Biochimie descriptiva Biochimie si toxicolog ie – Curs 1 [624894]

Biochimie descriptiva / Biochimie si toxicolog ie – Curs 1
Energia
Producerea, stocarea și utilizarea e nergiei sunt aspect importante în econo –
mia celulei. Aceste procese sunt guvernate de tăria legăturilor chimice și determină
atât direcția cât și viteza reacției chimice respective . Celulele necesit ă energie
pentru o multitudine de procese, incluzând sinteza glucozei din CO 2 și apă din
cadrul fotosintezei, contracția muscular ă și replicarea ADN -ului.
Energia de interes în studiul sistemelor biologice sau chimice este “energia
potențială” sau energi a stocat ă. Energia potențială a atomilor sau moleculelor
conferă acestora abilitatea de a suferi reacții chimice în care se eliberează energie.
De exemplu, molecula de glucoză are o energie potențială ridicată . Energia
necesară pentru desfășurarea unor pr ocese celulare provine în principal din energia
eliberată l a ruperea unor legături chimice .
Toate formele de energie sunt interconvertibile în conformitate cu principiul
I al termodinamicii care menționează faptul că energia nu este creată și nici
distrus ă. De exemplu, în procesul de fotosinteză, energia radiației luminoase este
transformată în energie chimică potențială stocată în legăturile dintre atomii
moleculei de glucoză. În mușchi și nervi, energia chimică potențială este
transformată în energie mec anică și cinetică.
Deoarece toate formele de energie sunt interconvertibile, acestea pot fi
exprimate folosind aceleași unități de măsură – caloria sau Kilocaloria.
Legăturile chimice
Există două tipuri de legături chimice: puternice (covalente) sau s labe
(necovalente). Legăturile coval ente sunt predominante în compușii organici și au
loc între atomii individuali dintr -o moleculă. Legăturile necovalente dictează
arhitectura tridimensională a moleculelor biologice mai mari sau a unor complecși
prin coop erativitate (deși niciuna dintre legături nu este put ernică, efectul mai
multor legături necovalente simultane poate fi considerabil) . De asemenea,
legăturile necovalente pot fi desfăcute mult mai ușor fapt care le permite să stea la
baza unor procese dina mice guvernate de reacții la echilibru .
Legăturile covalente sunt foarte stabile; energia necesară ruperii unei
legături covalente este mai mare decât energia termică disponibilă la temperatura
corpului (25 /37 °C).

Modificările chimice au loc datorită fa ptului că energia necesară ruper ii
legăturilor este furnizată prin formarea altor legături. De regulă, diferențele de
energie dintre reactanți și produși variază între 1 și 20 Kcal /mol.
În decursul unei reacții moleculele adoptă stări energetice temporare (care
posedă energie mult mai mare) iar energia necesară pentru a obține aceste stări,
care poate atinge chiar și valori de 100 Kcal /Mol, constituie un parametru al
stabilității chimice. Acest “imbold” energetic poartă numele de energie de activare .
Siste mele biochimice acționează specific pentru a învinge energiile de activare,
direcționând preferențial reacțiile chimice.
În situația în care doi sau mai mulți atomi formează legături covalente cu un
atom central, aceste legături formează unghiuri (dintre două legă turi) a căror
orientare (valoare) este bine definit ă. Mai mult, atomii implicați în formarea unei
legături duble nu se pot roti liber în jurul axei legăturii. Rigiditatea planarității
impusă de legăturile duble este un parametru esențial care joac ă un rol definitoriu
în stabilirea conformației moleculelor biologice cu mase moleculare mari (proteine
și acizi nucleici). În plus, energia the formare a legăturilor duble sau triple din
diverse molecule este mai ridicată comparativ cu energia de formare a unei legaturi
simple.
Legătura
covalentă Energia
(Kcal /Mol) Legătura
covalentă Energia
(Kcal /Mol)
C≡C 213 C−O 86
C=O 174 C−C 83
C=C 146 C−Cl 81
C−F 103 S−H 81
O−H 111 C−N 73
C−H 99 C−S 62
N−H 93 O−O 35

Cele mai frecvent întâ lnite legături duble care se regăsesc în moleculele
biologice sunt : C=C, C=N, C=O și P=O.

O serie de grupări funcționale sau conexiuni intramoleculare sunt frecvent
întâlnite în biomolecule :

Grupări care apar din biomolecule

Patru clase principale de biomolecule mici se regăsesc î n celulă : aminoacizii,
carbohidra ții, nucleotidele și lipidele. Aceste biomolecule pot forma lanțuri
macromoleculare mai mari (polimeri) sau pot interacționa prin intermediul unor
forțe slabe situație în care pot rezulta suprastructuri molecula re cu importanță
fiziologică.
Dipolii rezultă prin distribuția inegală a electronilor în legăturile
covalente
În legătur ile covalent e una sau mai multe perechi de electroni sunt împărțite
de către doi atomi. În anumite situații, atomii parteneri exerci tă atracții diferite
pentru electronii de legătură, re zultân d astfel o distribuție inegală a electronilor.
Capacitatea de atracție a atomului pentru electroni poartă numele de

electronegativitate. Într-o legătură covalentă în care atomii sunt identici sau diferiț i
dar posedă aceeși electronegativitate; electronii de legătură sunt distribuiți în mod
egal. O asemenea legătură se numește nepolară. În situația în care electronegativi –
tatea atomilor implicați este di ferită, unul dintre aceștia va e xercita o forț ă de
atracție mai mare asupra electronilor de legătură. O legătură de acest tip se
numește dipolară ; un capăt este parțial încărcat negativ ( δ-) iar celălalt capăt este
parțial încărcat pozitiv ( δ+). De exemplu, în molecula de apă atomul de oxigen, cu
electronegativitatea 3,5, atrage electronii de legătură mai mult decât atomii de
hidrogen (cu electronegativitatea 2,1) ; cu alte cuvinte , electronii de legătură petrec
mai mult timp pe orbita atomului de ox igen decât pe orbita atomilor de hidrogen.
Dat fiind faptul că ambii atomi de hidrogen sunt de aceeași parte a atomului de
oxigen, această parte a m olecule are un caracter parțial pozitiv, pe când cealaltă
parte a re o sarcină parțial negativă . O moleculă care î ncorporează separate sarcini
pozitive și negati ve se numește dipol ară.
Legătura necovalentă stabilizează structurile macromoleculelor
Multe legături care mențin structurile moleculelor mari, cum ar fi proteinele
și acizii nucleici, nu sunt covalente. Forțele care stabilizează structura tridimen –
sională a moleculelor mari individuale și care stau la baza interacțiilor dintre
molecule sunt adesea mai slabe. Energia eliberată la formarea acestor legături
necovalente este de numai 1 -5 Kcal/Mol. Deoarece energia cinetic ă medie a
moleculelor la temperatur a camerei este de aproximativ 0,6 Kcal/Mol, multe
molecule posedă suficient ă energie pentru a desface aceste legături slabe. La
temperaturi fiziologice (25-37 °C). Legăturile slabe au o existență tranzitorie, dar
multe acționează simultan cu scopul de a da naștere la structuri stabile.
Principalele tipuri de legături necovalente sunt : legăturile de hidrogen,
legăturile ionice, interacțiuni le de tip van der Waals și interacțiuni le hidrofobe.
Legătura de hidrogen
În mod normal, un atom de hidrogen formează o legătură covalentă cu un alt
atom. Mai mult, un atom de hidrogen legat covalent poate forma o legătur ă
suplimentară, o legătură de hidrogen , care este o asociație slabă dintre un atom
electronegativ (acceptor) și un atom de hidrogen legat covalent de un alt atom
(donor). Atomul de hidrogen este mai aproape de donor comparativ cu acceptorul.

D H+ A D H A
legatura
dehidrogen
Legătura covalentă dintre donor și atomul de hidrogen trebuie să fie
dipolară, iar învelișul electronic al atomului acceptor trebui e să posede electroni de
nelegătură care atrag sarcina δ+ de pe atomii de hidrogen. Legăturile de hidrogen
din apă sunt un exemplu clasic: un atom de hidrogen dintr -o moleculă este atras de
o pereche de electroni din învelișul electronic extern al atomului de oxigen dintr -o
moleculă învecinată. Tăria legăturii de hi drogen din apă este de aproximativ
5 Kcal /Mol, fiind mult mai slabă decât a legăturii covalente H -O.
O caracteristică important ă a legăturii de hidrogen este orientarea spațială . În
legăturile de hidrogen puternic e donorul, atomul de hidrogen și acceptorul sunt
situați pe aceeași linie.

Deoarece legăturile N -H sunt dipolare, atomii de azot pot fi donori într -o
legătură de hidrogen, la f el ca atomul de oxigen din legă turile O -H ale a ltor
molecule (incluzând apa). Azotul și oxigenul pot fi acceptori în formarea
legăturilor de hidrogen din sistemele biochimice. De exemplu, legăturile de
hidrogen sunt importante în procesul de cataliză enzimatică, proces în care
enzimele (macromolecule s peciale) interacționează cu substratul (compuși cu masă
moleculară redusă ). Prezența diverselor grupări (hidroxil –OH, carbonil C=O,
carboxilat -COO- sau amoniu -NH 3+, grupările peptidică și esterică ) confer ă
moleculelor proprietatea de a fi solubile în ap ă (hidrofile) . Aceste grupări conferă
solubilitate proteinelor, acizilor nucleici sau carbohidraților. În contrast,
subst anțele nepolare, nu posedă grup ări donoare sau acceptoare de hidrogen.

Legăturile ionice
În soluții apoase, ionii simpli importan ți din punct de vedere biochimic (Na+,
K+, Ca2+, Mg2+ și Cl-) nu sunt entități izolate. Fiecare din tre acești ioni este
înconjurat de un strat de molecule de apă , care alcătuiesc un înveliș pentru aceste
entități încărcate. Interacțiunile au loc preponderent între ioni și partea dipolui apei
care este încărcată diferit .
O estimare a dimensiunii acestor ioni trebuie să includă și moleculele de apă
care-i înconjoa ră. Ionii joacă un rol important atunci când sunt transportați prin
pori înguști sau canalele din membranele celulare. Trecerea ionilor prin membrane
este esențială atât pentru transmiterea impulsurilor nervoase cât și pentru
stimularea contracției muscula re.
Majoritatea compușilor ionici sunt destul de solubili în apă deoarece o
cantitate apreciabilă de energie este eliberată prin legarea acestor ioni de
moleculele de apă. Ionii opuși hidratați au o tendință redusă de recombinare.
Interacțiuni le de tip v an der Waals
Fluctuații le aleatorii di n distribuția electronilor unui atom pot conduce la
apariția unor dipoli de tranziție. Dacă doi atomi legați necovalent sunt unul în
proximitatea celuilalt, dipolul de tranziție al unuia va perturba norul electronic a l
celuilalt. Această fluctuație de sarcină generează un dipol de tranziție și în cel de -al
doilea atom, după care acești doi dipoli sunt ușor atrași unul de celălalt. Toate
tipurile de molecule, atât polare cât și nepolare, pot fi implicate în interacții de tip
van der Waals . În particular, acest tip de legături este responsabil pentru coeziunea
dintre moleculele (lichide sau sol ide) nepolare care nu pot forma legături ionice
sau de hidrogen cu alte molecule.
În cazul în care atracția de tip van der Waals dintre doi atomi este
contracarată de repulsia dintre norii electronici ai celor doi atomi se poate spune
faptul că cei doi atomi sunt în contact van der Waals. Fiecare tip de atom are o rază
de contact cu alți atomi numită rază van der Waals . Energia une i interacțiuni de tip
van der Waals este de aproximativ 1 Kcal /Mol, cu foarte puțin peste energia
termică a moleculelor la 25 °C. Astfel , interacțiunile de tip van der Waals sunt
chiar mai slabe decât legă turile de hidrogen care în mod normal posedă o energie
mai ridicată în soluții apoase (de circa 1-2 Kcal /Mol ). Atracția dintre două
biomolecule mari poate fi apreciabilă în situația în care aceste molecule au forme
complementare, astfel încât pot fi implicate în mai multe contacte van der Waals

atunci când sunt în proximitate. Contactele de tip van der Waals sunt interacțiuni
des întâlnite în biochimie : interac țiunea anticorp -antigen sau legarea substratului în
situsul catalitic (cavitatea) al unei enzime.
Interacți ile hidrofobe
Moleculele nepolare nu con țin ioni sau legături dipolare și din acest motiv
nu pot fi hidratate. Deoarece aceste molecule sunt insolubile sau foarte puțin
solubile în apă poartă numele de substanțe hidrofobe. Miezul sau partea centrală a
majorității membranelor biologice, incluzân d suprafața membranei celulare, este
compus aproape exclusiv din părțile hidrocarbonate ale unor molecule (lipide) și
conțin foarte rar molecule polare.
O moleculă nepolară nu poate forma legături de hidrogen cu moleculele de
apă, distorsionând aceste mole cule și forțându -le să f ormeze o cușcă de legături în
jurul acesteia, dar nu cu aceasta. În schimb, moleculele nepolare pot fi implicate în
interacțiuni de tip van der Waa ls. Acest fapt conferă o tendință puternică a
moleculelor hidrofobe de a se asocia și a nu se dizolva în apă.

Specificitatea de legare poate fi conferită de interacțiunile slabe
Este cunoscut faptul că existența mai multor legături necovalente conferă
stabilitatea moleculelor biologice mari. Aceste interacțiuni conferă specificitate
prin faptul că dictează împachetarea moleculelor mari sau modul de interacțiune
dintre molecule diferite. Toate legăturile slabe sunt efective n umai pe distanțe
scurte, necesi tând contactul eficient dintre grupările reactante. În cazul legăturilor
necovalent e se impune existența unei complementarități între suprafețele care
conțin grupările respective. Figura următoare exemplifică o serie de legături slabe
care guvernează interacțiunea dintre două proteine (sau seg mente din aceeași
proteină).

Legarea unor părți d intr-o proteină /proteine diferite
prin intermediul legăturilor slabe

pH-ul sistemelor biochimice
Una dintre proprietățile cele mai importante ale fluidelor biologice o
constituie pH -ul. Valoarea pH -ului citoplasmei celulei este de circa 7,2 în timp ce
al mitocondriei este 7,8 -8,2. Unele organite celulare au valori mai scăzute ale pH –
ului. De exemplu, lizozomii au un pH de circa 5. Astfel, valoarea concentrației
protonilor este de circa 100 de ori mai ridicată decât cea din citoplasmă. O valoare
optimă a pH -ului este esențială pentru menținerea structurii unor molecule și
determină funcționarea optimă a acestora. Pe de altă parte, schimbarea dramatică a
pH-ului celular poate juca un rol important în controlarea activ ității celulare. De
exemplu, pH -ul citoplasmei unui ou nefertilizat de arici de mare este de 6,6. La un
minut după fertilizare pH -ul crește la 7,2. Astfel schimbările de pH par să
declanșeze atât crește rea cât și diviziunea celulară.
Valoarea pH -ului unui sistem biochimic este men ținută cu ajutorul
sistemelor tampon. Principalul sistem tampon la nivel extracelular este sistemul
bicarbonat -acid carbonic (HCO 3-/H2CO 3). Există și alte sisteme tampon care

intervin pentru men ținerea pH -ului: proteinele celulare (proteină acidă/proteinat ),
albuminele , globulinele plasmatice (hemoglobina / hemoglobinat și oxihemo –
globina / oxihemoglobina t) și pompe le proto nice (proteine membranare care f avo-
rizează traficul în “contracure nt” a ionilor de H+ și K+ prin membrana celulară ). De
asemenea din procesele metabolice rezultă acizi organici (piruvic, l actic sau
cetoacizi ) sau anorganici respectiv baze sau anioni organici ( citrat, lactat sau
acetat ). Concentra ția ionilor de H+ din plasmă este 35 -45 mmol/L ( pH= 7,35 -7,45).
Menținerea pH -ului plasmei se realizează prin 3 mecanisme: de tampon are, de
compensare (respiratorie sau renală ) sau de corectare.
Mulți compuși din cel ulă conțin numeroase grupări care pot fi disociate.
Valoarea pKa-ului unei grupări acide este egală cu pH-ul la care jumătate din
molecule sunt disociate, iar cealaltă jumătate sunt neutre .
Ionii fosfat sunt prezenți în cantități
considerabile în celulă și sunt factori
importanți în menținerea (tamponarea) pH –
ului citoplasmei. În acizii nucleici grupările
fosfat se regăsesc sub forma unui diester.
Valoarea pKa -ului corespunzător disocierii
protonului -OH este de aproximativ 3. Astfel,
la pH neutru (pH 7) fiecare grupare fosfat din
acizii deoxiribonucleic (ADN) sau ribonucleic
(ARN) este încărcată negativ.

Direcția reacțiilor chimice
Dat fiind faptul că moleculele biochimice sunt menținute la temperatură și
presiune constantă, direcția unei reacții chim ice poate fi intuită pe baza energiei
potențiale sau energiei libere . Modificările energiei libere caracteristice unei reacții
sunt influ ențate de temperatură, presiune, concentrația inițială a reactanților și
produșilor sau pH. De asemenea, valoarea energ iei libere standard indică sensul
(deplasarea echilibrului) unei reacții biochimice.

Constantele de disociere ale reacțiilor de “legare” reflectă afinitatea
moleculelor partenere
Conceptul de echilibru chimic se aplică și în cazul legării unei molecule la o
altă moleculă. De exemplu, legarea unui ligand (hormonul insulină sau adrenalină) CO PO
O
OHCH2
CO PO
O
O-CH2pKaaprox.3

la receptorul său de pe suprafața unei celule poate activa o întreagă cale
metabolică. O altă situație este legarea specifică a unei proteine la o secvență de
nucleotide (perechi de baze) dintr -o moleculă de ADN care poate determina o
intensificare sau reducere a copierii informației genetice din vecinătatea acelei
secvențe. Cel mai frecvent reacțiile de legare sunt descrise de constantele de
disociere (K d) ale complecșil or rezultați. Pentru perechile protein ă-proteină sau
proteină -ADN constantele de disociere de sub 10-9 M reflectă o interacțiune
puternică, în timp ce valori mai mare de 10-6 M respectiv 10-3 M indică interacțiuni
medii respectiv modeste. Constantele de disociere 10-5-10-6 M au fost determinate
în ca zul unor receptori (CD2 de pe supraf ața limfocitelor T ) care sunt implica ți în
interacțiuni tranzitorii . Constanta de disociere a lizozimului de un anticorp ( altă
proteină ) este de 2,2 x 10-8 M. 16 aminoacizi ai lizozimului interac ționează cu 17
resturi ale anticorpului ( cu forma rea a 12 legături de hidrogen între parteneri ). În
schimb , sistemul cu afinitatea cea mai mare ( constanta de disocie re cea mai mică )
o constituie interac țiunea dintre avidin ă sau streptavidin ă (protein e cu mase
moleculare de peste 60.000) și o moleculă mai mică numită biotin ă (vitamina B7 ).
Constanta de disociere a sistemului este de ordinul 10-14-10-15 M.
Reacții redox în procesele biochimice
Într-o reacție redox schimbările potențialului electric sunt datorate
schimbărilor cumulate a potențialelor de reducere din etapele de oxidare sau
reducere. Deoarece toate formele de energie sunt interconvertibile schimbările
energie i libere pot fi corelate cu cele ale potențialului :
G (Kcal/Mol) = – n F E (V)
ATP -ul este o sursă de energie pentru procesele celulare
Energia de hidroliză a ATP -ului (adenozin trifosfatului) la ADP (adenozin
difosfat) este folosită (prin intermediul unor sisteme enzimatice) la: sinteza
proteinelor sau oligozaharidelor, deplasarea celulelor, contracția musculară,
transpo rtul moleculelor prin membrane.

Energia de activare și viteza de reacție
Energia de activare este energia necesară pentru inițierea unei reacții.
Doi factori importanți de care depinde viteza unei reacții chimice sunt
concentrația reactanților și pH -ul soluției .

Teoria st ării de tranziț ie este utilizat ă pentru stabilire a unor corelații între
structură și reactivitate. Î n starea fund amentală sunt considerați entități fizice
numai reactanții pe când în starea de tranziție sunt cosiderate numai sp eciile
instabile (energia liberă cea mai mare). Astfel, starea de tranzi ție este caracterizată
printr -un maxim în diagrama de reacție, în care se urmărește dependența energiei
speciilor în decursul reacț iei. Bioc atalizatorii (enzimele) acționează în așa manieră
încât micșoreaz ă energia liberă a stării de tranziție comparativ cu reacț ia
necatalizat ă. Diferenț a dintre valorile G‡ pentru reacț iile catalizate E a și
necatalizate (E a’) indic ă eficienț a catalizatorului.