constantă.
Principalele faze ale analizei gravimetrice sunt: precipitarea , filtrarea, spălarea , uscarea și calcinarea, cântărirea , calcularea rezultatelor.
1. Precipitarea
Precipitarea constă în separarea cantitativă a unei specii chimice ce se găsește în soluție, prin trecerea ei într-o combinație greu solubilă care se depune sub formă de precipitat. Prin precipitare se înțelege transformarea unei substanțe solubile într-o combinație greu solubilă care poate fi separată de soluția numai prin filtrare, precipitarea trebuie să fie totală.
Precipitatul format trebuie să îndeplinească unele condiții:
să fie greu solubil,
să aibă o anumită structură morfologică, care să permită filtrarea și spălarea lui,
să aibă o compoziție sau să se poată transforma într-un compus cu o compoziție ce corespunde unei formule chimice bine cunoscute,
să fie stabil în condițiile de lucru.
2. Filtrarea precipitatelor
Filtrarea presupune separarea precipitatului de soluția mamă. Separarea se poate efectua pe trei căi:
filtrarea precipitatului,
decantarea,
centrifugare.
3. Spălarea precipitatelor
Precipitatele filtrate conțin o parte din soluția mamă, odată cu aceasta, precipitatele rețin și sărurile conținute în ea. Reținerea solventului și a sărurilor pe care le conține, are loc și în porii hârtiei de filtru. Pentru eliminarea electroliților este necesar ca imediat după ο filtrare să se procedeze la spălarea precipitatului, utilizând de obicei un lichid care să antreneze soluția în care s-a format precipitatul, dar care să nu aibă acțiune solubilizantă asupra precipitatului și nici vreo acțiune chimică, care să modifice compoziția lui.
Deoarece în majoritatea cazurilor precipitatele cantitative se conduc în soluții apoase, ca lichid de spălare se folosește apa distilată, care conține ion comun. Spălarea se consideră terminată dacă reacția de probă este negativă.Î acest scop se ia din tija pâlniei soluție de spălare care a trecut peste precipitat, se realizează pH-ul necesar și cu un reactiv se încearcă prezența ionului nedorit.
4. Uscarea și calcinarea precipitatelor
Tratarea termică la temperatură joasă, până la 2500 C se numește uscare, iar la temperaturi mai mari de 2500 C se numește calcinare.
Pentru uscare se utilizează etuva, iar pentru călcinare se folosește flacara becului de gaz sau cuptorul.
Precipitatele filtrate și spălate, înainte de cântărire, se usucă pentru îndepărtarea apei de umectare sau de cristalizare, pentru a le aduce într-o formă cu compoziție chimică bine determinată, pentru a putea fi cântărite.
Uscarea poate avea loc în curent de aer, în etuvă, în vid sau utilizând solvenți miscibili cu apa și cu tensiune mare de vapori.
Uscarea în curent de aer se aplică, de obicei, precipitatelor cristaline, care conțin apă de cristalizare. Acestea sunt spălate cu alcool, eter sau acetonă și uscate la temperatura camerei până la pondere constantă în curent de aer uscat, fără urme de umiditate. În acest scop, aerul se usucă trecându-l printr-un tub cu CaCl2 anhidră. Prin această metodă se pot usca: CdS, AgCl, BaSO4.
Uscarea în vid se aplică precipitatelor cristaline și uneori amorfe, care, în final se spală cu alcool pentru îndepărtarea apei și cu eter pentru îndepărtarea alcoolului. În final, precipitatul se usucă în vid la temperatură obișnuită, în jur de 10-20 minute, în raport cu natura și cantitatea precipitatului.
În cazul uscării precipitatului la vid, filtrarea se face pe creuzete filtrante, care au fost aduse înainte de filtrare la masă constantă.
Uscarea în etuvă se realizează în cazul în care precipitatele pot fi aduse la masă constantă prin uscare la o temperatură cuprinsă între 100-2000 C. În acest scop, precipitatul se filtrează pe creuzete filtrante, aduse în prealabil la masă constantă, aceleași condiții termice în care va fi prelucrat precipitatul. Uscarea se conduce până la pondere constantă, verificată prin cântăriri succesive. Diferența dintre masa creuzetului cu substanță, ajunse la masă constantă și masa creuzetului gol, reprezintă cantitatea de precipitat din care se poate obține prin calcul cantitatea din specia chimică care s-a determinat.
Pentru a calcina precipitatul, se presează marginile hârtiei de filtru cu o pensetă spre mijlocul pâlniei, astfel încât să acopere precipitatul și să se formeze un con. Acest con se va așeza într-un creuzet filtrant, adus în prealabil la masă constantă, cu vârful în sus, pentru a împiedică pierderea de substanță. Astfel, filtrul și precipitatul se usucă încet la o temperatură nu prea mare, după ce hârtia de filtru începe să se carbonizeze se apropie treptat flacăra de creuzet pentru calcinarea precipitatului. Când calcinarea s-a terminat, se în depărtează flacăra, se lasă creuzetul să se răcească, apoi se introduce în exicator, unde se lasă să se răcească până la temperatura din camera balanțelor.
În general, în analiza gravimetrică, calcinările și cântăririle se repetă până când nu se obține o variație a masei mai mare de 10-4 g.
4.2.1.2. Analiza volumetrică
1. Generalități
În analiza volumetrică, pentru determinarea substanței A din ecuația:
aA + bB → cC + dD
se poate măsura volumul de soluție B de concentrație cunoscută, care reacționează cu un anumit volum de soluție de substanță de analizat A. În acest caz este deosebit de importantă stabilirea momentului când A s-a consumat integral în reacția cu B numit punct de echivalență și din calcul se poate determina cantitativ substanța A.
În volumetrie, soluția de reactiv se adaugă în proporție stoechiometrica (echivalentă).
Operația de adăugare treptată la soluția de analizat a unui volum măsurat de soluție a reactivului de concentrație cunoscută, până la punctul de echivalență se numește titrare.
Sfârșitul reacției (echivalența) poate fi pus în evidență pe cale chimică sau fizico-chimică. În acest scop, se urmărește modificarea bruscă a unei proprietăți a soluției de titrare, care survine la echivalență, cum ar fi:
apariția culorii sau modificarea acesteia,
apariția opalescenței,
variația bruscă a pH-ului,
variația bruscă a potențialului,
variația bruscă a conductibilității electrice.
Indicarea chimică a echivalenței poate fi realizată prin folosirea unui indicator. De exemplu, o picătură în exces de soluție de permanganat de potasiu, colorează în roz soluția titrată. În cazul titrărilor care nu pot fi autoindicate, se adaugă un indicator care precede echivalența, un fenomen observabil, astfel de indicatori sunt indicatorii: acido-bazici de culoare, redox, de precipitare, chelatometrici.
În analiza volumetrică se folosesc numai acele reacții care îndeplinesc condițiile:
sunt cantitative (practic complete), conform stoechiometriei reacției și conduc la un produs de reacție stabil, cu compoziție definită și fără reacții secundare;
decurg cu viteză mare (viteza se poate mări prin ridicarea temperaturii, adaugare de catalizatori);
punctul de echivalență se poate observa și stabili exact;
reactivul este stabil în timp.
Metodele volumetrice se clasifică după mai multe criterii:
a. După modul de desfășurare a titrării:
titrare directă – a soluției de analizat cu soluție de concentrație cunoscută,
titrarea indirectă – soluția de analizat nu reacționează cu soluția titrată, de aceea se adaugă în exces o altă soluție titrată, ce reacționează cu substanța, iar excesul se retitrează cu soluția de concentrație cunoscută,
titrarea prin substituție – soluția de analizat nu reacționează cu soluția de concentrație cunoscută, de aceea se transformă într-o combinație chimică ce poate fi apoi titrată cu soluția de concentrație cunoscută.
b. După tipul de reacție dintre reactiv și substanța de analizat:
volumetrie prin reacții de neutralizare,
volumetrie prin reacții redox,
volumetrie prin reacții de precipitare,
volumetrie prin reacții cu formare de complecși.
2. Soluții etalon. Soluții de normalitate exactă
Substanțele etalon sunt acele substanțe de la care prin cântărire și aducere la un volum cunoscut se obțin soluții de normalitate exactă sau soluții etalon. Substanța etalon se numește și titrosubstanță sau substanță de referință și trebuie să aibă următoarele caracteristici:
să aibă formulă bine definită,
să fie stabilă în condițiile de lucru,
să aibă un echivalent cât mai mare pentru a evita erorile de cântărire,
să fie pură;
soluțiile preparate din ele să nu se descompună în timp.
Acidul oxalic, dicromatul de potasiu, bromatul de potasiu reprezintă doar câteva dintre substanțele etalon.
Pentru prepararea unei soluții de normalitate exactă se procedeaza astfel: se cântărește la balanța analitică, cu precizia 10-4g, cantitatea de substanță etalon rezultată din calcule corespunzătoare normalității dorite, apoi substanța cântărită se trece cu grijă, prin intermediul pâlniei, în balonul cotat ales pentru prepararea soluției. Se spală bine sticla de ceas pe care s-a cântărit substanța, apoi pâlnia, lăsând totul să treacă în balonul cotat, apoi se adaugă în continuare apă distilată până se ocupă circa 1/3 din volumul balonului. Prin rotiri circulare, se agită conținutul balonului până la dizolvarea integrală a substanței, se adaugă în continuare apă până în apropierea reperului care indică volumul balonului, apoi picătură cu picătură până la reper. Spunem că balonul cotat a fost adus la semn atunci când meniscul soluției este tangent inferior la cotă (sau reper). După aducerea la semn se pune dopul balonului și apoi se agită bine conținutul acestuia prin răsturnări repetate. La terminarea acestor operații soluția de normalitate exactă este gata pentru utilizare.
Titrul soluțiilor preparate din substanțe etalon prin cântărire la balanța analitică și dizolvare în balon cotat de 1000 cm3, se stabilește prin împărțirea gramelor de substanță dizolvată la volumul soluției. Când cantitatea cântărita este de 1, 1/10, 1/100 etc. din echivalent gram, atunci titrul soluției este egal cu titrul teoretic corespunzător normalității date.
Factorul volumetric al soluțiilor de normalitate exactă este egal cu unitatea.
Soluțiile etalon, de concentrație cunoscută, sunt folosite în analiza volumetrică pentru stabilirea titrului soluțiilor de normalitate aproximativă, pentru ca și acestea să se poată folosi ulterior în analiză.
3. Soluții de normalitate aproximativă
Se prepară din substanțe care nu îndeplinesc condițiile impuse substanțelor etalon (KOH, NaOH, KMnO4, Na2S2O3 etc.).
Prepararea unei soluții de normalitate aproximativă nu necesită exactitate ca în cazul soluțiilor etalon în efectuarea operațiilor de preparare. Cantitatea de substanța rezultată din calcul se cântărește la balanța tehnică, apoi se aduce cantitativ în sticla în care trebuie preparată soluția; în acest mod se obține o soluție mai diluată sau mai concentrată decât soluția de normalitate exactă.
Deoarece soluțiile normale sunt prea concentrate pentru titrările curente, în practică, se folosesc soluții decinormale (0,1 N).
Determinarea concentrației unei soluții de normalitate aproximativă se face prin titrarea ei cu o soluție etalon.
Titrarea este operația efectuată în vederea determinarii conținutului unui component al soluției de analizat, prin adăugarea treptată a unei soluții de reactiv de concentrație cunoscută până în punctul de echivalență, când se măsoară exact volumul de reactiv consumat.
Operația de titrare se execută astfel: se măsoară cu biureta într-un flacon conic, un anumit volum de soluție de concentrație cunoscută, se diluează cu apă distilată până la un volum de circa 100 cm3 și se adaugă câteva picături din soluția de indicator.
Se umple o altă biuretă cu soluția a cărui titru (concentrație) urmează să fie stabilită; din aceasta se adaugă treptat la soluția pregatită în flaconul conic, până la schimbarea culorii indicatorului. La începutul titrării, adăugarea soluției se face mai repede, iar către sfârșitul acesteia, picătură cu picătură. În tot timpul titrării, soluția se agită prin rotirea flaconului. Dacă rămân picături pe gâtul sau pereții flaconului, acestea se spală imediat cu apă distilată din stropitor.
Titrarea se consideră exactă dacă schimbarea de culoare a soluției titrate la sfarșitul determinării, are loc la adăugarea unei singure picături în plus din soluția de concentrație cunoscută peste punctul de echivalență.
La titrarea fiecărei soluții se fac cel puțin trei determinări, între care nu trebuie să existe o diferență mai mare de 0,05 cm3 și se întocmește un tabel , pentru calcularea factorului soluției aproximative.
4. Calculul factorului și titrul unei soluții
Factorul de normalitate F al unei soluții este numărul care ne arată de câte ori soluția aproximativă este mai concentrată sau mai diluată decât soluția de normalitate exactă. Aceasta se poate determina prin titrare sau prin calcul:
F = Treal/ Tteoretic
La soluțiile de normalitate aproximativă, F > 1 sau F < 1, se recomandă ca factorul F să aparțină domeniului: 0,8 < F < 1,2 și să calculeze cu patru cifre zecimale.
Titrul T reprezintă cantitatea în grame de substanță dizolvată într-un cm3 de soluție.
5. Măsurarea volumelor
În lucrările practice de volumetrie, alături de cântărire, măsurarea volumelor este operația cea mai importantă.
În volumetrie, unitatea de măsura este dm3 sau litrul, care se definește ca fiind volumul ocupat de 1 kg de apă distilată, la 40C în vid la nivelul mării și la 40 latitudine.
Pentru realizarea soluțiilor titrate și aplicarea metodelor de dozare volumetrică se utilizează o serie de vase de sticla cu rezistență chimică și termică cât mai mare (baloane cotate, biurete, pipete gradate și perfect uscate).
Vasele gradate sunt marcate la temperatura de 200C.
Așa cum s-a arătât, pentru pregătirea soluțiilor de o anumită normalitate sau molaritate se folosesc baloane cotate (marcate) cu capacitatea de 1 L (1000 cm3) sau multiplii și submultiplii acestuia.
Spunem ca s-a atins volumul marcat pe balon atunci când meniscul lichidului (soluției) este tangent inferior la inelul marcat pe gât.
Pentru citirea exactă, balonul trebuie ridicat sau lăsat în jos, până ce raza vizuală este în dreptul inelului de marcaj, spre a evita eroarea de paralaxă. Poziția balonului trebuie să fie verticală.
Biuretele sunt utilizate la efectuarea titrărilor volumetrice.
Reguli de lucru cu biuretele:
biuretele trebuie să fie foarte curate și anume: prin curgerea lichidului pereții biuretei trebuie acoperiți cu o peliculă de lichid, formarea picăturilor de lichid arată că sticla nu este curată (este grasă).
în timpul lucrului, biuretele se fixeaza vertical în stativ.
înainte de orice titrare, biureta se umple până sus cu soluția de măsurat. Prin rotirea robinetului (sau prin apăsarea pe clemă sau pe tubul de cauciuc în dreptul mărgelei de sticlă), se aduce partea inferioară a meniscului, în cazul soluțiilor incolore sau partea superioară, în cazul lichidelor colorate, ca să fie tangentă la planul orizontal din dreptul diviziunii zero.
înainte de a aduce biureta “la zero”, capătul de jos al biuretei, mai sus și mai jos de robinet (clema sau margea) trebuie să fie complet umplut cu soluție , fără bule de aer. Viteza de curgere a lichidului în biureta nu trebuie să fie prea mare, pentru a permite lichidului care adera pe pereți să se scurgă.
pentru a evita eroarea de paralaxă, la citirea gradațiilor de pe biureta, raza vizuală a observatorului trebuie să se găseasca la înălțimea meniscului care să fie tangent la planul trasat pe diviziunea respectivă.
Pentru a masura cu pipeta un anumit volum, se introduce vârful pipetei în lichid și se aspiră pana când lichidul depaseste gradația. Se astupă repede cu degetul arătător, umezit în prealabil, se șterge vârful pipetei cu o hârtie de filtru și apoi se lasă să se scurgă lichidul până când marginea inferioară a meniscului este tangentă la semn. Se aduce apoi pipeta astfel încât vârful ei să atingă peretele inferior al vasului în care urmează să se introducă lichidul măsurat și se lasă să se scurgă liber. Câteva secunde după golire se trage ușor vârful pipetei de-a lungul peretelui vasului, pentru a îndepărta ultima picătură fără a sufla în pipetă.
După utilizare, pipetele, ca și biuretele, se spală și se așeaza în stativul lor, cu vârful în jos și cu gura acoperită cu o minieprubetă.
4.2.2. Metode fizico-chimice de analiză
4.2.2.1. Colorimetria
Prin acestă metodă optică de analiză, intensitatea culorii probei se compară vizual, în lumină albă, cu un set de soluții etalon de concentrație cunoscută – prelucrate în condiții absolut identice cu proba.
În această tehnică se pot realiza măsurători, prin comparație vizuală, în eprubetă, la lumina zilei, rezultând analize chimice cu exactități < de 1%.
Colorimetria este o metodă subiectivă și mai puțin selectivă, rezultatele depinzând mult de persoana care execută analiza deoarece sensibilitatea maximă a ochiului omenesc atinge maximul pentru domeniul 550-560 nm (domeniul culorii verzi), lucru important când compararea probei cu etalonul se face vizual.
Cu cât există mai multe soluții etalon, pentru comparație, cu atât metoda este mai exactă.
Culoarea unui compus nu este culoarea absorbită, ci este culoarea care rămâne după ce se scade frecvența absorbită din sursa de radiații.
4.2.2.2. Electroforeza
Electroforeza reprezintă o metodă de analiză și separare bazată pe migrarea particulelor solide dispersate într-un lichid sub acțiunea unui câmp electric.
În condiții de viteză constantă, forța motrice exercitată asupra particulei reprezintă produsul dintre sarcina efectivă a particulei și gradientul de potențial E și este echilibrată de rezistența de frecare f a mediului. În soluție liberă, ea se conformează legii lui Stokes, astfel că:
f=6πrvη
unde r este raza particulei care se deplasează cu viteza v într-un mediu de vâscozitate η. Cu toate acestea, legea lui Stokes nu este strict respectată în gel și f depinde de un număr de factori ce include densitatea gelului și mărimea particulei.
Viteza cu care se deplasează o particulă într-un câmp electric depinde de mai mulți factori: densitatea de sarcină electrică la suprafața particulei (funcție de mărimea sarcinii și de volumul particulei), densitatea particulei, gradientul de potențial (reprezentat de raportul dintre diferența de potențial dintre electrozi și distanța dintre acestea), forța ionica a mediului, vâscozitatea lui, temperatura. De aceeași factori depinde și gradul de rezoluție al unei metode electroforetice, natura suportului folosit și pH-ul mediului fiind decisive.
De-a lungul timpului s-au folosit mai multe suporturi electroforetice, gelul de agaroză fiind cel care asigură cea mai bună rezoluție.
Se cunosc mai multe tipuri de electroforeză în gel de agaroză: tehnica standard, electroforeza în gel de SDS-agaroză (la care adăugarea SDS – sodiudodecilsulfat în compoziția suportului electroforetic permite separarea fracțiunilor pe baza masei moleculare) și focalizarea izoelectrică.
Electroforeza în gel de agaroză prezintă câteva avantaje, cele mai importante fiind:
gradul mare de rezoluție, specificitate și sensibilitate;
rapiditatea, conferită de posibilitatea analizei simultane a mai multor parametri, ca urmare a independenței totale a celor două module (de migrare și colorare);
gradul mare de reproductibilitate prin implicarea minimă a factorului uman la metodele manuale);
diversificarea parametrilor investigați (proteine, lipoproteine, izoenzime, hemoglobine normale și patologice);
aplicabilitatea în cazul mai multor lichide biologice (ser dar și urină, LCR și altele), precum și faptul că pentru aceste lichide nu mai este nevoie de concentrarea lor, fiind astfel înlăturat un neajuns important care făcea, de multe ori, impracticabilă metoda pentru electroforeza proteinelor urinare, din LCR și din alte fluide hipoproteice.
4.2.2.3. Spectrofotometria
Spectrofotometria este o ramură a spectroscopiei moleculare ce se ocupă cu analiza calitativă și cantitativă a spectrelor de absorbție în domeniul UV-VIS a substanțelor anorganice sau organice în stare lichidă.
Spectroscopia este o ramură a fizicii care se ocupă cu studiul metodelor de obținere a spectrelor, precum și cu măsurarea și interpretarea acestora. Spectrul unei radiații electromagnetice se opune prin descompunerea ei într-un aparat spectral (spectroscop, spectrograf cu prismă, cu rețea etc) și constă dintr-o succesiune de imagini ale fantei de intrare, formate de diferitele radiații monocromatice ale luminii incidente.
Din cauza faptului că în domeniul UV-VIS nu toate substanțele sau elementele chimice au spectre de absorbție cu maxime clare, analiza calitativă nu este atât de reprezentativă ca cea cantitativă, în acest domeniu aplicația de bază fiind analiza cantitativă.
La analiza cantitativă se folosește fotometrarea radiației absorbite la o anumită lungime de undă ce se găsește în zona maximului de absorbție, ca atare pentru analiza cantitativă se folosește termenul de fotometrie.
Fotometria este una din cele mai utilizate metode din cadrul analizei instrumentale cantitative la substanțe lichide. Ea cuprinde domeniul ultraviolet și vizibil. Avantajul ei constă în primul rând în faptul că permite determinarea concentrațiilor atât a substanței anorganice cât și a substanțelor organice. De asemenea, analizei fotometrice îi sunt specifice precizii, reproductibilități și sensibilități ridicate. În cazul în care substanța de analizat prezintă absorbție de radiație luminoasă în domeniul vizibil sau ultraviolet, fotometria poate fi folosită direct fără transformare de substanță.
Pentru a putea folosi fotometria și la substanțe ce nu prezintă o absorbție clară de radiație luminoasă pe o anumită lungime de undă, (ex. glucoza, urina, albumina), se poate produce o transformare chimică sau enzimatică a substanței. în cel din urmă caz, fie substanța de analizat este transformată cu substanțe chimice sau cu enzime într-un produs colorat, fie substanța de analizat însăși provoacă reacții de culoare.
Un spectrofotometru este format în principal dintr-o sursă de lumină (1), un sistem optic pentru producerea luminii momocromatice, compus din lentile (2), un sistem de fante (3), un sistem monocromator (4) cu rețea de difracție sau cu prismă, spațiu pentru cuve cu soluție de referință și cuve pentru soluție de analizat (5), un detector de radiație luminoasă (6), un amplificator (7) și un sistem de afișare (8).
Există o gamă foarte largă de spectrofotometre, deosebirea constând în domeniul de lungimi de undă acoperit, în puterea de dispersie a monocromatorului, în natură detectorului, în mediul optic traversat sau chiar în principiul de construcție al instrumentului în ansamblu.
Tipuri de fotometre
a) Fotometre cu un singur fascicul: aceste fotometre au un singur fascicul luminos care trece pe rând prin cuva cu soluția de referință și prin cuva cu soluția de analizat.
b) Fotometre cu două fascicule: la acest tip de aparate cuva cu soluția de referință și cuva cu soluția de analizat sunt iradiate paralel.
Din punct de vedere constructiv există:
– fotometre cu două fascicule decalate spațial:
– fotometre cu două fascicule decalate în timp:
Sursele luminoase cele mai obișnuite utilizate în domeniul UV-VIS, sunt:
-lampa cu incandescență: prevăzută de obicei cu filament incandescent de W, deosebindu-se de becurile electrice obișnuite prin aceea că zona de ieșire a radiației este confecționată din sticlă de cuarț;
-lampa cu deuteriu: prevăzută cu arc de descărcare în deuteriu, aflat la o presiune medie (ceea ce asigură un spectru continuu). O astfel de lampă, a cărui punct de descărcare este zona cenușie din interiorul cutiei mari permite obținerea unui spectru continuu pe domeniul 160-400 nm, care se completează foarte bine cu spectrul becului cu incandescență.
Un spectrometru prevăzut cu ambele surse, poate acoperi tot domeniul UV-VIS. Razele de lumină trec prin aer, dar mai nou dirijarea acestora se face și prin fibre optice.
Sistemul dispersiv sau monocromatorul poate fi, în vizibil, un filtru colorat din sticlă sau material plastic transparent dar și un filtru cu interferență, iar în UV-VIS o prismă confecționată din cuarț sau, în ultimul timp, sisteme bazate pe rețele plane sau concave cu circa 1200 trăsături per mm. Aceste rețele sunt integrate în monocromatoare care permit extragerea unei zone înguste din spectrul UV-VIS, printr-o simplă deplasare a oglinzii.
Lățimea domeniului spectral care trece prin monocromator depinde mult de lățimea fantelor de intrare și ieșire. Cele mai bune rezoluții se obțin prin utilizarea unor oglinzi prevăzute cu distanțe focale mari (0.2-0.5 m).
Detectorul transformă semnalul luminos în semnal electric. Acest dispozitiv dă, așadar un semnal proporțional cu intensitatea care iese din celula de masură. Intensitatea semnalului recepționat va depinde de lungimea de undă, deci de lungimea de undă selecționată prin poziția oglinzii, dar și prin deschiderea fantelor de intrare, respectiv de ieșire, din monocromator. Acestea din urmă, limitează domeniul spectral dar și intensitatea luminii, în ansamblu. De aceea fiecare modificare de deschidere a fantelor sau de lungime de undă modifică și intensitatea măsurată de spectrofotometru.
Spectrofotometria reprezintă o clasă largă de metode de investigare. Ea face parte dintr-o clasă și mai mare și anume, clasa metodelor spectrometrice. Orice metodă spectrometrică înregistrează și măsoară spectre electromagnetice.
Un spectru reprezintă totalitatea valorilor unei mărimi ce caracterizează un sistem. în cazul unui spectru electromagnetic acesta reprezintă totalitatea lungimilor de undă (frecvențelor) pe care un sistem le poate emite sau absorbi. Atunci când un sistem absoarbe radiații electromagnetice, el trece pe un nivel energetic superior, iar când emite, pe unul inferior.
Fiind vorba de un număr foarte mare de metode, se impune clasificarea lor și în acest caz se pot face mai multe clasificări, având în vedere mai multe criterii:
a) Criteriul domeniului spectral investigat
În toate domeniile spectrale electromagnetice există metode de investigare, multe dintre ele cu aplicații clinice. Domeniile spectrale electromagnetice sunt, în ordinea crescătoare a lungimii de undă, următoarele: gama (Y), raza X, ultraviolete (UV), vizibil, infraroșu (IR), microunde și radiounde. În cazul metodelor spectrometrice din domeniile UV, vizibil și IR, metodele se numesc, în general, spectrofotometrice.
b) Criteriul modului de obținere a spectrelor
Sistemele analizate pot fi puse să emită sau să absoarbă radiații electromagnetice. Vorbim astfel de spectrometrie de emisie, respectiv de absorbție.
Metode cu implicații clinice:
Legea Lambert-Beer
Un fascicol de radiații de intensitate I0, ce străbate sub o incidență normală un strat absorbant, pierde o parte din energia sa radiantă prin reflexie Ir, iar o parte din aceasta este absorbită de către sistemul Ia. Metoda de analiză chimică a soluțiilor prin spectrofotometrie este o metodă care are la bază legea Lambert-Beer.
Deci din intensitatea inițială, numai o parte din radiație este transmisă și ea se notează cu It.
Gradul de diminuare al intensității radiației incidente este (conform legii lui Beer-Lambert) proporțional cu grosimea stratului traversat și cu concentrația speciei absorbante:
Legea Beer-Lambert exprimă legătura între intensitatea luminii care traversează o soluție și concentrația soluției respective.
În spectrofotometrie se folosesc uzual doi parametri pentru a cuantifica absorbția: T – transmisia; E – extincția.
4.2.2.4. Cromatografia
Cromatografia este o metodă de separare și analiză a substanțelor chimice din amestecuri, care se bazează pe interacțiunea diferențiată a doi sau mai mulți compuși de separat (numiți soluți) cu două faze cromatografice: faza mobilă și faza staționară.
Principalele avantaje pe care le prezintă cromatografia ca metodă de separare sunt:
permite separarea, identificarea și dozarea cantitativă simultană a componentelor unui amestec;
se poate aplica unui număr foarte mare de produse, practic orice compus organic putând fi separat printr-o metodă cromatografică;
sensibilitatea metodelor cromatografice este extrem de ridicată, ceea ce înseamna că necesită doar cantitate foarte mică de probă; în același timp însă se pot aplica și la scară preparativă;
durata analizei este redusă, comparativ cu alte metode de analiză ale amestecurilor complexe.
Clasificarea metodelor cromatografice
1.Clasificarea în funcție de mecanismul separării
1.1.Cromatografie de adsorbție
1.2.Cromatografie de repartiție
1.3.Cromatografie de schimb ionic
1.4.Cromatografie de excluziune
1.5.Cromatografie de afinitate
2. Clasificarea în funcție de natura fazelor cromatografice
2.1. Cromatografie de gaze
2.1. Gaz-lichid (GLC)
2.2. Gaz-solid (GSC)
2.2. Cromatografie de lichide
2.1. Lichid-lichid (LLC)
2.2. Lichid-solid (LSC)
2.3. Cromatografie cu fluide supercritice (SFC)
3. Clasificarea în funcție de configurația sistemului cromatografic
3.1. Cromatografie pe coloană
3.1.1 Cromatografie pe coloane clasice (cu umplutură)
3.1.2 Cromatografie pe coloane capilare
3.2. Cromatografie planără
3.2.1 Cromatografie în strat subțire
3.2.2 Cromatografie pe hârtie
Tipuri de metode cromatografice
Gaz cromatografia (GC)
-analizează compuși organici volatili;
-faza mobilă este un gaz, iar faza staționară este de obicei un lichid pe un suport solid sau un solid absorbant.
Lichid cromatorafia (LC)
-se folosește pentru separarea analiților în soluție;
-faza mobilă este un solvent, iar faza staționară este un lichid pe un suport solid (ex. rășină “ion-exchange”).
High-performance liquid chromatography (HPLC)
-o variantă a cromatografiei de lichide care utilizează presiune în altă pentru a crește eficiența separării.
Size-exclusion chromatography (SEC)
-numită și “gel-permeation chromatography” (GPC);
-faza mobilă este un solvent și faza staționară este un material poros.
Thin-layer chromatography (TLC)-cromatografia în strat subțire
-o metodă simplă și rapidă de a monitoriza produșii unei reacții sau de a verifica puritatea unor compuși organici;
-faza mobilă este un solvent și faza staționară este un solid adsorbit pe un suport solid.
4.2.3. Metode electrochimice de analiză
Metodele electrochimice se caracterizează prin folosirea în analiza calitativă și mai ales cantitativă a unor mărimi electrice ca: diferența de potențial și intensitatea curentului electric, cantitatea de energie electrică consumată la electroliză etc. În general, metodele electroanalitice se bazează pe studiul fenomenelor ce au loc la trecerea curentului electric prin soluții de electroliți – ca de exemplu oxidare-reducere, descompunere electrolitică etc.
Metodele electrochimice de analiză se denumesc ținând cont de mărimea măsurată. Astfel, dacă se determină prin cântărire masa substanței depuse prin electroliză, metoda se numește electrogravimetrie; dacă se măsoară conductivitatea soluției metoda se numește conductometrie; dacă se măsoară diferența de potențial dintre doi electrozi imersați în soluția de analizat se numește potențiometrie; dacă se determină curentul de difuzie rezultat prin polarizarea unui electrod special metoda se numește polarografie.
Pentru măsurarea mărimilor electrice se folosesc diverse aparate de măsură și control ca: ampermetre, voltmetre, galvanometre, etc.
În afara aparatelor cu citire directă de felul celor amintite mai sus, în analiza electrochimică se mai utilizează aparate comparatoare ca: punți, compensatori, etc.
Aparatele de măsurat electrice pot fi prevăzute cu scale gradate (afișaj numeric) sau cu diverse sisteme de în registrare pe hârtie, pe film, etc.
4.2.3.1.Electrogravimetria
Analiza electrogravimetrică constă în depunerea cantitativă cu ajutorul curentului continuu a unor ioni aflați în soluția de analizat. Masa depozitului format pe electrod se determină prin cântărirea electrodului în ainte și după electroliză.
Electroliza constă în descompunerea unor substanțe numite electroliți – aflate în soluție sau topitură – cu ajutorul curentului electric. Trecerea curentului electric este asigurată de prezența în interiorul sistemului a unor electrozi (catod și anod) la suprafața cărora au loc procese de oxidare-reducere, respectiv cedare sau primire de electroni.
Electrozii folosiți în electrogravimetrie sunt formați de regulă din metale inatacabile (Pt, Cu, Hg etc.). Depunerea metalelor din soluție duce la acoperirea suprafeței electrodului. Concomitent apare uneori fenomenul de “polarizare” care duce la înceținirea și chiar oprirea electrolizei – datorită unei forțe contrare (contraelectrometrice). Procesul de electroliza poate să re în ceapă fie prin folosirea unei f.e.m. mai mari, fie prin depolarizarea electrozilor cu ajutorul unor agenți depolarizanți (oxidanți ca HNO3, K2Cr2O7 etc.).
Depunerea metalului pe catod este condiționată de compoziția soluției și de densitatea de curent. Aceasta se exprimă în amperi pe cm2 (sau dm2) suprafața activă a catodului.
Metoda electrogravimetrică se aplică frecvent la dozarea unor metale: Cu, Cd, Zn.
Factorii care influențează procesul de electroliză în afară celor menționați sunt:
– compoziția soluției de electroliză; în general se lucrează în medii acide, dar rezultate bune se obțin în unele cazuri în medii alcaline, cu cianuri etc.;
– temperatura de lucru – de preferință 60 – 80C; la temperatură mai ridicată depunerea este mai rapidă, dar depozitul nu are suficientă aderență pe electrod;
– forma și dimensiunile electrozilor;
– agitarea soluției etc.
4.2.3.2. Conductometria
Analiza conductometrică se bazează pe măsurarea variației conductivității soluției de analizat ca urmare a reacțiilor ce au loc prin modificarea concentrației ionilor aflați în soluție. Astfel, prin măsurarea conductivității electrice se stabilește cu precizie punctul de echivalență.
Metoda se poate aplica atât la soluțiile obișnuite (incolore sau slab colorate) cât mai ales la cele intens colorate și chiar la cale tulburi (cu suspensii) la care nu mai este posibilă observarea virajului indicatorilor bicolori.
Electrozii utilizați în conductometrie sunt formați de regulă din două plăcuțe de platină.
4.2.3.3. Titrarea potențiometrică
Potențiometria cuprinde metode electrochimice bazate pe măsurarea tensiunii electromotoare a unei pile galvanice formată schematic dintr-un electrod indicator cufundat în soluția de analizat și un electrod de referință introdus în aceeași soluție.
4.2.3.4. pH-metria
Exponentul concentrației de hidrogen sau pH reprezintă logaritmul cu semn schimbat al concentrației sau activității ionilor de hidrogen dintr-o soluție:
pH = -lg ,
pH = -lg .
Pentru apa pură și pentru soluțiile neutre pH = 7, pentru soluțiile acide pH < 7 și pentru cele bazice pH > 7.
Concentrația ionilor HO- dintr-o soluție se exprimă printr-o mărime notată pOH
pOH = -lg ,
pOH = -lg .
În soluțiile neutre pOH = 7, în cele acide pOH > 7, iar în cele bazice pOH < 7.
într-o soluție dată între mărimile pH și pOH există relația:
pH + pOH = 14
Exponentul concentrației de hidrogen (pH) are un rol important în multe reacții chimice întâlnite în procesele de prelucrare electrochimică a suprafețelor metalice (degresare, decapare, polisare electrochimică), în procesele de coroziune și de protecție împotriva coroziunii, în centralele electrice unde pH-ul apelor de răcire detetermină indicele de stabilitate etc.
Determinarea pH-ului se efectuează prin metode colorimetrice folosind indicatori și prin metode potențiometrice (adică măsurători ale tensiunii electromotoare).
4.2.4. Metode radiochimice de analiză
Metodele radiochimice de analiză prezintă o serie de avantaje:
– posibilitatea identificării și diferențierii atomilor și moleculelor marcate de cele nemarcate;
– simplitate;
– rapiditate;
– automatizare;
– măsoară o proprietate fizică – radioactivitatea;
– se pot determina urme din element;
– masa de substanță determinată este de ordinul submicrogramelor;
Sensibilitatea acestor metode: 10-16-10-20 g/atom.
După modul cum este utilizată radioactivitatea aceste metode pot fi:
– metode cu reactivi chimici;
– metode de activare;
– metode cu surse de radiații, bazate pe interacțiunea radiațiilor cu substanța.
Metode de analiză cu reactivi chimici
– precipitarea radiometrică;
– titrarea radiometrică;
– diluția izotopică;
– radiocromatografia pe hârtie;
– radioelectroforeza pe hârtie;
– extracția cu solvenți organici și cu rășini schimbătoare de ioni.
CAPITOLUL 5. EXERCIȚII ȘI PROBLEME
5.1. Noțiuni introductive
5.1.1. Noțiuni de chimie organică
Care este formula procentuală a celui mai simplu compus organic, metanul, care are formula moleculară CH4?
Care este formula moleculară a unei substanțe organice A, dacă are masa moleculară 126 și conține: 57,14% C; 4,76% H și restul oxigen?
În urma analizei elementare cantitative s-a stabilit că o substanță organică A conține 42,85% C; 2,38% H și 16,66% N. Stabilește formula sa brută. Care este masa ei moleculară, dacă n din formula brută are valoarea 2?
O substanță organică A, cu masa moleculară 122, dă la analiză următoarele rezultate: din 0,2240 g probă se obțin 0,6160 g dioxid de carbon și 0,1080 g apă. Care este formula moleculară a substanței?
Se consideră compușii cu formulele moleculare: C2H4, C3H6, C4H8 și C5H10. Să se stabilească formula procentuală a fiecărei substanțe și să se interpreteze.
Se consideră compusul organic cu formula moleculară C2H5Cl. Indică: tipul legăturilor chimice dintre atomii componenți, tipul catenei de atomi de carbon și numărul aranjamentelor structurale posibile.
Pentru compusul cu formula moleculară C5H10 se poate considera o catenă saturată? Ce formă ar avea? Dar o catenă nesaturată? Ce formă ar avea?
Compusul cu formula moleculară C7H14 are în structura catenei 4 atomi de carbon primari, 2 atomi de carbon terțiari și 1 atom de carbon cuaternar. Care este structura acestei catene?
Un compus organic A conține 82,75% C și 17,25% H. Știind că are masa moleculară 58, care este formula moleculară și structura catenei acestui compus?
a) Ce se înțelege prin structură chimică?
b) De ce trebuie stabilită structura unui compus chimic?
c) Ce semnificații au relațiile structură-proprietăți și structură-compoziție?
d) Ce principii stau la baza stabilirii structurii chimice?
e) Ce metode se folosesc pentru stabilirea structurii chimice a unui compus organic?
f) Cum poate fi verificată corectitudinea unei formule moleculare?
Care dintre următoarele formule corespund unor substanțe reale: C5H13N; C6H6O2; C4H11O2; C10H9O2N; C7H7Cl3; C7H12O2Cl; C6H7O3NS; C4H4O3?
O substanță organică A, cu masa moleculară 122, dă la analiză următoarele rezultate: 0,0366 g substanță, după combustie, conduc la 0,1188 g CO2 și 0,0378 g H2O. Precizează formula moleculară a compusului.
O substanță organică A, cu masa moleculară 80, dă la analiză următoarele rezultate: 0,24 g substanță A conduc la 0,792 g dioxid de carbon și 0,216 g apă. Care este formula moleculară a substanței?
Prin arderea a 3,12 g substanță organică, cu masa moleculară 104 g/mol, se obțin 3,36 L CO2 și 3240 mg H2O. Determină formula moleculară a substanței. Știind că în structura substanței se găsesc numai legături covalențe simple, scrie o structură posibilă pentru acest compus.
Prin arderea a 1,68 g hidrocarbură se obțin 2,688 L CO2. Știind că densitatea vaporilor săi în raport cu aerul este 2,91, determină formula moleculară a hidrocarburii.
La analiza a 1,18 g substanță organică s-au obținut: 1,344 L CO2, 2,016 L H2O, 244 mL N2 (volume măsurate în condiții normale). Determină formula moleculară a substanței, știind că densitatea vaporilor săi în raport cu aerul este 2,1.
O substanță organică ce conține C, H și Cl, cu masa molară 127 g/mol, este supusă analizei. Din 1,27 g substanță se obțin 2,87 g AgCl și 1,76 g CO2. Determină formula moleculară a substanței și scrie o formulă de structură posibilă știind că nu conține în moleculă decât legături σ.
În urma descompunerii termice a 4,38 g substanță organică, cu masa moleculară 146, se obțin 2,016 L CO, 3,36 L CO2 și 4,86 g H2O. Determină formula moleculară a substanței.
Definește obiectul chimiei organice.
Scrie câte un exemplu de: catenă saturată aciclică ramificată, catenă nesaturată ciclică.
Scrie formulele de structură pentru următorii izoalcani: 2,2-dimetilbutan; 3-etil-2-metilpentan; 2,2,3-trimetilhexan.
Stabilește formulele moleculare și denumește alcanii care conțin într-o moleculă:
a) 8 atomi de H; b) 14 atomi (C și H); c) 5 legături C – C.
Scrie formulele de structură și denumește: a) un izomer al hexanului care conține un atom de C cuaternar; b) un izomer al pentanului, care conține un atom de C terțiar.
Scrie și denumește izomerii de catenă pentru: butan, pentan, hexan, heptan.
Scrie formulele de structură pentru: a) 2-etil-3-metil-1-pentenă; b) 3,44-trimetil-2-pentenă; c) 4,5-dimetil-3-propil-2-hexenă; d) 3-etil-2,4-dimetil-3-hexenă; e) 3-metil-2-pentenă; f) 2,2-dimetil-3-hexenă; g) 3-etil-1-pentenă; 2,3-dimetil-2-pentenă.
Calculează procentul de C din moleculele primilor 4 termeni din seria omoloagă a alcanilor. Cum variază? Generalizați în cazul unui alcan CnH2n+2.
Se dau următoarele formule moleculare: C3H8; C4H8; C6H14; C5H10. Precizează care dintre aceste formule aparține unei alchene; scrie și denumește izomerii de catenă și de poziție pentru alchenele găsite.
Scrie și denumește formulele de structură pentru următoarele alchine: a) 3-metil-1-pentină; b) 2,2-dimetil-3-hexină; 3-metil-1-hexină.
Scrie formulele de structură pentru următorii compuși: a) 1,2-dimetilbenzen; b) naftalină; c) 1,3,5-trimetilbenzen.
Calculează procentul de C din moleculele următorilor compuși: hexan, hexenă, hexină, benzen. Cum variază procentul de C? Din ce clase de hidrocarburi fac parte substanțele respective. Generalizare privind variația procentului de C în cele patru clase de hidrocarburi.
Raportul dintre masa moleculară a unei alchene și cea a unei alchine este de 1,077. Determină formulele moleculare ale celor două hidrocarburi.
Denumește următoarele structuri:
A.B. C.D.E. F. G. H.I.J,KL,M,N,O P,Q,R,S T,U,V,XZ.
33. Scrieți formulele de structură pentru: clormetan; etanol; acetonă; 2-metil-2-hexanonă; etilamină; tetraclorometan; monoclorbenzen; etanal; clorură de metil; 1,2,3-propantriol; 2-clorobutan; 3-bromo-1-pentenă; 1,2-etandiol; 1,3,5-trihidroxibenzen; 2,3-diiodobutan; acid propenoic; acid 2-butendioic; acid 1,4-benzendicarboxilic; triclorometan; 2-hidroxipropan; 1,3-propilendiamină; dietilamină; trimetilamină.
Scrieți izomerii corespunzători formulelor moleculare: C6H4Cl2 (derivați halogenați), C6H12O2 (acizi carboxilici), C3H8O (alcooli), C7H9N (amine).
Reprezintă formulele structurale ale compușilor indicați: a) compușii clorurați, cu nucleu aromatic, ce au formula moleculară C7H7Cl (4 structuri); b) izomeri cu formula moleculară C3H6O (2 alcooli și 2 compuși carbonilici); c) aminele izomere cu formula moleculară C3H9N (4 structuri).
Reprezintă formulele de structură care au denumirile: a) bromură de benzil (bromo-fenil-metan); b) neopentanol; c) acid izobutiric; d) feniletanal; e) 3-pentanonă.
Se consideră compușii cu următoarele formule structurale:
A. B. C. D.
E. F. G. H.
Denumește substanțele și arată care dintre ele sunt izomere.
Reprezintă formulele structurale ale unor compuși care indică: a) un alcool primar; b) un compus dihalogenat vicinal; c) o aldehidă nesaturată; d) o amină secundară.
Un amestec format din monoclormetan și diclormetan conține 74,7% Cl (procent de masă). Să se stabilească compoziția procentuală de masă a amestecului.
Scrieți formula moleculară a unui alcool saturat cu n atomi de C. Care sunt formulele structurale posibile ale alcoolilor cu masa moleculară mai mică de 88?
Un acid monocarboxilic saturat, CnH2nO2 conține 40% C. Determină formula moleculară a acidului. Scrie formula de structură și denumește Acidul determinat.
În urma analizei elementale a 9 g substanță organică s-au obținut 2,8 g N2, 17,6 g CO2 și 12,6 g H2O. Se cere: a) formula moleculară a substanței; b) scrie formulele de structură posibile pentru formula moleculară determinată și denumește-le.
Fie compușii organici izomeri A, B, D, E, cu următoarele particularități:
au formula procentuală: 61,01% C, 23,73% N și 15,25% H și masa moleculară M = 59
în compusul E toți atomii de C sunt nulari
în compusul D, un atom de C este nular, restul sunt primari
în izomerul B, grupa funcțională se leagă de un atom de C secundar.
Determină formula moleculară a celor patru izomeri, indică formulele plane și denumirile lor.
O probă de zinc tehnic, cu masa de 14 g reacționează cantitativ cu 200 mL soluție de acid acetic de concentrație 2 moli/L. Determină puritatea probei de zinc.
5.1.2. Apa. Soluții. pH
Se dizolvă 7 g sare în apă și se obțin 35 g soluție. Care este concentrația acesteia?
Ce cantitate de sodă caustică este dizolvată în 30 g soluție de concentrație 32%?
Ce cantitate de soluție de concentrație 15% se obține prin dizolvarea a 30 g zahăr în apă?
Într-un pahar se introduc 146 g sare de bucătărie și se adaugă apă până la 1000 g. Care este concentrația procentuală a soluției?
Câte g de sodă caustică se dizolvă în apă pentru a obține 200 g soluție 15 %?
Se amestecă 50 g soluție de zahăr 10 % cu 50 g apă. Soluția se diluează sau se concentrează? Care este concentrația noii soluții?
Se dau 200 g soluție de sodă de rufe, de concentrație 20 %. Câtă apă trebuie adăugată pentru a obține o soluție de concentrație 15 %?
Determinați masele necesare pentru a obține 500 g soluție de clorură de bariu 15%.
Determinați concentrația procentuală a soluției obținută prin amestecarea a 80 g soluție de acid clorhidric 18% cu 350 g soluție acid clorhidric 28%.
Se dizolvă 4 g NaOH în apă, astfel încât să se obțină 500 mL soluție. Care este concentrația molară a soluției?
Ce cantitate de NaOH se găsește în 50 mL soluție 3M?
Ce volum de soluție apoasă de HCl 36% și densitate 1,18 g/mL este necesară pentru a prepara 100 mL de soluție HCl 2,5 M?
Calculați volumul de soluție de NaOH 0,2 M necesar preparării a 100 mL soluție NaOH 0,05 M.
Sarea de bucătărie se poate obține prin purificarea clorurii de sodiu recuperată din apa de mare. Știind că un litru de apă de mare conține 35 g NaCl, să se calculeze:
Volumul de apă de mare necesar obținerii unei cantități de 50 kg sare de bucătărie.
Concentrația molară a apei de mare, presupunând pentru simplificare că apa de mare este o soluție.
Calculați concentrația molară a unei soluții obținută prin dizolvarea a:
0,6 g NaOH în 500 mL soluție
25 g AgNO3 în 1 L soluție
20 g NH4NO3 în 200 mL soluție.
Câte g de sulfat de potasiu trebuie cântărite pentru a prepara 500 mL soluție de concentrație 0,1 moli/L?
Ce volum de acid sulfuric de concentrație 94% (densitate 1,83 g/mL) este necesar pentru a prepara 1000 mL soluție de acid sulfuric 98% (densitate 1,84%)?
Determinați masa de acid clorhidric 18,25% care neutrălizează 146 g de hidroxid de sodiu 54,75%.
50 g soluție sare de bucătărie 10 % reacționează cu o soluție de azotat de argint. Ce masă de precipitat se formează?
Ce volum de soluție hidroxid de calciu 0,25 M este necesar pentru neutralizarea a 100 mL soluție HCl 3 M?
O soluție conține 8,9 g AlCl3 în 200 mL soluție. Aflați normalitatea soluției.
Să se calculeze normalitatea unei soluții obținute prin amestecarea a 200 mL soluție acid sulfuric 0,2 N cu 400 mL soluție acid sulfuric 0,04 M.
Se amestecă 400 mL soluție 1 N acid sulfuric cu 100 mL soluție 20 % acid sulfuric (densitatea 1,14 g/mL) și cu 500 mL soluție 1 M acid sulfuric. Determinați concentrația molară și normală a soluției finale.
Care este relația dintre normalitatea și molaritatea soluțiilor de acid fosforic?
4 L soluție acid sulfuric 63% cu densitatea 1,53 g/mL se amestecă cu 6 L soluție acid sulfuric 2 M, cu densitatea 1,14 g/mL. Se cere concentrația procentuală, molară și normală a amestecului obținut.
2 L soluție 2 M sare de bucătărie se evaporă până când volumul soluției se reduce la jumătate. Care este molaritatea soluției rămase?
Care este concentrația procentuală a unei soluții de acid clorhidric obținută prin diluarea unei soluții de acid clorhidric având densitatea 1,19 g/mL, cu un volum egal de apă?
Se tratează 8588 g soluție sodă caustică 2M (densitate 1,0735 g/mL) cu 3000 mL soluție acid sulfuric 6N (densitate 1,174 g/mL). Să se precizeze dacă soluția finală este neutră, acidă sau bazică și să se calculeze concentrația procentuală a soluției obținute.
Scrie bazele conjugate ale acizilor: HCl, NH4+, HClO.
Scrie ecuațiile reacțiilor chimice care au loc la dizolvarea în apă a următoarelor substanțe: HClO4, H2SO3, KOH, NH3.
Scrie echilibrelor care au loc la dizolvarea în apă a acidului sulfhidric, H2S și precizează cuplurile acid/bază conjugată din care face parte amfolitul.
Alege amfoliții acido-bazici dintre speciile chimice următoare: H2SO4, HS ̄, S2 ̄, HCO3 ̄.
Două baze A și B sunt caracterizate prin KbA = 10-5 și pKbB = 6. Compară caracterul bazic al celor două substanțe; calculează pH-ul unei soluții de bază A, de concentrație 0,01 M și pOH-ul unei soluții de bază B de concentrație 1 M.
Calculează pH-ul soluțiilor apoase de: acid clorhidric 0,01 moli/L; hidroxid de sodiu 0,01 mol/L; acid azotic 1 mol/L; acid percloric (HClO4) 0,1 moli/L.
Într-un balon cotat de 100 mL se află 10 mL soluție HCl 0,1 M. Care este pH-ul soluției de HCl din balon după ce soluția a fost diluată cu apă distilată până la volumul de 100 mL.
Se prepară următoarea soluție: în tr-un balon cotat de 1 L se introduce un volum de 10 mL soluție de HCl cu concentrația 36,5%, ρ=1,18 g/mL și se aduce la semn cu apă distilată. Se cere: pH-ul soluției preparate, volumul soluției de KOH de concentrație 0,2 M care neutrălizează 250 mL soluție HCl preparată.
Ce volum de soluție de HCl 0,1 M este necesară pentru a prepara 200 mL soluție HCl cu pH = 3?
În 2 L soluție sodă caustică se găsesc dizolvate 8 g NaOH. Care este pH-ul soluției ?
5.2. Biochimie descriptivă
5.2.1. Întrebări de verificare și evaluare a cunoștințelor
– Ce aminoacizi proteinogeni cunoașteți, cum se clasifică aceștia și care sunt formulele lor chimice?
– Ce aminoacizi neproteinogeni cunoașteți? Scrieți formulele lor chimice.
– Care sunt principalele proprietăți ale aminoacizilor?
– Ce sunt peptidele și cum se formează ele?
– Ce peptide naturale cunoașteți?
– Care sunt principalele funcții pe care le indeplinesc proteinele în organismele vii și cum se clasifică acestea?
– Ce tipuri de structură prezintă proteinele și care sunt principalele lor proprietăți?
– Ce sunt acizii nucleici și care este principalul lor biologic?
–Ce baze azotate intră în structura chimică a acizilor nucleici?
– Ce sunt nucleozidele? Scrieți formulele chimice ale nucleozidelor ce alcătuiesc acizii nucleici.
– Ce sunt nucleotidele?
– Ce tipuri de ARN celular cunoașteți?
– Scrieți formulele chimice ale câte unui fragment dintr-o catenă de ARN și respectiv ADN.
– Ce sunt enzimele și cum se clasifică ele?
– Ce coenzime cunoașteți? Care sunt formulele lor chimice?
– Care sunt principalele proprietăți ale enzimelor?
– Care sunt principalele aspecte ale cineticii reacțiilor enzimatice?
– Ce este constanta KM și cum se deduce formula sa?
– Ce sunt monozaharidele?
– Ce sunt aldozele și hexozele? Scrieți formulele lor generale.
– Scrieți formulele liniară, ciclică și de perspectivă ale α – și β -D-glucozei
– Ce derivați de la monozaharide cunoașteți? Scrieți formulele lor chimice.
– Scrieți formulele chimice ale principalelor oligozaharide reducătoare și nereducătoare.
– Care sunt principalii homoglicani? Unde se în tâlnesc ei în natură?
– Care sunt principalele mucopolizaharide și rol indeplinesc ele?
– Ce sunt lipidele și ce funcții indeplinesc ele în organismele vii?
– Care sunt principalii acizi grași ce intră în structura lipidelor? Scrieți formulele lor chimice.
– Cum se clasifică și care sunt formulele chimice ale lipidelor simple?
– Cum se clasifică și care sunt formulele chimice ale lipidelor complexe?
– Ce sunt vitaminele și cum se clasifică ele?
– Ce vitamine liposolubile cunoașteți? Scrieți formulele lor chimice.
– Care sunt principalele vitamine hidrosolubile? Scrieți formulele lor chimice.
– Ce sunt hormonii și cum se clasifică ei? Scrieți formulele lor chimice.
5.2.2. Aplicații de calcul
1. Glucoza se poate oxida prin fermentație la etanol și dioxid de carbon. Scrie ecuația reacției chimice de fermentație a glucozei. Calculează cantitatea de etanol ce se obține din 3,6 t soluție de glucoză de concentrație 20%.
2. Calculează compoziția procentuală masică elementală a unei pentoze.
3. 150 g de soluție de glucoză se tratează cu reactiv Fehling și se obțin 8,64 g precipitat. Determină concentrația procentuală a soluției de glucoză.
4. Calculează masa de soluție de azotat de argint de concentrație 20% necesară obținerii reactivului Tollens care oxidează 100 g soluție de glucoză de concentrație 18%.
5. Știind că la arderea unui mol de glucoză se degajă 2802 KJ, calculează cantitatea de căldură, exprimată în Kcal (1 Kcal = 4,18 KJ) degajată la arderea a 100 g glucoză.
6. Conținutul procentual, în zahăr, al sfeclei de zahăr este de 8%. Calculează masa de zahăr obținută din 2 tone de sfeclă de zahăr, cu un rândament global al operațiilor tehnologice de 80%. Scrieți formula moleculară a zaharozei și ecuația reacției chimice de hidroliză a acesteia.
7. Se hidrolizează 0,342 g zaharoză, iar amestecul rezultat se tratează cu reactiv Tollens și apoi se neutrălizează cu o soluție de hidroxid de sodiu de concentrație 0,2 moli/L. Calculează masa Ag depus și volumul soluției de hidroxid consumat.
5.3. Metabolism
5.3.1. Întrebări de verificare și evaluare a cunoștințelor
– Care sunt căile comune de degradare a aminoacizilor? Scrieți succesiunile reacțiilor ce au loc.
– Care este importanța biologică a ciclului ureogenetic și ce reacții au loc în această cale metabolică?
– Ce este codul genetic și care sunt caracteristicile lui?
– Care sunt etapele biosintezei proteice și ce reacții au loc în cadrul fiecăreia?
– Ce este metabolismul și care sunt principalele lui componente?
– Descrieți calea de degradare a glucozei prin glicoliză anaerobă
– în ce constă decarboxilarea oxidativă a acidului piruvic?
– Descrieți ciclul acizilor tricarboxilici.
– Ce reacții au loc în calea de biosinteză a triacilglicerolilor?
– Descrieți calea de degradare a acizilor grași prin b-oxidare.
5.4. Norme de protecția muncii
1. Ce măsuri de protecție trebuie luate în cazul manipulării unei soluții de acid clorhidric? Cum neutralizați această soluție în cazul unui accident?
2. Ce tip de apă distilată se utilizează în cromatografie?
3. Cum se omogenizează conținutul din cuvele de plastic în vederea citirii absorbanței?
4. Ce tip de cuvă se folosește pentru măsurarea absorbanței la 270 nm?
5. Care din următoarele materiale de laborator este adecvat pentru măsurarea unui volum de 2 mL soluție:
a) Pipeta Pasteur;
b) Pipeta automată;
c) Seringa Hamilton.
6. Care din următoarele materiale de laborator permite măsurarea cu o precizie satisfăcătoare a unor volume mai mari de soluție:
a) Flacoane cotate;
b) Cilindri gradați;
c) Biuretele.
7. Descrieți modul de preparare a 100 mL de soluție:
a) 50 mM glicina;
b) 1% clorură de sodiu;
c) 10 μM citocrom c.
8. Preparati 1 mL de soluție de clorura de sodiu de concentrație 5%.
9. Cum sunt stocate soluțiile tampon? De ce?
10. Care din următoarele materialele pot fi folosite la stocarea unor volume reduse de soluție:
a) Tuburi de 50 mL;
b) Tuburi de 15 mL;
c) Tuburi Eppendorf.
11. Cum procedați pentru a calibra o pipetă automată de volum maxim 1000 μL?
12. Cântăriți la balanța analitică 20 mg de clorură de sodiu și 300 mg de sulfat de cupru. Convertiți cantitățile în grame.
13. Cum procedați în situația în care o centrifuga trepidează la câteva secunde după ce a fost pornită? În ce situații se utilizează temperaturi scăzute în timpul centrifugării?
CAPITOLUL 6. NORME SPECIFICE DE LUCRU ÎN LABORATORUL DE BIOCHIMIE
Organizarea activității în laboratorul de biochimie
1. Reguli de protecție/lucru în laboratorul de biochimie
În laboratorul de biochimie se folosesc frecvent substanțe toxice și vătămătoare și din acest motiv este de preferat să se lucreze cu volume mici de soluții.
Pentru buna funcționare a laboratorului se impune respectarea următoarelor reguli:
Nu este permis consumul de alimente și de bauturi în interiorul laboratorului.
Fumatul este interzis.
Se va evita aducerea unui volum mare de haine, bagaje în laboratorul de biochimie.
Pentru reacțiile în care se degaja gaze sau pentru substanțele volatile se folosesc nișe speciale. În nișe se va stoca o cantitate minimă de reactivi.
Pentru manipularea substanțelor solide se folosesc spatule din metal sau plastic. Aceste substanțe nu se vor atinge.
Întotdeauna se va citi de doua ori eticheta reactivului folosit în experiment.
Halatele de laborator trebuie sa aibă lungimea necesară.
Părul lung se poartă strâns lângă corp pentru a se evita incendierea.
Se vor evita operațiunile lângă flacără. Înainte de a folosi un solvent organic studenții/elevii trebuie să se asigure ca nimeni nu folosește o flacără de gaz.
Soluțiile corozive sau toxice nu vor fi aruncate în instalația de scurgere din laborator.
Reziduurile chimice se depun în containere special amenajate.
Nu mirosiți direct chimicalele din sticle!
Mercurul, plumbul și alte metale grele sunt toxice pentru organismul uman.
În laborator vor lucra minim două persoane în cazul manipulărilor riscante.
În cazul unor accidente mici (tăieri, arsuri) trebuie utilizată trusa de prim-ajutor din laboratoare.
A. Leziunile ochilor
-se neutralizează substanța cu compusul corespunzător (pentru baze se folosește acid boric 2%, iar pentru acizi se folosește sulfat de magneziu 5%) și se clătesc repetat ochii cu apă pentru timp îndelungat (cel puțin 30 min);
B. Leziunile pielii
-se îndepărtează substanța cu un compus care o neutralizează (pentru baze se folosește acid acetic 1%, iar pentru acizi se folosește NaHCO3 2%) și se clătește sub un jet de apă; se îndepărtează hainele contaminate;
Se vor supraveghea sursele de curent electric pe parcursul funcționării. Aceste surse nu vor fi manipulate decât cu mâinile uscate.
C. La acacidentele electrice
-se închide siguranța;
D. La otrăviri
-se iau măsuri pentru limitarea efectelor otravirii
-substanțele otrăvitoare nu se țin pe masa de laborator!
în cazul arsurilor se pune gheață în tr-un prosop și se aplică pe părțile arse în scopul atenuării durerii și se transportă persoana la spital;
în cazul unor hemoragii se reduc pierderile de sânge (rana trebuie să fie la un nivel superior inimii);
în timpul și la finalul laboratorului se impune spălarea mâinilor.
2. Pictogramele și coduri de indentificare
Există 4 grupe de risc și acestea sunt reprezentate prin pictograme.
Etichetele recipientelor care conțin substanțe trebuie inscripționate cu “fraze de securitate” corespunzătoare. De exemplu: “S”-prudență (S1-a se păstra sub cheie), “R”-natura riscului (R1-exploziv în stare uscată; R48/20/21/22-nociv: pericol de efecte grave asupra sănătății la expunere prelungită prin inhalare, în contact cu pielea și prin înghițire).
Etichetele trebuie să aibă fondul roșu, portocaliu sau galben, iar înscrisurile trebuie să fie negre:
Exemple de pictograme și simboluri folosite în laborator
3. Materiale necesare în laboratorul de biochimie
Halat de laborator;
Calculator de buzunar;
Riglă;
Foarfecă;
Creion;
Marker stabil la apă;
Lipici.
Ochelarii de protecție și mănușile trebuie să fie nelipsite din laboratorul de biochimie.
Este obligatorie folosirea ochelarilor de protecție în experimentele în care se manipulează substanțe corozive (acizi sau baze tari, soluții concentrate de alcool) sau toxice.
4. Utilizarea reactivilor biochimici și soluțiilor
Calitatea apei
Cel mai comun solvent utilizat la prepararea soluțiilor din laboratorul de biochimie este apa. Nu se va folosi apă de canal, deoarece aceasta conține o varietate de impurități incluzând particule (nisip), compuși organici și anorganici sau gazele dizolvate, microorgansime (bacterii, virusuri, protozoare, alge). Mai mult, degradarea acestor organisme conduce la apariția unor produși suplimentari.
Pentru majoritatea experimentelor efectuate în laboratorul de biochimie se folosește apă deionizată sau distilată.
Pentru experimente speciale (cromatografia de lichide-HPLC sau FPLC, culturi de țesuturi, măsurători de fluorescență) se va utiliza numai apă cu un grad înalt de puritate (păstrată în sticle speciale).
5. Manipularea materialelor și instrumentelor
1. Pisetele conțin apa distilată;
2. Sticlele picurătoare conțin soluții alcoolice;
3. Sticlăria și alte materiale necesare pentru laborator se găsesc pe masa de laborator. Sticlăria utilizată se clătește cu apă distilată, iar la sfârșitul laboratorului se imersează în recipientul care conține o soluție acidă diluată;
4. Resturile solide netoxice se aruncă în sacii menajeri din laborator, iar cele toxice se depozitează în recipienți speciali;
5. Sticlele se manipulează cu grijă. Nu trebuie schimbate dopurile de la sticle.
După fiecare utilizare sticlele se în chid imediat.
Acuratețea experimentală depinde în mare măsură de calitatea echipamentelor și a instrumentarului. Se vor utiliza numai pipete de sticlă sau vârfuri de pipete curate, pentru a aspira lichide din sticle, din două motive:
o Multe chimicale și compuși biochimici sunt utilizați la concentrații mici (de ordinul picograme, micrograme sau miligrame). Orice contaminare a pipetei, paharelor sau cuvelor poate modifica compoziția soluției rezultate și implicit determina erori mari în experimente;
o Multe biochimicale și procese biochimice sunt sensibile la agenți de contaminare (ioni metalici, detergenți, compuși organici).
Sticlăria și lucrurile din plastic trebuie spălate cu o soluție cu detergent (concentrație mai mică decât 0,5% în apă), clătite cu apă și în final cu apă distilată. Uscarea sticlăriei se va face numai în etuve speciale folosite numai în acest scop.
6. Materialele din plastic
Figura 1.2. Materiale din plastic frecventfolosite în laboratorul de biochimie
a) Flacon 50 ml; b) Tuburi tip Eppendorf c) Petriuri din plastic
Flacoanele de 15 respectiv 50 ml pot fi folosite pentru stocarea soluțiilor tampon, pentru medii de cultură (este necesară sterilizarea în prealabil a acestor tuburi înainte de folosire) sau pentru centrifugarea unor volume mai mari de suspensii.
Tuburile Eppendorf se folosesc atât pentru prepararea unor cantități mici de soluție cât și pentru dilutii (prepararea probelor pentru electroforeză).
În cazul precipitării unor cantități reduse de compus biochimic (de exemplu precipitatea proteinelor cu acid tricloracetic) tuburile Eppendorf pot fi folosite la centrifugarea probelor (la o viteză maximă de 12000 rotații pe min).
Petriurile din plastic sterile se utilizează în special pentru obținerea unor medii de cultură solide.
7. Cuvele se manipulează cu grijă. Nu se va atinge decât suprafața optică a cuvei! Pentru măsurători exacte cuvele trebuie să conțină cel puțin o jumătate din volumul total cu lichid. în cazul unui set de măsurători se vor citi în prima fază soluțiile cele mai diluate după care se continuă în ordinea crescătoare a concentrației. Cuva va fi acoperită cu “parafilm” pentru a evita evaporarea soluțiilor (fapt ce ar determina o imprecizie a măsurătorilor) și pentru a permite omogenizarea conținutului (prin inversarea acesteia de 2-3 ori). Parafilmul nu se va folosi la soluțiile care conțin solvenți organici polari (cloroform, dietileter, acetonă). Cuvele de sticlă se spală cu o soluție cu detergent 0,5%, pe o baie de ultrasunete, clătite cu apă distilată și cu soluție alcoolică pentru o uscare mai rapidă. Cuvele din plastic nu se vor spăla decât cu detergent și se vor clăti cu apă distilată.
8. Spectrofotometru
Înainte de utilizarea spectrofotometrului trebuie verificate următoarele aspecte:
– trebuie verificată lungimea de undă;
– trebuie verificată poziția cuvei (astfel încât fasciculul să traverseze suprafața optică);
Se pornește calculatorul, după care se pornește spectrofotometrul ( întrerupatorul se afă în partea din spatele instrumentului lângă cablul de alimentare).
Instrumentul va intra în regim în circa 10-15 minute.
Pentru măsurarea la o singură lungime de undă se apasă pe icoana “Instrument control” și se confirmă (“OK”) tipul de suport pentru cuva utilizată (termostat de tip Peltier), după care se procedează astfel:
– Se apasă “” pentru fixarea lungimii de undă dorite;
– Se apasă “Ref” pentru proba care conține soluția de referință;
– Se apasă “Read” pentru a citi absorbanța probei de analizat.
Pentru urmărirea unei reacții enzimatice se apelează icoana “Time Drive”, se fixează parametrii doriți (lungime de undă, intervalul de măsură sau temperatură)
A. B. C.
Figura 1.3. Tipuri de cuve (A –cuarțz; B-plastic) și folie folosită la acoperirea cuvelor (C-Parafilm)
9. Trasferul calitativ al lichidelor
Practica biochimică se bazează pe multe metode analitice.
Bulbii mai mici din cauciuc sunt utilizați pentru pipetele Pasteur, pipete cu care se aspiră volume de 1-2 mL. Para din silicon este folosită pentru pipetele gradate sau cu volum fix. Trebuie evitată pătrunderea solventului în bulbul/para pipetei. De aceea se aspiră un volum de lichid astfel în cât să se depășească linia de umplere cu circa 2-3 cm. Se eliberează lichidul până când meniscul se situează pe această linie. Pentru transferul lichidului se atinge recipientul sau paharul cu vârful pipetei și se eliberează lichidul.
Pipetele Mohr sunt cele mai utilizate în laboratorul de chimie (pentru volume între 0,1-10 ml). Pipetele serologice sunt gradate invers comparativ cu pipetele Mohr.
Curatirea pipetelor
Imediat după utilizare, pipetele sunt plasate într-un cilindru vertical și se acoperă cu o soluție diluată de detergent (< 0,5%). După clătire cu apă de canal se continuă cu apă distilată.
A. B. C. D. E. F. G.
Figura 1.4. Dispozitive pentru măsurarea volumelor și adaptorii
A. Pipete de sticlă (volumetrică, Mohr sau serologică); B. Pipeta Pasteur; C. Seringa Hamilton; D. Pară pentru pipetare; E. Bulbi pentru pipeta Pasteur; F. și G. Dispozitive mecanice folosite la pipetare
Pipetele automate
Pipetele automate sunt folosite cu vârfurile corespunzătoare.
Pentru evitarea erorilor suplimentare pipetele automate se vor folosi numai în intervalul de volum indicat.
Reglarea pipetelor
Pe cadranul pipetelor apar 3 cifre, iar volumul se citește de sus în jos (sau de la stânga la dreapta). Cele trei cifre sunt cu negru și/sau roșu.
Pipetarea corectă
Există două etape principale care apar în decursul pipetării:
Aspirarea – Se acționează pistonul pipetei până la primul punct (pasul 1) fără a imersa pipeta în lichid. Se eliberează în cet pistonul pentru a aspira proba.
Expulzarea – Se acționează pistonul pipetei până la primul punct (pasul 1) după care se așteaptă circa 1 secundă și se continuă până la cel de-al doilea punct (pasul 2) în scopul de a îndepărta și resturile de lichid rămase pe vârf.
Pentru transferul rapid și exact al unor volume mai mari decât 5 ml se pot folosi dispozitive speciale. Acestea sunt disponibile în diferite mărimi și sunt folosite pentru transferul materialelor corozive.
Figura 1.5. Folosirea pipetelor automate: A-Aspirarea B-Expulzarea
Flacoanele cotate pot fi folosite de asemenea pentru măsurarea volumelor mici.
Pentru volume mai mari se utilizează atât flacoanele cotate cât și cilindri gradați. Nu se vor folosi flacoanele cotate pentru reacții chimice sau pentru încălzirea soluțiilor.
Pentru transport nu se vor folosi cilindri – se preferă paharele.
Biuretele pot fi utilizate în aceleași scopuri ca și pipetele. Asemeni pipetelor, biuretele sunt instrumente precise de măsurare a volumelor de lichid. Avantajul utilizarii biuretelor este intervalul larg de măsurare al volumelor. Dezavantajul este acuratețea mai mică comparativ cu pipetele automate. Biuretele se folosesc în special pentru determinarea cantitativă, prin titrare, a unor compuși biochimici.
10. Calcularea concentrațiilor
În biochimie concentrațiile se exprimă cu ajutorul unor unități de măsură diferite:
Molaritatea (M) – concentrația bazată pe numărul de moli solut dizolvați într-un litru de soluție.
Exemplu: o soluție de glicină 1 M (Mglicina = 75,07) conține 1 mol de glicină sau 75,07 g glicină dizolvată într-un volum de 1L.
1 mM = 1 x 10-3 M; 1 μM = 1 x 10-6 M;
1 nM = 1 x 10-9 M; 1 pM = 1 x 10-12 M.
O soluție de glicină 3 mM conține 3 x 75,07 x 10-3 g (0,2252 g) de glicină într-un volum de 1L. În situația în care se prepară un volum de 100 mL de soluție de aceeași concentrație se vor cântări 0,02252 g (22,52 mg) de glicină și se vor dilua la volumul corespunzător.
Procente gravimetrice (%g/g) – concentrația bazată pe numărul grame solut dizolvat în 100 g soluție. O soluție stoc de 10% SDS (SDS-dodecilsulfat de sodiu-detergent utilizat în electroforeza proteinelor) conține 10 g detergent dizolvat în 100 g soluție.
Procente volumetrice (%g/vol) – concentrația bazată pe numărul grame solut dizolvat în 100 mL soluție. O soluție de 10%g/vol de APS (persulfat de amoniu-utilizat drept inițiator în reacția de polimerizare a acrilamidei) conține 10 g compus la 100 ml soluție.
Greutate volumetrică (g/vol) – concentrația bazată pe cantitatea de solut (g, mg) dizolvată în tr-un volum de soluție (mL sau L). De exemplu concentrația de 30 mg/ml BSA (albumina serică bovină) se obține prin dizolvarea a 30 mg proteină în 1 mL (1000 μl) soluție.
Prepararea și păstrarea soluțiilor
Solutul este cântărit pe hârtie de cântărire sau pe farfuriuțe speciale din plastic. În cazul lichidelor se vor folosi pipete dacă densitatea este cunoscută. Pentru substanțele cu vâscozitate ridicată (Glicerina, PEG-polietilenglicol) se preferă cântătirea acestora în ainte de prepararea soluției.
Se recomandă păstrarea soluțiilor tampon etanș la 4C pentru a evita dezvoltarea bacteriilor și a diminua degradarea reactivilor. Unele soluții trebuie depozitate sub 0°C (soluțiile stoc de ATP, unele enzime, soluțiile de ADN, soluția de APS 10%). Soluțiile trebuie în totdeauna etichetate cu denumirea, concentrația soluției, data și numele experimentatorului.
Cântărirea
Balanțele analitice sunt cel mai frecvent utilizate pentru cântărirea reactivilor solizi sau lichizi (în cazul în care nu se cunoaște densitatea soluției sau soluția este vâscoasă). În biochimie, în marea majoritate a cazurilor se folosesc cantități reduse de reactivi și din acest motiv cântărirea trebuie să fie adecvată (de exemplu 5 mg = 0,00500 g; 40 mg =0,0400 g; 200 mg = 0,200 g). Nu se vor folosi pahare fiebinți pe balanță pentru a nu deregla sistemul mecanic al acesteia. În situația în care pe parcursul cântăririi se depun substanțe pe talerul balanței se recomandă folosirea pensulei pentru curățirea acesteia.
11. Centrifugarea
Centrifugarea este un proces care utilizează forța centrifugă pentru a separa lichidele pe baza densității materialului. De exemplu, proteinele sau acizii nucleici pot precipita în anumite soluții tampon sau organice. Aceste biomolecule pot fi sedimentate prin centrifugare. Unul dintre aspectele importante în cazul centrifugării este balansarea centrifugii (un tub cu aceeași greutate este plasat diametral opus față de un alt tub; există însă și situații când tuburile nu se plasează diametral opus, ci simetric – trei tuburi pot fi plasate la distanțe egale).
În cazul în care centrifuga nu este calibrată corespunzător, există probabilitate mare de producere a unor accidente grave. În cazul în care în decursul centrifugării se aude un zgomot suspect, se va opri imediat centrifuga. În situația în care se va efectua centrifugarea la temperaturi scăzute (folosite în special la prepararea extractelor enzimatice) capacul centrifugei va fi închis după ce probele au fost centrifugate. În caz contrar sistemul de răcire al centrifugei poate fi afectat.
BIBLIOGRAFIE
Dr. Sorin Gheorghe Bolog, Curs Biochimie –, http://ro.scribd.com/doc/172366413/Biochimie-Curs-2#scribd
Dr. Elena-Ciornea – Biochimie generală, Curs, http://www.medtorrents.com/load/biochimia/biochimie_generală_curs_de_dr_elena_ciornea/7-1-0-637
Ileana Olteanu, Lucian Dican – Biochimie, curs lucrări practice, Editura Medicală Universitară „Iuliu Hațieganu”, Cluj-Napoca, 2005
Ileana Olteanu, Gheorghe Jebeleanu – Biochimie metabolică, Editura Medicală Universitară „Iuliu Hațieganu”, Cluj-Napoca, 2002
Ileana Olteanu – Biochimie descriptivă, Editura Medicală Universitară „Iuliu Hațieganu”, Cluj-Napoca, 2001
http://ro.wikipedia.org/wiki/Vitamin%C4%83
www.bio.unibuc.ro/pdf/…/Stoica_Structura%20acizilor%20nucleici.pdf
L. Vlădescu, C. T. Mihăilă, L. I. Doicin – Chimie, Manual pentru clasa a X-a, Grup Editorial ART
L. Vlădescu, C. T. Mihăilă, L. I. Doicin – Chimie, Manual pentru clasa a XI-a C1, Grup Editorial ART
M. Iovu – Chimie organică, Editura Didactică și Pedagogocă, București, 1999
A. Oșan, Biochimia sistemului hormonal, University Press, Târgu Mureș, 2006
https://robi74ro.files.wordpress.com/2010/03/protectia-municii-introducere.pdf
https://adrianachis.files.wordpress.com/2015/05/ch-an-cursul-11-metode-optice.pdf
http://ro.scribd.com/doc/146500211/electroforeza#scribd
http://www.rasfoiesc.com/educâtie/fizica/Spectrofotometria-fotometria-s37.php
Copyright Notice
© Licențiada.org respectă drepturile de proprietate intelectuală și așteaptă ca toți utilizatorii să facă același lucru. Dacă consideri că un conținut de pe site încalcă drepturile tale de autor, te rugăm să trimiți o notificare DMCA.
Acest articol: Biochimie (ID: 110788)
Dacă considerați că acest conținut vă încalcă drepturile de autor, vă rugăm să depuneți o cerere pe pagina noastră Copyright Takedown.