Cur - biomolecule

1. CURS 1
NOTIUNI INTRODUCTIVE
• Caracteristicile biochimice ale materiei
vii.
• Compozitia chimica generala a
organismului uman.
• Relaţia biomolecule – organizare
celulara.

2. Caracteristicile biochimice ale
materiei vii
Materia vie este alcătuită din elemente chimice
care se găsesc si în materia anorganică.
În functie de ponderea pe care o au în
organismele vii, elementele se clasifică în:
- macroelemente
- microelemente

3.  macroelemente (99% din masa organismului):
C, H, O, N, S, P, Ca, Cl, Mg, Na, K;
- sunt numite si elemente plastice
 microelemente sau oligoelemente (< 1% din masa
organismului):
Fe, I, F, B, Cu, Co, Cd, Se, Mo, Va, Ba, Li;
- multe dintre ele intra în structura unor hormoni si
enzime, participând astfel la cataliza unor importante procese
metabolice din organism

4. În organismul uman s-a constatat prezenta în permanentă a 21 de elemente,
numite si elemente esentiale. Concentratia acestora în organism a
determinat clasificarea lor în 3 grupe:
I. C, H, O si N – elemente în concentratie mare (60% din
atomi);
II. Na, K, Cl, Ca, Mg, P, S – elemente în concentratie mică
(0,02 – 0,1% din atomi);
III. Fe, Si, B, Cu, Mn, Zn, I, Ni, Co, Se – elemente în
concentratie foarte mică (sub 0,02% atomi) – de ordinul unei
sutimi / miimi de mg fiecare.

5. Elementele în concentratie mare: atomul de C, atomii de
H si O reprezinta constituenti elementari ai materiei vii, formand
glucide si lipide. Combinarea atomilor de C, H si O cu un alt
element esential, atomul de N, conduce la formarea proteinelor,
cele mai importante structuri ale organismelor vii.
Elementele de concentratie mica: P, S, Ca, Mg, Na, K fie
intra in structura unor molecule ale materiei vii, fie participa ca
elemente indispensabile la transportul unor substante in
interiorul si in afara celulei.
Elementele de concentratie foarte mica intra in structura
unor enzime sau sunt activatori ai altora, astfel incat deficitul lor
afecteaza grav metabolismul celular.

6. Principalele bioelemente esentiale, in marea lor majoritate, sunt situate in
primele patru perioade ale tabelului lui Mendeleev, ceea ce confera anumite
particularitati materiei vii, facilitandu-i insasi existenta. Biosul este alcatuit
din atomi usori care se combina in compusi de complexitate redusa.
Compusii formati prezinta proprietati de importanta vitala
pentru organismele vii:
• hidrosolubilitatea  transportul substantelor
nutritive si al altor substante intre celule
• foarte slaba conductivitate electrica si termica, in
contrast cu o caldura specifica ridicata  desfasurarea
proceselor metabolice.

7. Biomoleculele
Biomoleculele se formeaza din combinarea bioelementelor
intre ele si sunt de 2 categorii:
• anorganice – reprezentate de apa si saruri minerale;
• organice – reprezentate de glucide, lipide, proteine,
vitamine, enzime, hormoni s.a.
Biomoleculele organice sunt compusi organici ai atomului
de C, au structura si functii specifice care le confera un rol foarte
important pentru existenta vietii.

8. BIOELEMENTE
Plastice (99%) Catalitice (1%) - Oligoelemente
C, H, O, N, P, S, Ca,
Mg, Na, K, Cl
Fe, Cu, Co, Mn, Mo, Cd, I,
B, F, Br, Zn, Ni, Se etc.
Biomolecule
Anorganice
H2O (60%) Saruri min (5%)
Organice
Rol plastic si
energetic
proteine
glucide
lipide
Rol catalitic si
reglator
• enzime
 vitamine
 hormoni
Rol
informational
 ARN
 ADN

9. La baza formarii biomoleculelor din bioelemente stau 4
tipuri de legaturi:
• legatura covalenta (unele avand caracter macroergic)
• legatura ionica
• legatura de hidrogen
• legatura hidrofoba
• legatura macroergica
• legatura Van der Waals

10. Legatura covalenta este o caracteristica a compusilor
organici si se realizeaza prin punerea in comun a electronilor
intre 2 atomi:
2e–  legatura simpla
4e–  legatura dubla
6e–  legatura tripla
Legaturi covalente se realizeaza intre:
 atomul de C si atomii de H, N, C (legatura simpla –C–C–
sau dubla –C=C–),
 intre atomul de C si atomul de O (legatura dubla (–C=O–),
 intre 2 atomi de S (–S–S– legatura disulfidica).
Legaturile covalente sunt legaturi puternice si distrugerea
lor necesita o mare cantitate de energie.

11. Din contra, legaturile necovalente sunt legaturi slabe si ca urmare usor
reversibile. Ca tipuri de astfel de legaturi intermoleculare sunt:
• legatura ionica sau electrostatica
• legatura de hidrogen
• legatura hidrofoba
• legatura macroergica
• legatura Van der Waals

12. Aceste interactiuni intermoleculare slabe stau la baza
reversibilitatii unor procese biochimice, de exemplu:
• fixare moleculara (fixarea enzimei la substrat, fixarea
ligandului la receptor, s.a.)
• mentinerea conformatiei tridimensionale a proteinelor (prin
structurile secundara, tertiara, cuaternara)
• asigurarea structurii spatiale a acizilor nucleici
• expresia genica si replicarea ADN
• transmiterea semnalelor biologice

13. Legatura ionica se formeaza prin cedarea de catre un atom a
unui sau mai multor e– altui atom.
Astfel, atomul care cedeaza devine ion pozitiv, cel care primeste
e– devine ion negativ. Deci legaturile ionice se formeaza intre
doua grupari ionizate avand sarcini electrice opuse.
De exemplu, legatura intre gruparea carboxil –COO– al unui aminoacid si
gruparea amino –H3N+ a altui aminoacid din structura proteinelor
R – CH – COO– .... +NH3
 
+NH3 R – CH – COO–
Starea ionizata a gruparilor functionale este influentata de pH, deci
legaturile electrostatice (ionice) sunt dependente de pH. De altfel, ionizarea
gruparilor le imprima aminoacizilor si proteinelor un caracter amfoter.

14. Legatura de H se realizeaza intra si intermolecular (intre 2
molecule dipolare).
In moleculele care contin atomi de O, N, S sau halogen (mai
ales F), puternica electronegativitate a atomilor si volumul mic al
H, determina atragerea e– pusi in comun cu atomul de H catre
acesti atomi si formarea unui dipol. Atomii de C, O, N capata
incarcatura partiala electronegativa si atomul de H incarcatura
partiala electropozitiva.
Ca urmare, atomii de Cδ–, Oδ–, Nδ– vor atrage Hδ+ altor
molecule dipolare, in timp ce Hδ+ moleculelor lor va fi atras de
gruparea electronegativa a altor molecule dipolare.

15. Legatura de H exercita o influenta importanta asupra
proprietatilor fizice ale multor substante (in primul rand ale
apei) si stabilizeaza conformatia moleculara (structura
tertiara a proteinelor; structura ADN).
Distrugerea legaturii de hidrogen antreneaza alterari
profunde in structura moleculei, uneori ireversibile (cazul
denaturarii proteinelor).
Legatura de hidrogen intermoleculara se stabileste practic
intre 2 atomi (donor si acceptor) care impart acelasi atom de
hidrogen. Acceptorul este un atom cu incarcatura partial
electronegativa (O, N, S) care atrage atomul de H.

18. Legatura de H exercita o influenta importanta asupra
proprietatilor fizice ale multor substante (in primul rand ale
apei) si stabilizeaza conformatia moleculara (structura
tertiara a proteinelor; structura ADN).
Distrugerea legaturii de hidrogen antreneaza alterari
profunde in structura moleculei, uneori ireversibile (cazul
denaturarii proteinelor).

19. Legatura hidrofoba ia nastere intre partile hidrofobe (nepolare):
- ale aceleiasi molecule, sau
- ale unor molecule diferite aflate in solutii apoase.
Moleculele hidrofobe (nepolare) impiedica formarea legaturilor
de hidrogen intre moleculele de apa. Aceste molecule nepolare
formeaza zone hidrofobe, in care dipolii de apa sunt impinsi catre
exterior, formand legaturi cu alte molecule de apa. Rezulta o forta care
tinde sa reuneasca moleculele de apa intre ele, reducandu-le la minim
contactul cu zonele hidrofobe – rol major al acestora.
Acest tip de legatura poate duce la formarea unui numar mare de
lanturi alifatice, lungi, avand drept consecinta stabilizarea conformatiei
macromoleculei (polimerilor). De asemenea, legatura hidrofoba are rol
important in formarea si stabilizarea structurilor membranelor
celulare, ca si in recunoasterea substratului de catre enzima.

20. Legatura macroergica este un tip de legatura
covalenta prin a carei hidroliza se elibereaza o mare
cantitate de energie care este utilizata in procesele
metabolice. Nucleozid trifosfati 2- si nucleozid difosfati 1-
De retinut ca doar legaturile prin a caror hidroliza se
elibereaza energie pentru metabolism sunt denumite
legaturi macroergice.
Legatura Van der Waals rezulta din atractia
nespecifica dintre 2 atomi situati la o distanta de 3-4 Ǻ.
Interactiunea apare ca urmare a distributiei
asimetrice a electronilor intre cei doi atomi, ceea ce
determina aparitia unor sarcini electrice partiale.

21. Organizarea moleculara a materiei vii
Cele mai simple molecule ale materiei vii sunt cele cu masa moleculara
mica – CO2, H2, O2, N2 atmosferic; provin din mediul exterior si se numesc
biomolecule primordiale.
Aceste biomolecule sunt supuse unor transformari metabolice, cu ajutorul
unor sisteme enzimatice, in urma carora are loc cresterea masei lor
moleculare si trecand printr-o serie de produsi intermediari se transforma in
biomolecule de baza.
Biomoleculele de baza au masa moleculara medie si reprezinta elemente
de reconstructie, prin asamblarea lor prin legaturi covalente (peptidice,
disulfidice, fosfodiesterice), pentru molecule cu masa moleculara mare
numite macromolecule.

22. La randul lor, macromoleculele se unesc in cadrul unor procese
metabolice, prin legaturi necovalente (ionice, de hidrogen, hidrofobe,
Van der Waals), in complexe supramoleculare (nucleoproteine,
lipoproteine, s.a.). Aceste complexe se asociaza ulterior prin legaturi
necovalente, formand organitele celulare (nucleu, mitocondrii etc.)
La nivelul celulei, macromoleculele sunt specific specializate din
punct de vedere functional:
• proteinele au rol plastic sau catalitic (enzimatic);
• glucidele reprezinta sursa de energie sau material de
constructie;
• lipidele sunt componente de baza ale membranelor si depozite
energetice;
• acizii nucleici detin si transmit informatia genetica, asigurand
reproducerea organismelor; se numesc si macromolecule
informationale.

24. O alta clasificare a biomoleculelor, tinand cont de
marimea lor este:
I. micromolecule
• apa
- aminoacizi
• unitatea de baza a macromoleculelor - nucleotide
- monozaharide
- acizi grasi
• metaboliti intermediari - coenzime libere
- zaharuri, lipide
- acizi organici, s.a.

25. II. macromolecule – compusi cu structura complexa
• proteine ← aminoacizi
• glucide ← monozaharide
• lipide ← acizi grasi
• acizi nucleici ← baze azotate - ADN – A, C, G, T
- ARN – A, C, G, U
pentoza - riboza
- deoxiriboza
H3PO4