oligozaharide nereducătoare

Oligozaharide reducătoare se formează prin eliminarea unei molecule de apă dintre hidroxilul semiacetalic al unei monozaharide şi hidroxilul nesemiacetalic al altei monozaharide. Oligozaharida obţinut este reducătoare deoarece are un hidroxil semiacetalic liber, provenit de la ultimul rest de monozaharidă.

Oligozaharidele reducătoare se numesc oligozaharide de tip maltozic.

Legătura de tip maltozic se mai numeşte legatură monocarbonilică, deoarece la formarea sa contribuie o singură grupare carbonilică. Din această grupă de oligozaharide fac parte maltoza, celobioza, lactoza, melobioza, gentiobioza, rutinoza.

Oligozaharide nereducătoare. Se formează prin eliminarea moleculelor de apă dintre hidroxilii semiacetalici ai monozaharidelor constituiente. Ele nu au caracter reducator, deoarece nu au nici un fel de hidroxil semiacetalic liber.

Oligozaharidele nereducatoare se mai numesc oligozaharide de tip trehalozic. Legătura glicozidică a oligozaharidelor nereducătoare se mai numeşte şi legatură dicarbonilică, deoarece provine din doua grupări carbonilice. Oligozaharidele nereducătoare includ zaharoza, trehaloza, etc.

2. După structura lor, oligozaharidele pot fi: dizaharide, trizaharide,

tetrazaharide, etc.

Oligozaharide naturale importante

Dizaharide.

Dizaharidele sunt cele mai importante şi mai răspîndite oligozaharide, predomină în regnul vegetal, dar se întîlnesc şi în regnul animal. Moleculele unei dizaharide pot conţine două resturi de hexoze, două de pentoze sau un rest de hexoză şi unul de pentoză. Legarea celor două molecule de monozaharide are loc pe seama hidroxilului glicozidic al uneia din ele şi una din grupările hidroxilice ale celeilalte molecule. Diferitele dizaharide pot fi constituite din una şi aceeaşi monozaharidă: maltoza, trehaloza, celobioza care, structural sunt formate din radicali de glucoză. Deosebirea dintre proprietăţile acestor trei dizaharide se explică prin structura lor: izomeri diferiţi ai glucozei combinaţi în diferite moduri intre ei.

Dizaharide reducatoare

Maltoza este o dizaharidă reducătoare, formată din două molecule de α- glucoză piranozică, legate monocarbonilic între atomii C(1) al primei glucoze şi C(4) al celei de a doua glucoză (legătura 1,4-α-glicozidică).

Maltoza se găseşte în seminţele cerealelor în curs de germinare provenind în mare parte în urma hidrolizei amidonului. În cantitate mai mare se află în orzul încolţit şi din această cauză se mai numeşte şi zahăr de maţ sau cerealoză. Maltoza se întîlneşte frecvent în făina cerealelor. Maltoza este unitatea structurală a glicogenului şi amidonului. Apare de obicei prin degradarea hidrolitică a amidonului sau glicogenului, sub acţiunea enzimelor α- şi β-amilaza.

Maltoza este o substanţă albă, cristalină, uşor solubilă în apă cu p.t. +208C. Fermentează uşor. Sub acţiunea enzimei - maltaza - (care se află în orzul încolţit) maltoza hidrolizează şi formează două molecule de α-D-glucopiranoză.

Celobioza rezultă din două molecule de glucoză piranozică, prin eliminarea unei molecule de apă dintre oxidrilul semiacetalic de la atomul C(1) al primei glucoze şi oxidrilul alcoolic de la atomul C(4) de la cea de a doua moleculă de glucoză. Legătura este monocarbonilică, iar celobioza este o glucoză-β-glucozid cu următoarea structură:

Celobioza nu se găseşte în stare liberă; ea intră în structura celulozei, iar prin acţiunea hidrolitică a enzimei celulaza, este scindată pînă la celobioză.

Lactoza este un α-glucoza-β-galactozid - dizaharidă formată dintr-o moleculă de galactoză şi una de glucoză, legătura este monocarbonilică şi se face între atomii C(1) al β-galactozei piranozice şi C(4) al α-glucozei piranozice.

La oxidarea lactozei se formează întîi acidul zaharic din molecula de glucoză şi apoi acidul mucic din molecula de galactoză. Enzima lactaza scindează hidrolitic molecula de lactoză în cele două monozaharide componente: glucoză şi galactoză.

În proporţie de 2-6%, lactoza se găseşte în laptele tuturor mamiferelor, în funcţie de natura speciei. În cantitate mică, s-a identificat în polenul unor flori (Forsitia) şi în unele fructe tropicale. Este o dizaharidă care fermentează greu. Sub acţiunea bacteriilor lactice, se transformă în acid lactic; acest fenomen are loc la fabricarea produselor lactate acide. Este o substanţă solidă, cu gust dulce, solubilă în apă şi insolubilă în alcool. Se obţine, în cantitate mare, din zerul concentrat obţinut în procesul de obţinere a brînzeturilor, prin tratarea cu alcool metilic. Lactoza este substanţa care dă gustul dulce laptelui şi din această cauză se mai numeşte - zahar de lapte. Lactoza se utilizează în industria farmaceutică la prepararea unor comprimate şi la prepararea unor alimente nutritive pentru copii.

Dizaharide nereducătoare

Zaharoza este o dizaharidă cu rol important în alimentaţia omului. Ea se

denumeşte zahăr de trestie sau zahăr de sfeclă. Termenul vechi este de sucroza.

Zaharoza este o substanţă solidă, cristalină, solubilă în apă şi insolubilă în solvenţi organici, cu punct de topire la + 183C. În soluţie prezintă activitate optică dextrogiră ([α]D20 = + 66,5o).n molecula zaharozei intră o moleculă de α-glucoză piranozică şi o moleculă de β- fructoză furanozică unite printr-o legatură dicarbonilică. Zaharoza este un α-glucozid β-fructozid.

Zaharoza este cea mai raspîndită dizaharidă naturală. În cantitate mică zaharoza se găseşte în toate plantele alături de monozaharide. În cantitate mare, zaharoza se depozitează în sfecla de zahăr (8-12%), în trestia de zahăr (18-20%), în cantitate relativ însemnată zaharoza se găseşte, de asemenea, în sorgul zaharat şi în tulpinile de porumb. În ierburi zaharoza se află într-o proporţie de 2-8%. Prin hidroliza enzimatică, sub acţiunea zaharazei, denumită şi invertază, zaharoza (zahăr dextrogir) formează un amestec echimolecular de fructoză levogiră şi glucoză dextrogiră. Acest proces de hidroliză a zaharozei poartă şi numele de invertirea zaharului (inversiunea zahărului), iar amestecul echimolecular de glucoză şi fructoză formează zahărul invertit. Zahărul invertit este, alături de zaharoză, principalul constituient al mierii, gustul puternic dulce al acesteia fiind dat de fructoză.

Trehaloza (zahărul din ciuperci) este o diglucidă nereducătoare, neomogenă, formată din α-D-glucoză şi β-D-glucoză unite prin legătura 1,1-α,β-glicozidică.Tregaloza se întîlneşte în ciuperci şi în limfa unor insecte.

I.2.1.3.Polizaharide

Polizaharidele sau glicanii sunt compuşi macromoleculari constituiţi din n molecule de monozaharide unite între ele prin legături glicozidice. Prin hidroliza chimică sau enzimatică are loc treptat desfacerea acestor compuşi macromoleculari, formîndu-se produşi intermediari cu grad de polimerizare din ce în ce mai mic, iar în final, se formează monozaharide sau derivaţi ai acestora.

In natură, polizaharidele se întîlnesc atît în regnul vegetal, unde predomină, cît şi în regnul animal. Ele au un rol fiziologic important. În organismele vegetale şi animale polizaharidele au diferitr funcţii: servesc fie ca substanţe de rezervă (amidon, inulina, glicogen), fie ca substanţe de susţinere (celuloza, hemiceluloza, chinina, etc.). Polizaharidele reprezintă însemnate materii prime pentru industria uşoară şi pentru industria alimentară.

Polizaharidele sunt substanţe solide, cristaline, cu aspect amorf, se prezintă sub formă de pulberi albe, insolubile sau greu solubile în apă. Polizaharidele solubile formează soluţii coloidale.

Clasificarea polizaharidelor

Polizaharidele se clasifică după structura şi compoziţia lor chimică în:

- homopolizaharide (homoglicani, polioze) – constituite din acelaşi tip de monozaharid;

- heteropolizaharide (heteroglicani)–constituite din diferite molecule de monozaharide.

Fiecare din aceste subdiviziuni se împart în mai multe grupe în funcţie de monozaharidul participant.

Homopolizaharide

Homopolizaharide mai răspîndite şi importante sunt cele în structura cărora participă hexozele, sunt de natura vegetală, iar altele de natură animală. O importanţă deosebită o prezintă polizaharidele formate numai din glucoză şi care sunt denumite, în general, glucani sau glucozani. Din această clasă fac parte amidonul, glicogenul şi celuloza.

Amidonul este cel mai important polizaharid de rezervă din regnul vegetal care se formează în frunze prin fotosinteză şi este depozitat în diferite organe ale plantei-tubercoli, seminţe, fructe. Amidonul este cea mai importantă sursă hidrocarbonată a omului şi animalelor. În cantitate mai mare amidonul se găseşte în tuberculi (cartofi 13-25%), seminţe (cereale 50-70%, leguminoase 40-45%) şi chiar în părţile lemnoase ale plantelor: formînd granule rotunde, ovale, poliedrice, stratificate, a căror formă şi marime diferă cu natura speciei sau ţesutului. Granulele de amidon sunt vizibile la microscop, cu diametrul de 4-6μ, constituite din straturi aşezate concentric în jurul unui nucleu. Granule de amidon prezintă fenomenul de birefringentă, iar spectrele radiaţiilor Roentgen arată starea cristalină a lor.

Amidonul se formează în plante prin polimerizarea glucozei care rezultă în urma sintezei clorofiliene din CO₂ şi H₂O. În stare pură, amidonul se prezintă ca o pulbere albă, care după uscare este higroscopică, practic insolubilă în apă rece. La cald formează soluţii vîscoase, coloide, care atunci cînd sunt concentrate şi răcite formează un gel, numit cocă de amidon sau clei de amidon, granulele de amidon absorbind deci apa. Îmbibarea cu apă are loc la o anumită temperatură (temperatura de gelatinizare), cuprinsă între 60-80C. Prin degradare parţială, dă naştere unui produs solubil în apă, numit amidon solubil.

Granulele de amidon sunt constituite din două componente, amiloză şi amilopectină, care se deosebesc prin proprietăţile lor fizice şi chimice.

Amiloza, care reprezintă 20-30% din granula de amidon, este dispusă în interiorul acesteia şi prezintă o structură neramificată. Ea este constituită din mai multe unităţi de maltoză (constituite la rîndul lor din molecule de α-D-glucopiranoză), unite prin legături 1,4-α-glicozidice sub forma unei catene macromoleculare cu M = 50000-500000, care este dispusă în spaţiu sub formă de spirală, formată din cîte 4-6 molecule de α-D-glucoză. Amiloza formează cu apa sisteme disperse coloidale care prezintă cu iodul o coloraţie albastră.

Amilopectina, componentul ramificat, reprezintă 70-80 % din granula de amidon, este dispusă în învelişul acesteia şi prezintă o structură ramificată. Este constituită ca şi amiloza din unităţi de α-D-glucopiranoză unite prin legături 1,4-α-glicozidice (unităţi de maltoză), sub forma unei catene macromoleculare liniare, la care apar ca ramificaţii, catene laterale în care unităţile 1,4-α-glicozidice sunt legate 1,6-α-glicozidic (în medie ramificaţiile apar după 25 de resturi de glucoză). Gradul de polimerizare variază mult, iar masa moleculară a amilopectinei este de ordinul unui milion. Amilopectina formează cu apa sisteme disperse coloidale care prezintă cu iodul o coloraţie roşie-brună.

Prin hidroliza menajată, blîndă, degradarea amidonului are loc progresiv, obţinîndu-se fracţiuni ale moleculei din ce în ce mai mici, numite dextrine, ce se pot obţine şi izola cînd limităm acţiunea hidrolitică la o anumită durată. Schematic, hidroliza amidonului poate fi prezentată astfel:

Degradarea amidonului are loc si sub actiunea enzimelor.

Amidonul este o substanţă de rezervă, care prin degradare enzimatică este mobilizat în interiorul organismului vegetal sau animal şi transportat sub formă de produse de degradare spre diferite organe, unde servesc la sinteza altor substanţe.

Datorită proprietăţilor sale hidrocoloidale amidonul este utilizat în industria alimentară şi ca aditiv de legare, îngroşare şi stabilizare la obţinerea sosurilor, supelor –cremă, dressingurilor pentru salate, alimentelor pentru copii, îngheţatei.

Glicogenul reprezintă forma de depozitare a excesului de hidraţi de carbon în organismul animal. Rezerve semnificative de glicogen se găsesc în muşchi şi în ficat. Cantităţi mici de glicogen se găsesc în toate ţesuturile, inclusiv în creier. El a fost identificat şi în ţesuturi vegetale la alge, ciuperci, drojdii, bacterii şi chiar în unele plante superioare, cum este porumbul zaharat.

Glicogenul este hidrolizat la glucoză şi glucoza poate trece în glicogen, adică:

glicogen + H₂O <⎯> glucoza.

Acest echilibru este menţinut în organismul animal de acţiunea antagonistă a doi hormoni (adrenalina şi insulina).

Celuloza formează învelişul celular al ţesuturilor vegetale - este cea mai răspîndită substanţă organică şi apare în cantitatea cea mai mare în natură. În organismul animal celuloza este prezentă la formarea carapacei unor animale marine.

În părţile lemnoase ale plantelor celuloza apare în proporţie de 45-60%., la plantele inferioare - în cantitate mică, mai frecvent la ciuperci si alge.

Celuloza este însoţită şi de alte polizaharide: hemiceluloze, materii pectice, precum şi de lignine, lipide, răşini, materii tanante, pigmenţi, materii proteice, săruri minerale, etc., numite substanţe încrustate.

În stare pură celuloza este o substanţă albă, cu aspect amorf, fără gust şi fară miros. Aproape pură celulozaa se găseşte în fibrele de bumbac şi de in, în măduva de soc şi hîrtie. Celuloza prezintă o structură macromoleculară poliglucidică rezultată prin policondensarea unui număr variabil de unităţi de D-glucopiranoză. Se presupune că celuloza nu este o substanţă unitară, ci reprezintă de fapt un amestec de substanţe omoloage, deoarece, masele moleculare ale celulozei obţinută din diferite surse variază întotdeauna foarte mult. La hidroliza menajată a celulozei rezultă unităţi de celobioză care sunt legate prin legături 1,4-glicozidice.

Celuloza nu este descompusă în tractul digestiv al omului. Ea este degradată numai de animalele ierbivore, în al căror rumen şi intestin se găsesc bacterii care hidrolizează celuloza cu ajutorul enzimelor (celulaze) pe care le conţin. Celuloza este un component al tuturor materiilor prime vegetale utilizate în industria alimentară, de unde ajunge prin prelucrare tehnologică, în cantitaţi variabile, în majoritatea alimentelor. Deşi nu este metabolizată de organismul omului şi deci nu are valoare nutritivă, celuloza, este o componentă alimentară utilă datorită rolului pozitiv pe care-l are în fiziologia gastrointestinală (intensifică peristaltismul, tranzitul intestinal, favorizează eliminarea substanţelor toxice) etc.

Inulina este cel mai important şi cel mai studiat dintre fructani. Se găseşte ca substanţă de rezervă în napi, dalie, gherghine, cicoare, îndeosebi în tuberculii acetor plante, dar şi în tulpinile şi în organele suculente ale acestora. Se dizolvă greu în apă la rece, este însă uşor solubilă la cald. Plantele care conţin inulină se folosesc pentru obţinerea fructozei, care este utilizată ca substanţă de îndulcire în industria alimentară. Deoarece toţi fructanii, printre care şi inulina, se hidrolizează foarte uşor cu ajutorul acizilor, obţinerea fructozei din materii prime bogate în inulină se realizează pe calea hidrolizei acide.

Heteropolizaharide

Polizaharidele heterogene conţin în molecula lor resturi a două sau mai multe monozaharide (oze) diferite. În alimente, ca şi în plante, se găsesc numeroase polizaharide de acest fel.

Hemicelulozele – o grupă mare de polizaharide cu greutate moleculară ridicată, care nu se dizolvă în apă, dar se dizolvă în soluţii alcaline, şi care insoţesc celuloza în ţesuturile vegetale (17 – 43% din materia uscată a lemnului). Cele cu masă moleculară mai mică au rol de polizaharide de rezervă, iar cele cu masă moleculară mare au rol de subtanţe de structură ca şi celuloza.

Materiile pectice sunt combinaţii de origine vegetală între mai multe polizaharide superioare (celuloza, D-galactani, L-arabani) şi acidul pectic, al cărui edificiu macromolecular este format din molecule ale acidului galacturonic şi acidului glucuronic. Ele au un rol însemnat în sudura ţesuturilor celulozice şi în reglementarea permeabilităţii celulare. Materiile pectice se găsesc în aproape toate organele plantelor. În cantitate mai mare, se găsesc în pulpa fructelor cărnoase (40-50%), în rdăcini, tulpini, măduva plantelor anuale (la floarea soarelui 30-35%), în fibrele de in, cînepă, în ţesutul lemnos al arborilor, în structura peretelui celular la plante.

Materiile pectice se prezintă sub formă de pulberi amorfe, de culoare albă sau alb-galbuie, posedă o mare capacitate de imbibitie. Soluţiile lor concentrate formează geluri transparente. Materiile pectice au un rol însemnat la prepararea gemurilor şi marmeladelor din fructe.

Substanţele pectice au un rol important în timpul maturizării, păstrării şi prelucrarii industriale a diferitelor fructe şi legume. În timpul dezvoltării fructelor protopectina se formează în pereţii celulari şi se poate acumula în cantităţi mari (mere, pere, citrice). Coacerea fructelor este caracterizată de transformarea protopectinei în pectină solubilă, procesul continuă şi după recoltarea fructelor, în timpul păstrării lor în stare proaspătă. Această transformare determină înmuierea pulpei fructului şi formarea caracteristicilor specifice ale fructului copt.

Mananii sunt polizaharide de origine vegetală, care se găsesc în lemnul coniferelor, în cojile dure ale unor seminţe, în ciupercile pigmentate de tipul drojdiei, în unele bacterii.

Galactanii sunt răspîndiţi în organismul vegetal în ciuperci şi microorganisme. Galactanii în cantitate mai mare sunt în substanţe pectice, gume şi mucilagii, în membranele celulelor vegetale, etc. Galactoza este componentul principal. Cel mai răspîndit galactan este agar-agar sau geloza, care se extrage din algele roşii ce trăiesc în Oceanul Indian şi în Mările Chinei. Agar-agarul are o structură moleculară asemănătoare amidonului. Este format din doi componenţi: agaroza şi agaro-pectina. Agar-agarul este folosit ca materie de bază în mediile de cultură, în industria alimentară pentru obţinerea diferitelor jeleuri, paste, gemuri, a ciocolatei, îngheţatei. Are proprietatea de a se transforma în gel chiar în soluţii foarte diluate de 1%.

Pentozanii. Dintre pentozani cei mai importanţi sunt arabanii şi xilanii. Arabanii sunt polizaharide care intră în amestecuri în formarea hemicelulozelor, a materiilor pectice şi a gumelor vegetale, deci în constituţia unor polizaharide neomogene. Se pot izola prin extracţie cu alcool 70% din pulpa unor fructe (mere, gutui, cirese, etc). Arabanii au structura moleculară ramificată. Arabinoza intră în constituţia lor sub formă furanozică.

Xilanii sunt polizaharide care se găsesc predominant în plantele superioare, însoţesc în plante celuloza, de care se pot separa prin tratarea cu soluţie de NaOH 10% şi precipitare cu alcool. Xilanii sunt componenţi ai structurii membranelor celulare.

Gumele şi mucilagiile vegetale sunt polizaharide asemănătoare cu substanţele pectice, formate din pentoze, metilpentoze, acid galacturonic şi acid glucuronic. Sunt solubile în apă formînd soluţii deosebit de vîscoase şi lipicioase. Sunt substanţe coloidale şi reprezentantul tipic al acestei grupe îl constituie gumele secretate de vişini, pruni, migdali în locurile cu leziuni pe ramuri. In industria alimentară se utilizeză gume produse de diferiţi arbori (guma arabică, guma guar), ca agenţi de aglomerare, emulgator, stabilizator.

Glicozidele

Glicozide-compuşi chimici dintre un mono- sau dizaharid cu un compus neglucidic (aglicon) prin intermediulu hidroxilului glicozidic. Glicozidele sunt substanţe frecvent întîlnite în produsele alimentare de origine vegetală (muştar) şi se caracterizează printr-un gust, aromă şi culoarea specifică, calităţi care sunt utilizate în tehnologiile alimentare. În natură sunt un număr mare de glicozide care se deosebesc structural nu numai prin formula chimică a părţii glucidice dar şi a agliconului. Este important de menţionat, că unii glicozizi sunt toxici (solanina), iar nerespecarea tehnologiilor alimentare, normativelor de păstrare, transportare şi depozitare pot favoriza hidroliza glicozidelor care pot forma diferiţi compuşi chimici foarte toxici. De exzemplul: din amigdalină se poate forma acidul cianhidric.

I.2.2. Lipide

DEFINIŢII, CLASIFICARE

Lipidele sunt constituenţi foarte răspîndiţi ai organismelor vii, plante sau animale, care se aseamană prin caractere comune de solubilitate, sunt greu solubile în, apă dar se dizolvă uşor în solvenţi nepolari (eter, benzen, cloroform, etc.). Această însuşire este datorată prezenţei în moleculele lipidelor a unor întinse regiuni hidrocarbonate, hidrofobe. Numele de lipide provine din grecescul lypos care înseamnă grăsime. Plantele se caracterizează, în general, printr-o compoziţie constantă de lipide, în cantităţi nu prea mari, excepţie făcînd seminţele plantelor oleaginoase (floarea soarelui, soia, ricin, măsline, susan, etc.), care conţin însemnate cantităţi de lipide, (48 –62%), denumite generic uleiuri.

Majoritatea legumelor au un conţinut redus de lipide, care variază în partea edibilă a plantelor între 0,1% şi 1,6%. În cazul fructelor şi a cerealelor, conţinutul mediu în lipide variază între 0,11% şi 2%. Ţesuturile bătrîne ale plantelor sunt mai sărace în lipide comparativ cu ţesuturile similare tinere. În celula vegetală lipidele se găsesc în cantitate mai mare în nucleu, mitocondrii, membrane celulare, cloroplaste, lamele protoplasmatice, microzomi, etc.

La animale, lipidele sunt distribuite în toate celulele, compoziţia prezentînd unele caracteristici în funcţie de ţesut la structura celulară şi la procesele biochimice. Sub formă de compuşi complecşi lipidele cu proteinele intră în compoziţia mebranelor celulare şi participă la procesele redox, biosinteza proteinelor, în transportul substanţelor prin membrane. Diferenţiat pe grupe de alimente, se pare că laptele reprezintă sursa, conţin cantităţi variabile de lipide dependente de modul de prelucrare a materiilor prime. Procesele tehnologice contemporane permit a controla şi dirija conţinutul lipidic al oricărui aliment. În ouă, lipidele se regăsesc numai în gălbenuş (albuşul conţine maximum 0,02% lipide). În consumul zilnic, prin compoziţia lor, ouăle sunt cea mai importantă sursă de fosfolipide.

În alimente lipidele sunt nu numai componente de nutriţie şi construcţie, dar posedă şi rol fiziologic important în transportul compuşilor cu fosfor, azot, sulf, oligoelemente, etc., la nivelul membranei celulare.

Lipidele îndeplinesc funcţii foarte importante:

- sunt principala formă de depozitare şi de transport a rezervelor energetice ale organismelor;

- au rolul de izolatori electrici, termici şi mecanici;

- sunt constituenţi structurali ai membranelor celulare şi intracelulare;

- unele lipide au roluri importante în procesele de comunicare şi recunoaştere intercelulară;

- sunt vitamine, hormoni, etc.

Lipidele se pot clasifica după mai multe criterii. Astfel, după rolul biologic ce-l îndeplinesc în organism, ele se pot grupa în lipide de rezervă şi lipide de constituţie.

Lipidele de rezervă - depozitate în celule şi ţesuturi, ca sursă energetică şi funcţională primară a organismului, sunt formate în principal din lipide simple, respectiv din grăsimi bogate în acizi graşi saturaţi.

Lipidele de constituţie - ca element constant între componenţii celulari, nu-şi schimbă compoziţia în raport cu nutriţia, deaoarece funcţia lor de bază este de natură fiziologică şi nu energetică. Aceste lipide sunt constituite, în principal, din acizi graşi nesaturaţi apţi de asociere şi structurare spaţială în complexe, ce asigură permeabilitatea membranară în transportul de masă, corelat cu transportul de flux nervos şi, implicit, informaţional.

După compoziţia chimică, lipidele se împart în:

lipide simple (neutre) formate din C, H, şi O şi în lipide complexe (polare), care conţin în moleculă pe langă C, H, O şi N, P, S, etc.

Lipidele simple sunt esteri formaţi dintr-un alcool sau un polialcool şi acizi

carboxilici graşi, saturaţi sau nesaturaţi sau acizi bibazici. După natură alcoolului, lipidele simple (neutre) se clasifică în:

- gliceride – esteri ai glicerolului cu acizii graşi;

- ceride – esteri ai monoalcoolilor superiori cu acizii graşi;

- steride - esteri ai sterolilor cu acizii graşi;

- etolide – esteri rezultaţi prin esterificarea a doua combinaţii cu funcţie mixtă de alcool şi acid. Gruparea acidă a unuia esterifică gruparea alcoolică a celuilalt.

Lipidele complexe conţin în molecula lor componentele lipidelor simple – glicerol şi acizi graşi – sau înlocuitorii lor – amino-polialcooli, polialcooli ciclici, monozaharide, acizi bibazici, etc. Lipidele complexe se clasifică în :

• Fosfolipide –glicerofosfolipide, inozitolfosfolipide, sfingofosfoipide;

• glicolipide – cerebrozide, gangliozide.

I.2.2.1. Lipide simple

Gliceride

Gliceridele sunt cele mai răspîndite în regnul vegetal şi animal. Sunt substanţe de rezervă care se acumulează în mare cantitate în plante, în primul rînd în seminţe, circa 2% în boabele de grîu, secară, orz şi circa 4 – 5% în boabele de porumb. Seminţele plantelor oleaginoase conţin 25 – 35% gliceride, şi chiar pînă la 55% (semintele de susan).

Gliceridele constituie un aliment de mare valoare şi o preţioasă sursă de energie, căldura lor de ardere fiind de 9400 kcal/kg. La temperatura obişnuită se prezintă ca o masă solidă, semisolidă sau lichidă-uleioasă şi se împart, după consistenţă, în grăsimi consistente şi uleiuri lichide.

Structura chimică. Lipidele (animale şi vegetale) sunt esteri ai glicerolului cu acizii graşi saturaţi şi nesaturaţi. Grupele hidroxil ale glicerolului, pot fi esterificate una cîte una (mono-, digliceride) sau toate trei- trigliceride. Din gliceride cele mai răspîndite în natură sunt trigliceridele.

Acizii graşi care în compoziţia trigliceridelor naturale sunt monocarboxilici, saturaţi şi nesaturaţi, cu una sau cu mai multe legături duble etilenice, cu catena moleculelor liniară, conţinînd de obicei un număr pereche de atomi de carbon.

Acizi graşi superiori saturaţi Tabelul 1.1

Acizii graşi saturaţi importanţi din punct de vedere biologic au între 14 şi 24 atomi de carbon. Cei mai răspîndiţi, în lipidele izolate din ţesuturi animale, sunt acizii graţi saturaţi cu 16 atomi de carbon (C₁₅ H₃₁COOH - acidul palmitic), cu 18 atomi de carbon în molecula (C₁₇H₃₅COOH -acidul stearic). Din acizii graşi nesaturaţi sunt frecvenţi întîlniţi acidul oleic – C₁₇H₃₃COOH (cu o legătură dublă), acidul linoleic – C₁₇H₃₁COOH (cu două legături duble), acidul linolenic – C₁₇H₂₉COOH (cu trei legături duble în catenă).

Acizi graşi superiori nesaturaţi Tabelul 1.2.

Primii doi acizi saturaţi formează circa 50% din conţinutul total în acizi graşi ai grăsimilor consistente, restul fiind mai ales acid oleic. Pe masură ce consistenţa grăsimilor scade, se micşorează proporţia de acid palmitic şi stearic, creşte cea de acid oleic, astfel încît în uleiuri proporţia primilor doi acizi este cu totul neinsemnată. În structura grăsimilor se detestă şi alţi acizi superiori a căror natură şi proporţie variază după substanţa grasă. Acizii butiric, capronic, caprinic, caprilic, laurinic şi miristic se depistează în laptele rugumegătoarelor şi în unt. Grăsimile din laptele uman cuprind doar urme din acesti acizi.

Gliceridele vegetale sunt, de asemenea, foarte diferite sub aspectul structurii în acizi graşi nesaturaţi, care se deosebesc prin lungimea lanţului atomilor de carbon cît şi prin gradul lor de nesaturare. Aproximativ 60% din cantitatea totală a acizilor graşi din untul de cocos o formează acizii laurinic şi miristic, în compoziţia uleiului de crucifere 50% este acid erucic, pe cînd uleiul linoleic se găseşte în proporţie de circa 50% în uleiul de floarea soarelui, de soia, de nucă, de mac, etc., iar împreună cu acidul linolenic formează circa 80% din conţinutul total în acizi graşi ai unor uleiuri, ca cel de cînepă, de in, etc.

În gliceridele animale majoritatea conţin, mai ales în diverse proporţii, acizii palmitic, stearic, palmitoleic, oleic şi linoleic. Structural gliceridele din diversele ţesuturi ale aceluiaşi organism pot să se deosebească foarte mult din punct de vedere al compoziţiei lor. Astfel, gliceridele din ţesutul adipos al omului sunt mai bogate în acizi graşi saturaţi în comparaţie cu gliceridele din ficat, care conţin mai mulţi acizi graşi nesaturaţi.

Proprietaţi fizice

Starea de agregare a trigliceridelor depinde de compoziţia în acizi graşi – cele bogate în acizi saturaţi inferiori sau acizi nesaturaţi sunt lichide, iar cele cu un conţinut ridicat în acizi saturaţi superiori sunt solide. Tributirina şi trioleina sunt lichide, trestearina este solidă. Trigliceridele au densităţi mai mici decît apa (0,96 g/cm³). Avînd caracter hidrofob foarte pronunţat nu se dizolvă în apă, cu care însă pot emulsiona în anumite condiţii. Cele mai multe gliceride sunt insolubile în alcool sau în acetonlă. Trigliceridele se dizolvă uşor în eter, cloroform, sulfură de carbon, benzină, diferiţi derivaţi cloruraţi ai hidrocarburilor. Gliceridele sunt substanţe incolore. În stare proaspătăgliceridele, cu excepţia tributirinei, nu au gust şi miros.

Punctul de topire caracterizează gliceridele. Valoarea punctului de topire este în descreşterece în funcţie de conţinutul în acizi graşi nesaturaţi şi de lungimea catenei acestor acizi graşi nesaturaţi. În funcţie de punctul de topire, lipidele simple se împart în:

- uleiuri, care sunt lichide la temperatura normală;

- grăsimi şi unturi cu puncte de topire la temperatura de 20 – 300C;

- seuri, cu punct de topire la temperaturi de peste 500C.

Proprietăţi chimice

Proprietăţile chimice ale gliceridelor sunt datorate caracterului lor de esteri şi prezenţei în moleculă a diferiţilor acizi graşi şi a glicerolului.

Hidroliza gliceridelor. În procesul hidrolizei grăsimilor neutre se formează o moleculă de glicerol şi trei molecule de acizi graşi.

În ţesuturile animale şi vegetale, hidroliza este catalizată de enzime care se

numesc lipase. Indicele de aciditate (Ia) este cantitatea de acizi graşi, exprimată în mg, care se formează prin hidroliza unei molecule gram de gliceride.

Saponificarea gliceridelor. Hidroliza grăsimilor se poate realiza şi cu hidroxizi alcalini (KOH, NaOH) sau alcalino-pămîntoşi (Ca(OH)₂, Mg(OH)₂) , în soluţii apoase sau alcoolice. Însă odată cu hidroliza are loc şi salificarea acizilor graşi puşi în libertate, corespunzător se formează glicerol şi sărurile acizilor graşi (săpunurile).

Mărimea care caracterizează gliceridele din punct de vedere al tipului acizilor graşi ce-i conţin, se numeşte indice de saponificare (I_s )- cantitatea de KOH exprimată în mg necesară pentru saponificarea unui gram de grăsime.

Hidrogenarea gliceridelor este adiţia H₂ la legăturile duble (π) în cataliza eterogenă. Reacţia se corealează cu indicele de nesaturare - indicile de iod (CI)- numărul de grame de iod care adiţioneză la 100 g de grăsime în condiţii standard. Ca urmare, lipidele naturale (uleiurile vegetale) pot adiţiona hidrogen transformînd astfel gliceridele nesaturate în gliceride saturate, uleiurile se transformă în grăsimi solide. De exemplu, din trioleina lichidă se obţine astfel tristearina consistentă.

Hidrogenarea uleiurilor vegetale este utilizată în industria alimentară pentru obţinerea margarinei. Reacţia are loc la aproximativ 2000C în prezenţa de catalizatori (Ni). Pentru a fi mai placută la gust, margarina se amestecă cu lapte, sare, galbenuş de ou, vitamine, care-i conferă o culoare asemanătoare untului şi îi ridică valoarea biologică. Reacţia de hidrogenare se foloseşte în industria alimentară şi pentru a transforma uleiurile cu miros neplăcut (ulei de peşte, bumbac, balena, etc.) în grăsimi alimentare comestibile.

Halogenarea gliceridelor nesaturate. La nivelul dublelor legături gliceridele care conţin în moleculă acizi graşi nesaturaţi pot adiţiona halogeni (Cl, Br, I). În consecinţă, un ulei sau o grăsime fixează o cantitate mai mare de halogen cu cît caracterul ei este mai nesaturat. Gradul de nesaturare al unei grăsimi se exprimă prin indicele de iod (II).

Rîncezirea gliceridelor. Uleiurile şi grăsimile, în contact cu aerul umed şi cu lumină, suferă o serie de transformări chimice, care provoacă un miros şi gust caracteristic neplăcut, definit cu numele de rîncezire. Procesul de rîncezire constă din hidroliza parţială a gliceridelor şi din oxidarea ulterioară a componentelor. Ca produse de oxidare apar aldehide, cetone şi acizi volatili, care provoacă mirosul şi gustul de rînced. Pentru îndepărtarea gustului şi mirosului neplăcut, grăsimile rîncede se încălzesc în prezenţa unor substanţe adsorbante, cum este cărbunele activ, care absoarbe astfel subtanţele volatile formate, ce dau mirosul şi gustul de rînced. Fenomenul rîncezirii grăsimilor se produce cu atît mai repede şi mai intens cu cît uleiul sau grăsimea are o proporţie mai mare de acizi graşi nesaturaţi.

Se deosebesc trei tipuri de rîncezire:

• rîncezirea hidrolitică – are loc hidroliza triacilgliceridelor în prezenţa metalelor grele sau a enzimelor;

• rîncezirea aldehidică – rîncezire oxidativă sau autooxidare sub acţiunea oxigenului atmosferic;

• rîncezirea cetonică – rîncezire aromatică, constă în transformarea oxidativă a acizilor graşi saturaţi în metilcetone.

Evitarea oxidării şi degradarea calităţii lipidelor alimentare (ulei, unt, untură), precum şi a produselor alimentare bogate în lipide este posibilă numai la limitarea contactului dintre ele şi aer, vapori de apă, temperature ridicate şi lumină.

Un alt proces degradativ poate avea loc la încălzirea puternică a grăsimilor, ca urmare a deshidratării glicerolului cu formarea acroleinei (aldehida acrilică), un compus toxic.

Ceride (ceruri)

Prin difiniţie, ceridele sunt esteri ai unor acizi graşi cu alcooli superiori cu masa moleculară mare şi reprezintă constituienţii principali ai substanţelor naturale complexe care se numesc ceruri.

În cerurile naturale, pe lîngă ceride se găsesc, în cantităţi diferite, alcooli superiori liberi, acizi graşi, steride, hidrocarburi de genul parafinelor, coloranţi şi uleiuri eterice. Cantitatea total a acestui amestec poate atinge 50%.

Cerurile sunt amorfe, plastice cu interval de temperatură de înmuiere şi topire. Chimic, cerurile sunt puţin active, se pot saponifica încet cu alcaliile, lăsînd un rezidiu nesaponificabil de parafine, terpeni şi steroide. Cerurile se întîlnesc atît în regnul animal, (ceara de albine, spermanţetul, lanolina), cît şi în cel vegetal (ceara merelor). Cerurile îndeplinesc în organisme funcţii de protecţie, acoperînd pielea, lîna, frunzele, fructele, ferindu-le de pierderile de apă, umiditate excesivă şi atacul microbian.

Un interes deosebit tehnologic îl prezintă stratul de ceară de la suprafaţa fructelor: struguri, mere, pere care reprezintă 0,5 – 1% din greutatea cojii proaspete. Experienţele au arătat că îndepartarea acestui strat protector de pe suprafaţa fructelor face ca ele să se altereze mult mai repede, sub acţiunea microorganismelor, atunci cînd sunt păstrate în stare proaspată.

Etolide

Etolidele sunt lipide speciale, întîlnite în cerurile unor conifere (pini, jnepeni, ienuperi etc.).

Din punct de vedere chimic sunt esteri ciclici ai unor hidroxiacizi superiori: acidul sabinic HO-CH₂-(CH₂)₁₀-COOH şi acidul juniperic HO-CH₂-(CH₂)₁₄-COOH. În structura etolidelor intră două molecule ale aceluiaşi acid; una dintre molecule participă la esterificare prin grupa carboxil, iar cealaltă prin grupa hidroxil.

Steride

Steridele sunt lipide simple, de o mare importanţă biologică, care se găsesc larg răspîndite în regnul animal, în regnul vegetal şi, în cantităţi mici, în microorganisme. Sterolul specific organismului vertebratelor este colesterolul, răspîndit în toate celulele.

În organism îndeplineşte o serie de funcţii vitale: participă la procesele de osmoză şi difuzie care au loc în celule şi la care, colesterolul menţine apa necesară pentru activitatea vitală; participă la metabolismul unor hormoni, la neutralizarea toxinelor bacteriene şi parazitare; are proprietaţi antihemolitice, etc.

Ergosterolul sau provitamina D este reprezentantul sterolilor ce se gasesc în microorganisme. Cantităţi mari de ergosterol conţin ciupercile, drojdiile şi unele bacterii. Se găseşte şi în organismul animal alături de colesterol în toate ţesuturile, însă în piele - unde are loc convertirea în vitamina D₂, ergosterolul reprezintă 35 – 40% din totalul sterolilor.

În drojdii conţinutul de ergosterol reprezintă 2% din substanţa uscată şi de aceea acestea se folosesc pentru extragerea sa industrială, în vederea obţinerii vitaminei D. În unele produse de origine vegetală se găsesc o serie de steroli, printre care mai frecvent se întîlneşte sitosterolul, care este principalul component al sterolilor din uleiul de soia, uleiul din seminţe de bumbac şi uleiul din germeni de cereale. De cele mai multe ori sitosterolul este însoţit de stigmasterol, mai ales în uleiul din germenii de grîu.

I.2.2.2. Lipide compuse

Lipidele compuse sunt lipide de constituţie care se găsesc în cantităţi mici în toate celulele, în deosebi în mitocondrii şi mebrana celulară. Structural sunt esteri ai acizilor graşi, care în funţie de natura substanţelor din compoziţia lor se împart în fosfolipide şi glicolipide.

Fosfolipide (fosfatide) sunt esteri ai unor polialcooli (glicerol, inozitol, sfingozina) cu acizi graşi superiori, în structura cărora este un rest de acid fosforic şi o bază azotată. În funcţie de tipul alcoolului din compoziţia lor, fosfolipidele se împart în:

• glicerofosfolipide;

• inozitfosfolipide;

• sfingofosfolipide.

În structura moleculelor de fosfolipide pot intra acizii graşi superiori saturaţi şi nesaturaţi. Fosfolipidele se dizolvă bine în solvenţi organici (benzen, eter, cloroform etc.), cu apa dau emulsii şi, deasemenea, formează soluţii coloidale deoarece posedă grupe polare. Capătul la care este unit restul de acid fosforic are proprietăţi hidrofile, iar cele două grupe acil provenite de la acizii graşi formează partea hidrofobă. Graţie structurii date fosfolipidele au proprietatea de a forma emulsii stabile şi sunt utilizate în industria alimentară în calitate de emulgatori pentru fabricarea cremelor, ciocolatei, maionezei, sosurilor etc. În cantităţi mari fosfolipidele intră în structura ţesutului nervos al omului şi animalelor vertebrate. Rolul biologic deosebit al acestor compuşi este dovedit şi de faptul că ei reprezintă pînă la 50% din lipidele mebranelor.

Cele mai importante fosfolipide sunt: cardiolipina, leicitinele, serinofosfatidelefosfoinozidele, sfingozinele, etc.

Glicolipidele sunt substanţe complexe, structural diferite însă în toate sunt prezenţi componenţii: sfingozina şi o componentă glucidică.

Glicolipidele se impart în:

• cerebrozide – lipide complexe care la hidroliză formează o moleculă de sfingozină., un acid gras şi o hexoză(mai frecvent galactoza, mai rar glucoza). Ele se găsesc în cantităţi mari în creier, măduva spinării, microzomi;

• gangliozide – lipide complexe, structural formate din acizi graşi superiori,aminoalcoolul sfingozina, hexoze, galactozoamină şi acidul neuraminic sau derivatul său acidul sialic. Structura generală a unui gangliozid poate fi reprezentată astfel:

Ganliozinele sunt depistate în cantităţi mari în creier la nivelul terminaţiilor nervoase şi au un rol important în transmiterea impulsului nervos la nivel de sinapsă.

I.2.3. Protide

Protidele constituie componenţii cei mai importanţi ai materiei vii şi în special ai organismelor cu organizare superioară. Prin structură şi proprietăţile lor protidele, definesc esenţa vieţii, constituind baza materială a existenţei şi a manifestărilor specifice acesteia. Protidele îndeplinesc funcţii extrem de diferite, ceea ce reflectă un înalt grad de organizare structurală şi de specializare:

- constitue suportul chimic structural şi funcţional al materiei vii şi al tuturor fenomenelor specifice acesteia;

- sunt componente plastice, participînd direct la edificarea şi menţinerea structurii tuturor celulelor;

-sunt purtătorul material al tuturor însuşirilor biologice: diferenţiere, creştere, dezvoltare, reproducere;

- reprezintă principala biomasă a organismelor;

- în calitate de enzime, îndeplinesc rol catalitic;

- exercită funcţie represoare participînd la reglarea expresiei genelor în cromozomi;

- unele pot acţiona ca hormoni participînd la reglarea reacţiilor biochimice;

- se comportă ca anticorpi participînd la procesele imunochimice de apărare a organismelor superioare;

- participă în asociere cu lipidele în ultrastructura biomembranelor;

- îndeplinesc diferite roluri fizico – chimice, intervenind în procesele de permeabilitate selectivă a biomembranelor, în transportul apei, a ionilor anorganici şi a diferitelor substanţe organice, în menţinerea echilibrului acido-bazic - funcţionînd ca sisteme tampon.

Protidele sunt substanţe universal răspîndite în natură. Se găsesc în toate organismele animale şi vegetale. În regnul animal, protidele sunt substanţe predominante, reprezentînd aproximativ 65–70% din materia uscată a organismului. În plante, protidele se găsesc într-un procent mai mic, fiind cuprins între 2–35%. Sursa cea mai bogată în protide vegetale o constituie seminţele: la graminee –8%-15%, la oleogenoase –18%-28%, la boboase –25%-50% (calculate în masa uscată). Conţinutul proteic în seminţe determină valoarea biologică a produselor obţinute în urma prelucrării tehnologice: în unele cazuri prezenţa proteinelor îngreunează procesul tehnologic de prelucrare a materiei prime vegetale şi diminuiază calitatea acestora. De exemplul: conţinutul sporit de proteină în rădăcinele de sfeclă de zahăr are efect negate asupra procesului de cristalizare a zaharozei din soluţiile primare şi ca rezultat se micăorează masa zahărului total obţinut. Tot odată conţinutul sporit al proteinelor în seminţele de grîu se manifestă benefic: sporeşte calităţile reologice şi organoleptice a pănii şi produselor făinoase, etc. În microorganisme, protidele se află într-o proporţie de 80 – 90%.

Sub aspectul compoziţiei chimice, protidele sunt substanţe formate din C, H, O şi N, uneori conţin S, P şi unele metale (Fe, Mg, Cu, Mn, Zn, Co, etc). Proporţia elementelor chimice de bază este următoarea: C ~ 50%, H ~ 7%, O ~23%, N ~ 16%, S ~ 1-3%.

Elementul principal şi caracteristic pentru protide este azotul, care se găseşte în proporţie medie de 16%. Prin dozarea azotului organic total (N), se poate determina, indirect, cantitatea de proteină brută din materialul de analizat, folosind formula:

Proteina bruta (%) = N (%) x 100/16 = N (%) x 6,25

Unitatea structurală de bază a protidelor o reprezintă aminoacizii; în consecinţă, prin hidroliza acidă, bazică sau enzimatică, orice protidă eliberează aminoacizi. În funcţie de numărul aminoacizilor constituienţi, ca şi a existenţei unor compuşi de altă natură care pot intra în structura anumitor protide, acestea se clasifică astfel:

Aminoacizi

Oligopeptide

Peptide

P rotide Polipeptide

Holoproteide (proteine)

Proteide

Heteroproteide

I.2.3.1. Aminoacizii

Aminoacizii reprezintă monomerii de bază care intră în structura peptidelor şi proteinelor, sub forma unor lanţuri polipeptidice, în care gruparea aminică a unui aminoacid se leagă peptidic de gruparea carboxil a altui aminoacid.

Există 20 d e aminoacizi proteinogeni specificaţi prin codul genetic, prezenţi în toate organismele vii, de la cele mai simple pîna la om. Alături de aceşti 20 de aminoacizi, în proteine se mai întîlnesc alţi cîţiva, care rezultă, de fapt, în urma modificărilor chimice a celor 20 de aminoacizi, după încorporare în lanţurile polipeptidice (ex. hidroxiprolina, hidroxilizina, etc.).

Clasificarea aminoacizilor poate avea la bază diferite criterii. Unul din criterii este numărul grupelor funcţionale amino şi carboxil în structura sa moleculară. În baza acesui criteriu aminoacizii se clasifică:

• aminoacizi monoaminomonocarboxilici – glicina, alanina, valina, leucina, izoleucina, serina, metionina, fenilalanina, tirozina, treonina, cisteina;

• aminoacizi monoaminodicarboxilici – asparagina, glutamine;

• aminoacizi diaminomanoacrboxilici – arginina, lizina;

• aminoacizi heterociclici – prolina, triptofanul, histidina.

Clasificarea aminoacizilor după structura lor chimică, care cuprinde toţi cei 20 de aminoacizi proteinogeni, este următoarea:

Aminoacizi alifatici

În această grupă sunt cuprinşi toţi aminoacizii în care R este un rest hidrocarbonat alifatic.

a) Aminoacizi monoamino-monocarboxilici (cu caracter neutru):

Glicocolul (glicina, acidul aminoacetic), cunoscut şi sub denumirea de “zahărul gelatinei” a fost obţinut prin hidroliza acidă a gelatinei. Este singurul α-aminoacid care nu are atom de carbon asimetric, şi deci nu prezintă izomerie optică. Majoritatea organismelor vegetale conţin glicocol (0,2-1%), dar există şi proteide vegetale mai bogate în glicocol, ca de exemplu edestina (2,5-3,8%), ricinina (6,6%) etc. Glicocolul lipseşte complet din zeină (porumb) şi hordeină (orz).

L (-) Alanina (acidul α-aminopropionic) este nelipsită din proteidele vegetale şi animale, a fost identificată la hidroliza proteinelor din soia. Este prezentă în cantitate mare în zeină (9-10%), iar în stare liberă a fost identificată în alge şi în frunze de tutun. Izomerul β-alanina a fost pus în evidenţă în soia, mere crude, tomate şi în structura acidului pantotenic.

L (+) Valina (acidul α-aminovalerianic) este regăsită în cantităţi mici în structura multor proteide. Bogate în valină sunt seminţele de in (12,7%) şi de fasole (6,2%). În stare liberă a fost pusă în evidenţă în lucernă şi germenii de secară.

L (-) Leucina (acidul α-aminoizocapronic), descoperită în hidrolizatele de caş, este foarte răspîndită în organismele vegetale, în special în zeină (19,25%) şi în edestină.

L (+) Izoleucina (acidul α-amino-β-metilvalerianic) este izomeră de poziţie a leucinei. Prezenţa în moleculă a doi atomi de carbon asimetrici conduce la existenţa a patru izomeri optici. Leucina şi izoleucina se transformă în timpul fermentaţiei alcoolice (prin decarboxilare şi dezaminare) în alcool amilic şi alcool izoamilic.

b) Hidroxi-aminoacizi

L (-) Serina (acidul α-amino-β-hidroxipropionic) se găseşte în stare liberă în seminţele germinate, iar în cantităţi mici în numeroase proteide vegetale. În proporţie mare se află în edestina din cînepă şi în unele proteide din migdale şi din algele marine. Sub formă de esteri fosforici intră în constituţia serinfosfatidelor.

L (-) Treonina (acidul α-amino-β-hidroxibutiric) însoţeşte în proteide serina, în cantităţi mai mici, prezentînd proprietăţi analoage serinei. În proporţii mai ridicate se găseşte în proteidele din cereale, soia, cartofi, alge marine. Ea intră în constituţia antibioticelor actinomicine. Treonina posedă doi atomi de carbon asimetrici, deci are patru izomeri optici.

c) Tioaminoacizi (aminoacizi cu sulf)

L (+) Cisteina (acidul α-amino-β-tiopropionic) se găseşte în toate proteidele vegetale (0,5-4,5%) şi animale. Proteidele din cartofi conţin 4-4,4%, iar glutelinele din grîu, orez, secară conţin 2,7% cisteină. Cisteina se transformă uşor, prin oxidare, în cistină, disulfura corespunzătoare care, fiind greu solubilă, se poate separa. Prin hidrogenare, cistina trece în cisteină. Pe baza acestor reacţii de oxido-reducere, sistemul cisteină-cistină joacă în organism rol de sistem redox, fiind implicat în procesele de transport de atomi de hidrogen în ciclul respirator. Gruparea reducătoare (-SH) din cisteină are rol important în reacţiile biocatalitizate de enzimele în s1tructura cărora se regăsesc astfel de grupe funcţionale.

L (-) Metionina (acidul α-amino-γ-metiltiobutiric) este prezent în zeină, seminţele de tomate, în proteidele din seminţele de cereale. Are rol de agent metilant, prin cedarea grupei metil, transformîndu-se în homocisteină.

d) Aminoacizi monoamino-dicarboxilici (cu caracter acid)

Acidul L (+) aspartic (asparagic, acid aminosuccinic) se găseşte în toate proteidele vegetale, mai ales sub forma amidei sale, asparagina. În stare liberă, asparagina apare în seva de sparanghel şi a altor plante tinere: mazăre, migdale etc.

Acidul L (+) glutamic (acidul α-aminoglutaric) este foarte răspîndit în proteidele vegetale. Amida sa glutamina, ca şi asparagina, serveşte la biosinteza proteidelor din plante. Glutamina se întîlneşte în stare liberă în alge, în fructe şi sfecla de zahăr, unde prezenţa ei, ca şi a asparaginei, micşorează randamentul producţiei, deoarece împiedică cristalizarea zahărului.

e) Aminoacizi diamino-monocarboxilici

L (+) Arginina (acidul α-amino-δ-guanidilvalerianic) a fost identificată în conifere, ricin, cartofi şi în hidrolizate proteice. Denumirea provine de la faptul că prezintă o reacţie caracteristică cu sărurile de argint.

L (+) Ornitina (acidul α,δ-diaminovalerianic) este răspîndită în stare liberă în plantele superioare, dar apare foarte rar în compoziţia proteidelor.

L (+) Lizina (acidul α,ε-diaminocapronic) se găseşte aproape în toate proteidele, mai puţin în zeină. Mai bogate în lizină sunt seminţele necoapte şi cele în curs de germinare.

L (-) Citrulina (acid δ-carbamino-α-aminovalerianic) se formează intermediar în sinteza argininei. A fost identificată în produşii de hidroliză ai cazeinei.

f) Aminoacizi aromatici

L (-) Fenilalanina (acidul α-amino-β-fenilpropionic) este răspîndit în plantele tinere de bostan, bob, lupin şi în numeroase proteide (zeina, legumina).

L (-) Tirozina (acidul para-hidroxifenilalanina) este întîlnit împreună cu fenilalanina în toate proteidele. Se găseşte în proporţie de 10% în proteidele de porumb şi de 4-5% în proteidele din sîmburii de pepene, castraveţi şi bostani.

g) Aminoacizi cu structură heterociclică conţin în moleculă un heterociclu cu un atom de azot dintr-un nucleu indolic, imidazolic şi pirolic.

L (-) Triptofanul (acidul α-amino-β-indolilpropionic, β-indolilalanina) intră în compoziţia multor proteide naturale.

În stare liberă se găseşte în organele tinere ale plantelor, în fructe, în glutenul de grîu, în soia, seminţe de dovleac, alge (8,8%). Triptofanul este unul dintre aminoacizii esenţiali, lipsa sa din organism conduce la grave tulburări. Este precursor în biosinteza vitaminei PP şi promotor al sintezei pirolului, component al hemoglobinei. Prin decarboxilarea triptofanului se formează triptamina, compus cu activitate biologică.

L (-) Histidina (acid α-amino-β-imidazolilpropionic) este răspîndită în proteidele de origine vegetală şi animală. Se găseşte în seminţele de tomate, în polen şi în edestină (4%). Prin decarboxilare enzimatică trece în histamină.

L (-) Prolina (acidul α-pirolidincarboxilic) este un iminoacid, solubil în alcool (spre deosebire de restul aminoacizilor), proprietate pe care o imprimă şi proteidelor în care se găseşte în procent mare. Prezintă caracter amfoter şi este răspîndit atît în proteinele vegetale (12% în prolaminele din cereale) cît şi în cele animale.

Proprietăţi generale ale aminoacizilor

Aminoacizii sunt substanţe incolore, solide, cristalizează în forme caracteristice fiecărui aminoacid, au puncte de topire ridicate, mai mari de 200C şi se descompun înainte de a se topi. Aminoacizii se dizolvă, într-o măsură mai mare sau mai mică, în apă, dar sunt greu solubili în solvenţii nepolari ca: eter, cloroform, benzen. Aminoacizii sunt uşor solubili în soluţii diluate de acizi şi baze. Datorită caracterului lor amfoter, aminoacizii se comportă în mediul acid (H+) ca baze – disociind sub formă de cationi, iar în mediul bazic (HO-) ca acizi – disociind sub formă de anioni.

În cazul în care catenele laterale ale diferiţilor aminoacizi conţin şi alte grupări ionizabile decît cele ataşate la carbonul α, sarcina netă a moleculei va reflecta prezenţa unor asemenea grupări disociabile. Astfel, datorită prezenţei unei grupări –COOH adiţionale, acizii aspartic şi glutamic se comportă ca aminoacizi cu caracter acid; prezenţa unor grupări bazice suplimentare în molecula de arginină, lizină şi histidină le conferă caracterul de aminoacizi bazici; ceilalţi aminoacizi pot fi consideraţi ca neutri.

Datorită capacităţii lor de a disocia ca anioni sau cationi, deci în funcţie de sarcina lor electrică netă la o anumită valoare de pH, aminoacizii manifestă proprietăţi electroforetice deplasîndu-se sub acţiunea unui cîmp electric. Astfel, în mediu acid aminoacizii migrează spre catod, iar în mediu alcalin spre anod; la pH-ul izoelectric (pHI) amfiionul nu indică nici o deplasare în cîmpul electric, atracţia către catod sau anod compensîndu-se reciproc.

Existenţa amfionului explică utilizarea soluţiilor de aminoacizi ca soluţii tampon (creează şi menţin constant un anumit pH la adăugarea unor cantităţi mici de acizi sau de baze tari):

Punctul izoelectric (pHI) se defineşte ca pH-ul la care un aminoacid nu migrează într-un cîmp electric: la pHI aminoacizii se află disociaţi ca anioni şi cationi în proporţii egale, dar solubilitatea lor este redusă datorită atracţiilor electrostatice dintre anionii şi cationii existenţi. Aminoacizii prezintă pHI diferite, deoarece catenele laterale ale unora dintre ei (aminoacizii polifuncţionali) conţin grupări chimice suplimentare care ionizează. Astfel aminoacizii monoaminodicarboxilici au pHI în zona acidă (pHI = 3,0 – 3,2), pe cînd aminoacizii diaminodicarboxilici în zona alcalină (pHI = 7,5 – 11,0); aminoacizii monoaminomonocarboxilici au pHI în jur de 6,0 întrucît soluţiile lor sunt slab acide deoarece gruparea carboxil este mai puternic ionizată decît gruparea amino.

Proprietaţi chimice ale aminoacizilor

Aminoacizii prezintă diverse reacţii chimice la care participă atît funcţiile amino şi carboxil comune tuturor aminoacicizilor, cît şi grupările prezente în radicalii de la Cα.

1. Reacţii datorate grupelor funcţionale carboxil

Reacţia de formare a amidelor are o mare importanţă biochimică, reprezentînd una dintre căile de reglare a conţinutului de amoniac din organismele vegetale, deoarece o concentraţie prea mare de amoniac devine toxică pentru plante. Prin formarea amidelor plantele realizează blocarea amoniacului în exces.

d) Decarboxilarea aminoacizilor cu formare de amine biogene:

Decarboxilarea aminoacizilor este biocatalizată în organismele vii de enzime din clasa liazelor (aminoaciddecarboxilaze). Unele dintre aminele biogene rezultate sunt compuşi toxici, altele sunt precursori ai unor coenzime. Astfel, -alanina rezultată din acid aspartic este componentă a coenzimei A şi a acidului pantotenic, din histidină se formează histamina, din aminoacizii diaminomonocarboxilici ornitina şi lizina se formează heterocicli cu azot (pirol, piridină) prezenţi în structura vitaminelor sau a unor alcaloizi cu rol fiziologic.

2. Reacţii ale aminoacizilor datorate grupei funcţionale amino

a) Reacţia aminoacizilor cu acizii cu formare de săruri.

Această reacţie a aminoacizilor se datorează caracterului bazic (acceptor de protoni, datorită electronilor neparticipanţi ai azotului aminic). În funcţie de tipul acidului se formează săruri numite: clorhidraţi, sulfaţi, azotaţi etc. ai aminoacizilor.

b) Alchilarea aminoacizilor

Alchilarea aminoacizilor (de exemplu metilarea) cu derivaţi halogenaţi, conduce la derivaţi de amoniu cuaternar, denumiţi betaine.

Aceşti derivaţi au o mare importanţă fiziologică, fiind donatori de grupe metilice. În cazul glicocolului, metilarea completă conduce la formarea glicocol-betainei (cu structură amfionică), care se găseşte în sfecla de zahăr.

c) Acilarea aminoacizilor

Acilarea aminoacizilor decurge prin tratarea aminoacizilor cu cloruri acide sau cu anhidride acide în mediu bazic şi conduce la formarea de N-acilderivaţi. Astfel, din glicocol şi clorură de benzoil (C₆H₅-CO-Cl) rezultă acidul hipuric (benzoilglicocolul).

d) Condensarea aminoacizilor cu aldehide cu formare de baze Schiff.

Această reacţie prezintă importanţă biochimică deosebită, deoarece reprezintă o cale de biosinteză a aminoacizilor (transaminarea cetoacizilor rezultaţi la biodegradarea aerobă a glucidelor prin ciclul Krebs.

e) Dezaminarea aminoacizilor

Dezaminările aminoacizilor sunt reacţii catalizate enzimatic şi constau în principiu în eliminarea grupei amino (sub formă de NH₃ sau de N₂) şi conservarea grupei carboxil. Se formează substanţe aparţinînd unor clase diferite de derivaţi funcţionali. Reacţiile de dezaminare au loc în organismele vii vegetale şi animale, şi sunt deosebit de importante în metabolismul aminoacizilor introduşi prin alimentaţie sau rezultaţi în metabolismul proteic.

Dezaminările aminoacizilor sunt de mai multe tipuri:

• Dezaminarea oxidativă, conduce la formarea, pe lîngă NH₃, a cetoacidului cu acelaşi număr de atomi de carbon ca aminoacidul:

• Dezaminarea hidrolitică, conduce la obţinerea, pe lîngă amoniac a unui hidroxiacid cu număr de atomi de carbon egal cu cel al aminoacidului iniţial:

• Dezaminarea reductivă are ca produs de reacţie un acid saturat care păstrează numărul de atomi de carbon:

• Dezaminarea desaturantă (intramoleculară) conduce la formarea unui acid nesaturat cu acelaşi număr de atomi de carbon

3. Proprietăţi chimice ale aminoacizilor care implică participarea ambelor grupe funcţionale

a) Reacţia aminoacizilor cu ionii metalelor (Cu, Ni, Pb, Ca, Mg, etc.) cu formare de complecşi de tip chelatic:

Compuşii chelatici sunt combinaţii stabile, nedisociabile, frumos colorate, utilizate în chimia analitică.

b) Reacţiile de condensare ale aminoacizilor pot fi de mai multe feluri:

• condensarea intermoleculară cu formarea de legături peptidice -CO-NH-, implică eliminarea apei între o grupă -COOH a unui aminoacid şi grupa –NH₂ a altui aminoacid. Se formează astfel: di-, tri-, tetra-, ..., polipeptide.

Trebuie precizat în cazul legăturii peptidice caracterul de legătură dublă a legăturii covalente C-N, datorat conjugării electronilor neparticipanţi de la atomul de azot cu electronii de tip π ai legăturii carbonil (conjugare p-π), ceea ce se poate reprezenta prin structuri de rezonanţă.

Datorită împiedicării sterice a rotaţiei libere, impusă de caracterul parţial de legătură dublă C=N, apare posibilitatea apariţiei izomeriei sterice geometrice (cis-trans, sau E-Z), evidenţiată prin existenţa în proteinele naturale doar a izomerului trans (E).

• condensarea intermoleculară a două molecule de aminoacizi care implică ambele grupe funcţionale ale acestora, conduce la compuşi cu ciclu dicetopiperazinic.

• condensarea intramoleculară implică grupele funcţionale -COOH şi –NH₂ ale aceluiaşi aminoacid, aflate cel puţin, în poziţie γ una faţă de alta; se formează compuşi denumiţi lactame.

4. Proprietăţi ale aminoacizilor datorate radicalului R.

Aminoacizii liberi, peptidele şi proteidele prezintă şi reacţii chimice care depind de natura radicalului R şi a grupelor funcţionale grefate pe el.

• Reacţii ale nucleelor aromatice

Acidul azotic concentrat acţionează asupra nucleului aromatic al aminoacizilor cu structură aromatică: triptofan, fenilalanină, tirozină etc. sau al aminoacidului cu structură heterociclică histidina, formînd nitroderivaţi de culoare galbenă (reacţia xantoproteică de recunoaştere a proteinelor).

• Reacţii ale grupelor funcţionale grefate pe radicalul R

Acest tip de reacţii pot fi de exemplu, reacţii de formare de legături hidrofobe în care sunt implicate catenele hidrocarbonate sau reacţii de esterificare a grupelor hidroxil din hidroxiaminoacizi cu formare de fosfoproteide. În medii puternic bazice grupa -SH a cisteinei şi grupa -OH fenolică a tirozinei pot disocia eliberînd protoni.

Grupele funcţionale polare din catenele laterale ale aminoacizilor contribuie la formarea de legături de hidrogen între diferitele părţi ale lanţului peptidic, stabilizînd molecula proteinei.

Aminoacizi neproteici

În afara aminoacizilor care intră în compoziţia proteinelor din plante, animale şi microorganisme au fost izolaţi mai mult de 150 de aminoacizi care există fie în stare liberă, fie în stare combinată (în peptide inferioare), dar niciodată în proteine.

Aminoacizi neesenţiali şi esenţiali

În organismul animalelor şi omului se sintetizează aproximativ jumatate din aminoacizii necesari sintezei proteinelor. Aceştia se numesc aminoacizi neesenţiali sau banali (glicina, alanina, serina, cisteina, tirozina, acidul aspartic, acidul glutamic, prolina). Ceilalţi aminoacizi (10) nu pot fi sintetizaţi de aceste organisme, provin numai din alimente sau suplimente nutriţionale şi de aceea se numesc aminoacizi esenţiali (indispensabili): arginina, fenilalanina, histidina, izoleucina, leucina, lizina, metionina, treonina, triptofan, valina.

I.2.3.2. Peptide

Peptidele sunt substanţe naturale sau sintetice constituite dintr-un număr restrîns de aminoacizi care se condensează intermolecular la nivelul gruparii α-carboxil a unui aminoacid şi a grupării α - amino a altui aminoacid, cu formare de legături peptidice. Peptidele pot rezulta din două, trei, sau n molecule de aminoacizi. Ceea ce rămîne dintr-un aminoacid după angajarea sa în legatura peptidică poartă denumirea de rest (reziduu) aminoacidic.

Peptidele cu mai puţine resturi aminoacide sunt denumite oligopeptide (dipeptide, tripeptide, etc.), iar acelea cu un număr mai mare de resturi aminoacide sunt polipeptide. Polipeptidele cu un număr foarte mare de aminoacizi se numesc peptone.

Capetele moleculei unui peptid sunt diferite, unul are gruparea aminică liberă, capat N – terminal, iar celălalt are gruparea carboxil neangajată, este capătul C – terminal. Resturile de aminoacizi de la capatele moleculei sunt denumite resturi N –terminale şi, respectiv C – terminale. Începutul unui peptid este capătul N –terminal. În funcţie de complexitatea lor structurală şi respectiv de masa lor moleculară, peptidele reprezintă compuşi intermediari între aminoacizi şi proteine. Masa moleculară a peptidelor este de ordinul sutelor pînă la cateva mii, iar cea a polipeptidelor poate atinge valori pînă la aproximativ 1 x 10⁴

Proprietăţile peptidelor

Peptidele sunt substanţe solide, cristalizate, solubile în apă şi insolubile în solvenţi organici.

Oligopeptidele formează cu apa soluţii moleculare, iar polipeptidele soluţii coloidale. Soluţiile peptidelor nu coagulează sub acţiunea căldurii. Solubilitatea şi tendinţa de cristalizare a polipeptidelor scade odată cu creşterea masei moleculare. Peptidele sunt substanţe cu caracter amfoter şi prezintă activitate optică. Sub aspect chimic, ambele grupe de substanţe dau reacţii asemănătoare aminoacizilor, la nivelul grupărilor aminice şi carboxilice libere.

I.2.3.3. Proteide

Proteidele sunt compuşi cu structură complexă, macromoleculară, importante pentru organismele vii atît din punct de vedere structural cît şi funcţional.

În termenul general de proteide, sunt incluse:

- proteidele care hidrolizează numai în aminoacizi şi care reprezintă deci holoproteidele sau proteinele propiu-zise;

- proteidele care la hidroliză pun în libertate aminoacizi şi o componenţă neproteică (prostetică) – heteroproteidele.

Substanţe proteice

Substanţele proteice formează protoplasma şi nucleul celulei vii; ele sunt prezente în toate lichidele fiziologice din organismul viu (sînge, lapte, sevă) şi alcătuiesc elementele de susţinere, de rezistenţă şi de protecţie mai ales ale organismului animal (coarne, copite, unghii, păr, lînă, pene, solzi de peşte, membrane animale, ţesuturi conjuctive şi elastice, cartilagii, tendoane), stratul aleuronic al seminţelor, etc. Provenite din resturile organismelor animale şi vegetale, substanţele proteice apar şi în sol, formînd azotul organic al solului, pe contul căruia se hrănesc plantele, după prealabila convertire a lui la forma amoniacală sau nitrică.

Proporţia diferitelor elemente chimice în compoziţia proteinelor variază între anumite limite. Elementul chimic cel mai constant şi cel mai uşor de determinat este azotul; el reprezintă în medie 16%; fiecare gram de azot vă exprimă prin urmare 6,25 g substanţa proteică. Deci, multiplicînd valoarea care exprimă cantitatea procentuală de azot dintr-o materie organică cu factorul 6,25 se stabileşte conţinutul aproximativ în substanţe proteice totale al acelei materii organice. Substanţele proteice vegetale, cum sunt proteinele cerealelor, au un conţinut în azot mai mare de 16 %; din această cauză factorul de multiplicare nu trebuie să fie 6,25, ci numai 5,7. În organismul animal proporţia substanţelor proteice este mai mare decît în cel vegetal. Această proporţie diferă însă de la organ la organ şi de la o specie la altă specie.

Structura proteinelor

Proteinele au o structură polipeptidică. Hotarul dintre polipeptidele propriu-zise şi proteine este destul de transparentă. La un anumit grad de complexitate a lanţurilor polipeptidice apar nivele superioare de organizare şi calitaţi noi neîntîlnite la polipeptidele mai mici. Proteinele, alături de acizii nucleici, sunt macromolecule ce există într-o varietate foarte mare. Fiecare tip de celulă, fiecare individ, fiecare specie posedă un set distinct de proteine. Se estimează că numărul de tipuri de proteine din întreaga lume vie este de 10¹⁰ – 10¹² şi potenţialul de diversitate nu este epuizat. Chiar proteinele care îndeplinesc funcţii similare, la specii diferite sunt distincte, cu masă şi proprietăţi diferite.

Chimia proteinelor este deosebit de complexă, aceasta presupunînd mai întîi, înţelegerea principiilor generale de construcţie a moleculelor proteice, a modului în care dintr-un număr limitat de unităţi structurale se pot forma infinit de multe proteine şi a factorilor care intervin în realizarea organizării lor spaţiale.

În al doilea rînd, studiul proteinelor necesită abordarea fiecărui tip de proteină în parte, stabilirea pentru fiecare specie moleculară a constituţiei chimice, a arhitecturii şi a funcţiei (sau functiilor) pe care le exercită.

Prin urmare, proteinele sunt alcătuite din resturi de aminoacizi legate între ele prin legaturi covalente peptidice care formează lanţuri polipeptidice, care, datorită legăturilor disulfidice, de hidrogen şi ionice, precum şi datorită interacţiunii hidrofobe sunt dispuse în spaţiu într-o anumită formă, adică au, în condiţii date, o anumită conformaţie. Conformaţia nativă ce ia naştere în condiţii fiziologice normale este asigurată de legăturile covalente şi complementare care conferă structurii moleculei proteice o anumită rigiditate, compactitate şi regularitate.

Structura spaţială a moleculei de proteină.

Legăturile chimice – covalente şi necovalente din moleculele proteinelor determină configuraţia lanţului polipeptidic şi a întregii molecule proteice- conformaţia proteinelor. Proteinele după forma moleculei şi specificul structurii spaţiale, se clasifică în proteine globulare- cu formă sferică elipsoidală şi proteine fibrilare cu o structură fibrulară. Proteinele globulare sunt structural alcătuite din o singură sau cătevai catene, care sunt spiralate compact datorită legăturilor covalente polare şi nepolare în glomerul. Proteinele fibrilare sunt solubile în apă. Multe din aceste proteine sunt fermenţi. Proteinele fibrilare sunt formate din catene polipeptidice spiralate care sunt dispuse în parallel unite prin legături chimice covalente şi necovalente. Proteinele fibrilare de regulă sunt insolubile în apă , dure şi mai uniforeme în conţinutul de aminoacizi. Structural se deosebesc patru forme de proteine:

• Proteine cu structură primară – molecula formată din radicali de aminoacizi uniţi prin legături peptidice în anumită ordine. Structura primară a moleculei proteice se caracterizează prin existenţa legăturilor peptidice puternic covalente şi prin succesiunea aminoacizilor care este specifică fiecărei proteine, care este precs determinată şi controlată genetic.

• Proteine cu structură secundară, radicalii aminoacizilor din structură catenei polipeptidice sunt orientaţi spaţial. Se deosebesc trei tipuri de configuraţie

spaţială a lanţului polipeptidic:

1. α- spirală (-helix); 2. β –structură ( foae pliată); 3. glomerul haotic.

În stuctura secundară sunt prezente legăturile de hidrogen dintre grupele amine- NH şi grupele –CO, dispuse paralel cu axa spiralei şi menţin lanţul în stare spiralată ordonată în jurul şi în lungul axei lui longitudinale.

Conformaţia α- spirală (-helix) utilizată de Pauling este caracteristică pentru colagene, α-cheratine. Sensul de orientare a α-helixului poate fi spre dreapta sau spre stînga, însă toţi aminoacizii participanţi în ambele cazuri aparţin seriei L, iar resturile R ale aminoacizilor sunt proiectate spre exteriorul spiralei (α-helixului). În cazul L-aminoacizilor din proteinele naturale, răsucirea spre dreapta a helixului conferă structurii mai multă stabilitate decît răsucirea spre stînga. Elicea are forma unei scări în spirală, în care fiecărei trepte îi corespunde un aminoacid. Înălţimea unei trepte este de 1,5 Е şi fiecărei spire îi corespund 3,6 aminoacizi (trepte), iar distanţa dintre spire este de 5,4 Е. (3,6 Ч 1,5). Stabilitatea deosebită a α-helixului şi deci a proteinelor se datorează legăturilor de hidrogen stabilite între grupele -C=O ale unei catene şi grupele -NH- ale catenei vecine. Catenele laterale în modelul α-helix sunt orientate în afară, putînd reacţiona cu moleculele solventului sau cu alte catene polipeptidice. Natura radicalului -R legat la Cα influenţează formarea α-helixului, favorizînd sau nu, răsucirea lanţului peptidic. De exemplu: valina, izoleucina, şi treonina, datorită substituenţilor voluminoşi, nu favorizează răsucirea catenei polipeptidice, iar prolina este un întrerupător al helixului datorită faptului, că neavînd atom de H la atomul de N nu poate forma legături de hidrogen.

Conformaţia β–structură (foae pliată) este caracteristică multor proteine fibrilare- β –cheratine, proteina fibrilară din lînă, păr, etc. Modelul structurilor β-pliate (pleated sheets) se bazează pe formarea legăturilor de hidrogen între grupele -C=O şi -NH- de la două catene polipeptidice, care pot fi dispuse în două moduri: conform modelului paralel, caracteristic β-keratinei şi modelului antiparalel, caracteristic fibroinei din mătase. În modelul paralel, lanţurile peptidice sunt situate paralel, cu resturile -R orientate în acelaşi sens, iar în modelul antiparalel, lanţurile peptidice sunt faţă în faţă (antiparale), cu resturile -R orientate în direcţii opuse. Legăturile de hidrogen în această structură sunt aproape perpendiculare pe axa lanţului peptidic (în contrast cu structura α-helix).

În modelul paralel al structurilor pliate fiecare structură cuprinde catene paralele situate la intervale de 4,6 Е, intervale care permit formarea legăturilor de hidrogen intercatenare. În cazul β-keratinei, perioada de identitate de-a lungul lanţurilor peptidice este de 6,5 Е, iar în cazul fibroinei este de 7,2 Е.

În procesele tehnologice formele structurale α- spirală(-helix) şi β –structură( foae pliată) pot trece una în alta (micşorarea mărimii hainelor din lînă după spălare în apă fierbinte).

• Proteine cu structură terţiară – structura terţiară a proteinelor se formează în dependenţă de mărime, forma, consecutivitatea şi polaritatea radicalilor de aminoacizi dislocaţi în catena polipeptidică, deci este dependentă de structura primară şi secundară a moleculei de proteină şi determină organizarea spaţială a ei. Structura terţiară apare ca rezultat al interacţiunii între catenele polipeptidice, este susţinută de legăturile disulfidice, legăturile ionice, interacţiunile hidrofobe şi electrostatice din interiorul moleculei proteice:

- legături de hidrogen (altele decît cele peptidice) între grupele –OH ale hidroxiaminoacizilor şi restul imidazolic (de exemplu, al histidinei) sau grupa–OH fenolică a tirozinei şi un rest carboxilic (-COOH);

- legături covalente de tip disulfurice stabilite la nivelul grupelor -SH din tioaminoacizii cisteină, metionină;

- legături fosfodiesterice, stabilite la nivelul grupelor -OH esterificabile ale hidroxiaminoacizilor (de exemplu, serina) cu acid fosforic:

- legături ionice între resturile carboxilat (-COO-) de la aminoacizii dicarboxilici (acidul aspartic, acidul glutamic) şi grupările amoniu (–NH₃+) ale aminoacizilor diaminici (lisină, arginină);

- legături apolare prin forţe van der Waals (legături hidrofobe) realizate între catenele laterale ale valinei, leucinei, izoleucinei, fenilalaninei. Legăturile hidrofobe apar şi acţionează mai ales în interiorul moleculelor proteice, minimalizînd interacţiile părţilor hidrofobe cu apa şi maximalizînd forţele Van der Waals între grupele hidrofobe laterale ale valinei, leucinei, izoleucinei, fenilalaninei. Legăturile hidrofobe apar şi acţionează mai ales în interiorul moleculelor proteice, minimalizînd interacţiile părţilor hidrofobe cu apa şi maximalizînd forţele Van der Waals între grupele hidrofobe.

Structura terţiară este dependentă de succesivitatea radicalilor de aminoacizi în catena polipeptidică (porţiuni spiralate se alternează cu porţiuni liniare) care sunt dislocaţi în secvenţe îndreptate spre deosebire de structura secundară care este dependentă de succesivitatea aminoacizilor în secvenţele apropiate. Deci, structura terţiară indică în ce mod lanţul polipeptidic, răsucit total sau parţial, este aşezat în spaţiu. Structura terţiară este e o structură tridimensională a moleculei proteice.

• Structura cuaternară este prezentă numai la proteinele oligomere care

posedă mai multe catene polipeptidice şi reprezintă aşezarea spaţială a subunităţilor (protomeri) legate prin legături necovalente într-o moleculă proteică unică ce are caracteristici specifice sub aspect structural şi funcţional. Procesul de asamblare a moleculei proteice în stuctură cuaternară din protomeri se caracterizează prin exactitate: suprafeţele de contact la un protomer cu precizie corespund suprafeţelor de contact la alt protomer în aşa fel că R-grupele ionice sau R- grupele care pot forma legături de hydrogen sau hidrofobe coincid. Suprafeţele de contact date sunt numite complementare şi corespund una alteia ca cheia în lacăt, deaceea uniri greşite de protomeri în molecula oligomeră proteică sunt imposibile.

Pratic, toate procesele biochimice în organismele vii inclusive şi procesele fermentative, procesele de transportare a compuşilor chimici prin membranele biologice şi alte procese care decurg cu participarea moleculelor de proteină au în bază interacţiunile complimentare.

Denaturarea proteinelor.

Conformaţiile native ale proteinelor globulare, rezultate prin împachetarea specifică a lanţurilor polipeptidice şi asocierea subunităţilor în proteinele oligomere sunt extrem de fragile, ele sunt uşor perturbate sub acţiunea unei multitudini de agenţi care afectează interacţiunile necovalente din cuprinsul moleculei. Modificarea conformaţiei native a unei proteine poartă denumirea de denaturare şi agenţii care o provoacă sunt agenţi denaturanţi.

Denaturarea proteinei – este o modificare a structurii în interiorul moleculei proteice fără de ruperea legăturilor peptidice şi de modificarea concecutivităţii radicalilor de aminoacizi.

În rezultatul denaturării în molecula proteică se produc schimbări în structura cuaternară, terţiară şi secundară formate prin legături necovalente. Proteina îşi pierde activitatea biologică totalmente sau parţial reversibil sau ireveribil în dependenţă de intensitatea şi durata timpului de acţiune a agenţiilor de denaturare. Deci în cursul denaturării unei proteine nu sunt rupte legăturile peptidice, nu se eliberează aminoacizi.

Denaturarea proteinelor are loc sub acţiunea unor agenţi denaturanţi care pot fi de natură fizică sau chimică. Denaturanţii fizici sunt: încălzirea (la temperaturi mai mari de 50 – 60C), creşterea presiunii, congelarea, radiaţiile ionizante, ultrasunetele, etc.; chimici – ionii de H sau OH (de obicei la pH mai mic de 4 şi mai mare de 10 are loc denaturarea), solvenţii organici (acetona, alcool), ureea, sărurile metalelor grele, etc. Proteinele se denaturează şi sub influenţa detergenţilor, însă în acest caz, de cele mai multe ori proteina denaturată rămîne în stare solubilă. Cea mai caracteristică modificare a proteinei la denaturare este pierderea solubilităţii ei în apă, în soluţii de săruri sau în soluţii alcoolice.

Viteza şi gradul de denaturare a proteinelor la încălzire depind de temperatura încălzirii şi de durata ei; denaturarea este cu atît mai profundă cu cît temperatura este mai ridicată şi cu cît durata încălzirii este mai mare. În afară de aceasta, gradul şi viteza denaturării proteinei depind şi de umiditatea ei: denaturarea soluţiei apoase a proteinei se produce mult mai repede decît denaturarea aceleaşi proteine în stare uscată sau de gel. Ca agenţi fizici de denaturare a proteinei este presiunea înaltă şi radiaţia: α-, β-, γ -, ultrasunetul, etc. Din agenţii chimici de denaturare sunt sărurile metalelor grele – săruri de plumb, săruri de cupru, săruri de mercur, săruri de plumb, etc., care intervin ca destabilizatori a legăturilor chimice din interiorul moleculei proteice.

Aşa dar, împreuna cu modificarea solubilităţii şi a capacităţii proteinei de a absorbi apa, la denaturare se mai produc o serie de alte transformări care se manifestă prin creşterea reactivităţii unor grupări (de exemplu, - SH), prin creşterea accesibilităţii proteinelor la enzime ca urmare a "afînării" structurilor moleculare, prin variaţia vîscozităţii soluţiilor proteice, prin variaţia formei moleculei proteice.

Denaturarea proteinelor are o mare însemnătate în procesele tehnologice de prelucrare şi obţinere a produselor alimentare- la coacerea pînii, uscarea macaroanelor, legumelor şi fructelor, la conservarea şi prelucrarea culinară a produselor alimentare. Denaturarea proteinei, favorizează accesibilitatea acţiunii fermenţilor proteolitici şi sporeşte reactivitatea grupelor funcţionale din molecula proteică, etc.

Proprietatile proteinelor

Proteinele se caracterizează printr-un ansamblu de proprietăţi fizico – chimice, chimice şi biochimice. Cercetarea proprietăţilor proteinelor în scopul caracterizării lor impune existenţa acestora în stare pură, ceea ce reclamă extracţia, izolarea şi purificarea lor prin procedee şi tehnici laborioase şi de mare fineţe.

• Proprietati fizico – chimice

Proprietăţile fizico – chimice ale proteinelor sunt determinate de structura moleculară, de gruparile libere polare de la suprafaţa moleculei, de legăturile intra – şi intercatenare, de natura radicalilor nepolari, etc., avînd un rol însemnat în activitatea biologica a proteinelor. Proteinele izolate din diferite surse sunt substanţe solide, în general amorfe, care prin purificare avansată pot fi obţinute în stare cristalină.

Solubilitatea proteinelor în apă este foarte diferită: proteinele globulare sunt mai mult sau mai puţin solubile, pe cînd cele fibrilare sunt insolubile. Solubilitatea în apă depinde de mai mulţi factori: natura, numărul şi aşezarea în catenă a aminoacizilor care compun macromolecula, de existenţa grupelor funcţionale hidrofile (carboxil, hidroxil), de pH şi de concentraţia în săruri a soluţiei. Prezenţa grupelor funcţionale polare (-OH, -NH₂, -COOH,-SH) favorizează dizolvarea în apă, deoarece moleculele polare ale apei sunt atrase electrostatic de grupele funcţionale polare ale proteinei, ceea ce duce la legarea moleculelor solvatului de moleculele solventului, adică la fenomenul de solvatare (hidratare în cazul apei) indispensabil dizolvării. Natura solventului are un rol mare în procesul de solubilitate a proteinelor. Solvenţii organici produc o scădere a constantei dielectrice a mediului apos şi în consecinţă, fenomenul de hidratare se reduce odată cu solubilitatea. O cantitate prea mare de solvent organic poate produce pierderea sarcinilor electrice şi o deshidratare a proteinei care poate produce denaturarea ei (modificarea structurii şi proprietăţilor iniţiale). Solubilitatea proteinelor este influenţată şi de pH-ul mediului. La pH izoelectric, moleculele proteinelor devin perfect neutre, nu mai leagă moleculele polare ale apei în jurul lor, în consecinţă, nu mai are loc fenomenul de hidratare şi dizolvare. La pHi, solubilitatea proteinei devine minimă şi din această cauză proteina precipită uşor, particulele proteice găsindu-se sub formă de amfioni. Prezenţa ionilor de semn contrar influenţează solubilitatea proteinelor, deoarece macromoleculele posedă la suprafaţă grupări ionizate şi reţin selectiv diferite substraturi cu molecule mici. Masa moleculară a proteinelor variază de la cîteva mii la cîteva milioane, în funcţie de numărul catenelor polipeptidice şi a aminoacizilor componenţi. Determinarea masei moleculare a proteinelor este dificilă deoarece ele formează prin dizolvare soluţii coloidale, astfel că nu pot fi aplicate metodele obişnuite de determinare a masei moleculare, ci metode speciale.

Starea coloidală a proteinelor în soluţie le conferă proprietăţile caracteristice sistemelor coloidale: presiune osmotică mică, putere de difuziune redusă, ultrafiltrare, efectul Tyndall etc.

Din cauza dimensiunilor mari ale macromoleculelor, proteinele nu difuzează prin membrane ale căror pori sunt de ordinul milimicronilor (membrane de celofan, pergament, colodiu etc.), proprietate pe care se bazează separarea lor de sărurile prezente în soluţie şi ai căror ioni trec prin membranele de dializă.

Soluţiile proteice pot forma geluri în care proteina şi solventul formează o masă omogenă, cu particularităţi specifice substanţelor solide. Fenomenul este important pentru realizarea reţelei tridimensionale a scheletului protoplasmei, care este insolubilă în apă, pe care o reţine datorită procesului de imbibiţie. Imbibiţia gelului, însoţită de creşterea considerabilă a volumului este utilizată în industria alimentară (gelifierea alimentelor prin adăugare de gelatină, imbibiţia proteinelor din făină la prepararea aluatului etc.).

Precipitarea proteinelor poate fi: reversibilă, în prezenţa soluţiilor concentrate de electroliţi tari (săruri ale metalelor alcaline, alcalino-pămîntoase, (NH₄)₂SO₄ sau a solvenţilor miscibili cu apa (alcool, acetonă). Precipitarea reversibilă se explică prin fenomenul de salifiere, care constă în deshidratarea parţială a proteinelor, datorită competiţiei pentru moleculele de apă dintre ionii electroliţilor folosiţi la precipitare şi grupele polare sau ionice ale proteinelor.

Macromoleculele proteice deshidratate parţial, se aglomerează şi precipită. La adăugarea unui exces de apă, precipitatul se dizolvă, ceea ce dovedeşte că la precipitarea reversibilă, proteinele suferă unele modificări fizico-chimice, dar nu se produce denaturarea structurilor moleculare.

Precipitarea ireversibilă se produce în prezenţa sărurilor metalelor grele (Cu, Pb, Hg, Fe, Ni etc.), a acizilor tari (HCl, HNO₃, H₂SO₄), a bazelor alcaline (NaOH, KOH), a acidului picric, sau cu unii acizi anorganici complecşi (acid fosfomolibdenic, acid fosfowolframic etc.). Ea mai poate avea loc la încălzire puternică (coagulare), sub acţiunea razelor X, UV, etc. La încetarea acţiunii agenţilor precipitanţi, proteinele nu revin la forma iniţială, deoarece structura spaţială a proteinelor (secundară, terţiară) suferă o depliere, o dezorganizare, care însă nu afectează şi structura primară. Precipitarea ireversibilă a proteinelor este însoţită de transformări chimice mai profunde - denaturarea proteinelor, etc.

Un proces de precipitare este şi coacervarea, proces lent de separare a coloizilor din soluţie, ca urmare a modificărilor lente ale condiţiilor soluţiei coloidale proteice.

Caracterul amfoter al proteinelor se datorează prezenţei în molecula lor a grupărilor acide (-COOH) sau bazice (-NH₂) libere ale resturilor aminoacizilor dicarboxilici sau diaminici din constituţia proteinelor. Caracterul amfoter al proteinelor este influenţat şi de resturile unor aminoacizi cu grupări ionizabile (-OH din tiroxină, resturile bazice ale histidinei, argininei).

Datorită sarcinilor electrice, proteinele migrează în cîmp electric spre anod în soluţie bazică şi spre catod în soluţie acidă. Fenomenul stă la baza separării şi purificării proteinelor prin metoda numită electroforeză.

Proteinele prezintă activitate optică, datorită atît aminoacizilor constituenţi care conţin atomi de carbon asimetrici, cît şi asimetriei întregului agregat macromolecular. Orice modificare a structurii proteinei este însoţită de schimbarea rotaţiei specifice, care indică denaturarea proteinei.

Proteinele sunt substante amorfe, dar se pot obţine şi în stare cristalină (hemoglobina, albumina din serul sanguin, albumina din lapte, şi unele enzime ca pepsina, catalaza etc.).

• Proprietati chimice

Proprietăţile fizice şi chimice generale ale proteinelor sunt determinate de structura moleculară, natura legăturilor intra- şi intermoleculare, natura grupelor funcţionale. Transformările chimice ale proteinelor sunt importante pentru a stabili structura şi identitatea acestora prin metode analitice, pentru a identifica situsul catalic sau modul de fragmentare sub acţiunea enzimelor şi posibilităţile de imobilizare şi mai cu seamă pentru a prevedea modificările ce pot avea loc la procesarea alimentelor.

Proteinele prezintă (asemănător aminoacizilor) reacţii chimice corespunzătoare grupelor funcţionale: -NH₂ şi -COOH libere, precum şi reacţii al radicalilor -R pe care îi conţin. Transformările chimice ale proteinelor pot fi grupate în: 1. reacţii chimice ale grupelor funcţionale; 2. reacţii enzimatice; 3. reacţii la procesarea alimentelor. Sunt caracteristice de asemenea o serie de reacţii de culoare, care servesc la identificarea lor (reacţia biuretului, reacţia xantoproteică, reacţiile: Millon, Liebermann, Sakaguchi etc.).

Hidroliza. Proteinele formează edificii moleculare foarte labile. Sub acţiune catalitică a acizilor, bazelor, a unor enzime specifice, ca şi sub acţiunea unor microorganisme, proteinele suferă un proces de degradare hidrolitică, din care rezultă întotdeauna un amestec din mai mulţi aminoacizi. Cînd întreg edificiul proteic este degradat pînă la cele mai mici unităţi moleculare, ce nu mai sunt hidrolizabile, - pînă la aminoacizi - hidroliza este totală; cînd însă edificiul proteic este scindat în fracţiuni intermediare, care sunt hidrolizabile la rîndul lor mai departe, hidroliza este parţială.

Hidroliza enzimatică a proteinelor are loc treptat pînă la aminoacizi, sub acţiunea unor categorii de enzime proteolitice.

• Proprietăţi biochimice şi imunologice

Organismele vii prezintă proprietatea specifică de a putea sintetiza proteine proprii din aminoacizii preluaţi prin alimentaţie sau rezultaţi la hidroliza enzimatică a proteinelor alimentare.

Proteinele au proprietatea de a fi organ-specifice, deoarece fiecare organ al aceleiaşi plante sau al aceluiaşi animal conţine proteine specifice, diferite de proteinele altor organe ale aceluiaşi individ.

Proteinele sunt totodată şi specie-specifice, deoarece acelaşi organ de la diferite specii, animale sau vegetale, conţine proteine specifice, diferite de ale aceluiaşi organ al unui individ din altă specie.

Specificitatea proteinelor se manifestă şi prin proprietăţile lor imunologice: înocularea unei proteine străine în organismul unui animal provoacă apariţia în serul acestuia a unei substanţe capabile să precipite numai proteina care a fost înoculată. Substanţele înoculate se numesc antigeni şi pot fi: proteine, poliglucide, asociaţii complexe glucide-lipide-poliprotide, care sunt străine pentru organismul în care au pătruns şi declanşează în consecinţă biosinteza unor proteine specifice de apărare, denumite anticorpi. Antigenul reacţionează cu anticorpii formaţi, determinînd reacţia antigen-anticorp, prin care este anihilată acţiunea nocivă a antigenului. Ca antigeni, pe lîngă proteinele ca atare, mai pot fi şi asociaţii complexe formate între glucide, lipide, polipeptide, bacterii, virusuri. Formarea anticorpilor coincide cu instalarea în organism a unei rezistenţe specifice (imunitate) faţă de agentul patogen. Anticorpii sau imunoglobulinele sunt substanţe de natură proteică cu rol de aparare, a căror biosinteză este declanşată de către antigen şi care posedă capacitatea specifică de a reacţiona cu antigenul care a provocat formarea lor.

Reacţiile imunologice stau la baza preparării şi utilizării serurilor şi vaccinurilor în vederea imunizării organismelor contra infecţiilor microbiene.

• Clasificarea proteinelor

La baza clasificării proteinelor stau de obicei două criterii: forma particulelor (globulare şi fibrilare) şi constituţia chimică. Primul criteriu nu este întotdeauna suficient pentru o diferenţiere completă a proteinelor, deaceea este utilizat frecvent criteriul structurii chimice. Deoarece forma particulelor nu reprezintă un criteriu suficient de diferenţiere, iar structura majorităţii proteinelor nu este elucidată complet, clasificarea lor se face după mai multe criterii: complexitatea structurii, mărimea masei moleculare, unele proprietăţi fizico-chimice şi provenienţa proteinelor. Astfel, proteinele pot fi clasificate în grupe neomogene, care reprezintă de fapt amestecuri de holoproteide cu proprietăţi asemănătoare.

După solubilitate, caracterul chimic şi proprietăţile biologice, proteinele globulare se clasifică:

1. Albumine – caracter foarte slab acid, origine vegetală;

2. Globuline – caracter slab acid, origine animală;

3. Prolamine – caracter acid, origine vegetală;

4. Gluteline - caracter acid, origine vegetală;

5. Histone - caracter slab bazic, origine vegetlă;

6. Protamine - caracter foarte bazic, orgine animală;

7. Proteinoide (colagene si keratine), origine animală.

Albumine.

Albuminele sunt proteine globulare care se găsesc în toate ţesuturile animale ţi vegetale. Albuminele sunt caracterizate printr-o mare solubilitate în apă şi uşurinţa de a fi precipitate cu o soluţie saturată de electroliţi (sulfat de amoniu). Au masă moleculară mică şi caracter slab acid. Prin încălzire la 70⁰C coagulează ireversibil. Deoarece albuminele sunt asociate cu globulinele, de care se separă pe baza diferenţei de solubilitate, ele se întîlnesc împreună în proteine. Albuminele sunt răspîndite în toate organele plantelor, mai frecvent în seminţe. Cele mai cunoscute sunt: leucozina (în grîu, secară, ovăz), legumelina (în mazăre, linte, soia), ricinina (seminţe de ricin), faseolina (în fasole). Albuminele care conţin aminoacizi esenţiali au valoare nutritivă deosebită. Ele conţin aminoacizi cu sulf, dar puţin glicocol. Se cunosc şi albumine toxice, de exemplu: crotina din seminţele de Croton tiglium şi folina din ciupercile otrăvitoare, albumina din ricin, care au proprietatea de a aglutina globulele roşii. Albuminele sunt prezente şi în plasma sanguină (serumalbumina), lapte (lactalbumina), albuşul de ou (ovalbumina) etc.

Sunt substanţe cu caracter slab acid sau neutru, solubile în apă şi în soluţii diluate de electroliţi. Cu apa formează soluţii coloidale, din care albuminele precipită sub acţiunea unor soluţii concentrate de sulfat de amoniu, clorură de sodiu, sulfat de magneziu, etc., iar prin încălzire (60 – 70C) coagulează. Spuma albă care apare la fierberea legumelor şi fructelor sau care se formează la suprafaţa laptelui fiert sunt albumine coagulate datorită temperaturii ridicate.

Unele albumine vegetale ca ricina, falina din Amanitha phalloides, crotina din seminţele de croton, etc. sunt substanţe toxice şi poartă numele generic de toxalbumine. Ele au proprietatea de a aglutina globulele roşii din sînge. Ricina introdusă în sîngele unui iepure, într-o concentratîţie foarte mică, de 0,3 – 10-3 miligrame, produce moartea animalului. Albuminele toxice se comportă ca pseudoanticorpi.

Albuminele se găsesc în plante în stare liberă, sau în asociere cu globulinele şi cu poliglucidele.

Globuline.

Globulinele formează împreună cu albuminele masa principală a protoplasmei celulare. Globulinele sunt cele mai răspîndite proteine globulare din organismele vegetale şi animale. Sunt insolubile în apă, dar se dizolvă cu uşurinţă în soluţii diluate de săruri (NaCl, Na₂SO₄, etc.).n Precipită uşor cu soluţie de sulfat de amoniu 50%. Prezenţa în structura lor a acidului aspartic şi glutamic le imprimă caracter acid. În regnul vegetal, 50% din totalul proteinelor îl constituie globulinele din seminţele de leguminoase şi oleaginoase, cu rol de substanţe de rezervă pentru aceste plante. Din seminţele de legume au fost izolate: faseolina (din fasolea albă), glicina (din soia), legumina (din mazăre şi linte). În seminţele plantelor oleaginoase se găsesc: edestina (în cînepă), amandina (în migdale), corilina (în alune) etc. Globuline se mai întîlnesc în cartofi, spanac şi tomate.

Globulinele sunt cele mai răspîndite proteine din organismul animal. Împreună cu albuminele formează proteinele protoplasmei celulei. Astfel în plasma sanguină se găsesc serumglobulina şi fibrinogenul; în lapte – lactoglubulina; în ou– ovoglobulina; în muşchi – proteina contractilă care se numeşte miozina. În stările infecţioase se înregistrează o creştere a cantităţii de globuline din sînge ca urmare a formării compuşilor de apărare (răspunsul imun) – anticorpi – în compoziţia cărora intră imunoglobulina (Ig).

Prolamine.

Prolaminele sau gliadinele se găsesc numai în regnul vegetal ( preponderant în ceriale) şi conţin cantităţi mari de prolină şi acid glutamic, care le imprimă caracter acid. Prolaminele au valoare alimentară redusă, deoarece sunt sărace în triptofan şi lizină. Reprezentanţi ai prolaminelor sunt: zeina (din porumb), hordeina (din orz) şi avenina (din ovăz). Datorită conţinutului redus în triptofan şi lisină, folosirea porumbului ca aliment unic, conduce în organism la grave tulburări.

Prolaminele sunt insolubile în apă şi soluţii de săruri, însă sunt solubile în alcool etilic 70%. Datorită acestei solubilitaţi, prolaminele se pot separa de celelalte proteine. Se mai pot dizolva în alcool metilic, alcool propilic şi glicerol. Prolaminele nu coagulează sub acţiunea căldurii.

Gluteline.

Glutelinele sunt răspîndite în seminţele cerealelor şi în părţile verzi ale plantelor. Glutelinele sunt ca şi gliadinele proteine de origine vegetală. Sunt insolubile în apă şi în alcool, dar se dizolvă în soluţii diluate de baze sau de acizi. Glutelinele conţin acid glutamic şi prezintă caracter acid. Glutelinele au o valoare alimentară mai mare decît prolaminele deoarece conţin într-o proporţie mai mare diferiţi aminoacizi esenţiali. În glutenina porumbului lizina se află în proporţie de aproximativ 3%, în timp ce în zeina lipsestecomplet. Amestecul format din glutenină şi gliadină, care se izolează din făina de grîu poartă denumirea de gluten. Glutenul conţine în medie două treimi apă şi o treime substanţă uscată. Glutenul din făina de grîu conţine aproximativ 40 – 50% gliadină, 30 – 40% glutelină, 6 – 10% globulină, 3 – 5% albumină, 2 – 3% glucide solubile, 6 – 7% amidon, 1 – 2% celuloză, 2 – 3% lipide, 1 – 1,5% cenuşă. Proteinele din gluten, prin punţile lor - S – S conferă făinii de grău proprietatea de a da cu apă un aluat elastic care reţine într-un mod caracteristic bioxidul de carbon format în timpul dospirii (în timpul fermentării alcoolice parţiale) şi în timpul coacerii, dînd pîinii o structură poroasă şi un volum corespunzător.

Dintre gluteline sunt importante: glutenina (din seminţele de grîu) şi orizenina (din boabele de orez).

Histonele

Histonele sunt răspîndite preponderent în regnul animal şi mai puţin în regnul vegetal. Histonele formează o familie de proteine animale, care în organism nu se găsesc în stare liberă, ci conjugate mai ales ca cromoproteide şi nucleoproteide. Astfel, ele se găsesc mai ales în nucleele celulelor, în spermă, în celulele timusului, în nucleul globulelor roşii ale păsărilor, în sînge, etc. În vegetale nu au fost identificate histone tipice, dar existenţa în regnul vegetal a unor proteine înrudite cu histonele este sigură. Histonele conţin cantităţi mari de arginină şi de histidină, aminoacizi care le imprimă caracter bazic.

Protamine.

Protaminele sunt de origine animală, nu coagulează prin încalzire, fiind considerate cele mai simple proteine, cu conţinut sporit de arginină. Au o solubilitate mare în apă, datorită greutăţii moleculare mici (2000 – 3000) şi în structura lor lipseşte sulful. Protaminele spre deosebire de histone nu sunt degradate hidrolitic de pepsină şi de alte enzime proteolitice. Protaminele au fost izolate din nucleul celulelor spermale (din nucleul spermatozoizilor), din peşte, unde se găsesc combinate cu acizii nucleici, formînd astfel nucleoproteide. Protaminele nu au fost găsite în organismele vegetale.

Proteinoide (scleroproteine)

Proteinele fibrilare (scleroproteine) au aspect filiform, fiind compuse din catene polipeptidice individuale lungi, sub formă de filamente, unite lateral prin legături încrucişate, formînd o structură stabilă. Proteinoidele sunt proteine de tip fibrilar care exercită în organismul animal un rol plastic, de susţinere, protecţie şi rezistenţă mecanică. În general, ele intră în constituţia ţesuturilor conjuctive, de susţinere şi epidermice. Sunt insolubile în apă şi constituie substanţe de schelet şi de protecţie. Prezintă o mare rezistenţă la acţiunea hidrolizantă a factorilor chimici şi a enzimelor. Se găsesc preponderent în organismele animale şi sunt reprezentate prin:

• colagene - în ţesutul conjunctiv, piele, tendoane, cartilagii, ligamente;

• keratine - proteine constituente ale epidermei, părului, penelor şi formaţiilor cornoase (unghii, coarne, copite);

• miosina - proteina din muşchi;

• elastine - participante la structura fibrelor elastice din artere şi tendoane;

• fibrinogenul - constituie 4% din proteinele plasmei sanguine cu rol esenţial în coagularea sîngelui;

• fibroina - proteina din mătasea produsă de viermii de mătase.

În plante s-au identificat proteine fibrilare în stratul aleuronic al seminţelor.

I.2.3.4.Heteroproteide

Heteroproteidele (proteide sau proteine conjugate) sunt poliprotide superioare care la hidroliza totală pun în libertate o componentă proteică şi o componentă neproteică (prostetică). Deci, proteinele sunt apte de a lega o varietate de compuşi chimici cu masă moleculară foarte diferită, formînd ansambluri moleculare heterogene ca structură. Proteinele conjugate reprezintă asocierea prin legături covalente şi necovalente a unei componente proteice şi a unei componente neproteice, de natură chimică diversă.

Clasificarea heteroproteidelor se face în funcţie de natura grupării prostetice astfel:

• glicoproteide (componenţa prostetică este o glucidă);

• lipidoproteide (componenţa prostetică este o lipidă);

• fosfoproteide (componenţa prostetică este acidul fosforic);

• cromoproteide (componenţa prostetică este un colorant);

• metalproteide (componenţa prostetică este un metal);

• nucleoproteide (componenţa prostetică este un acid nucleic).

În organismul animal se găsesc toate aceste grupe de proteide; în organismul vegetal nu au fost găsite fosfoproteidele şi nici glicoproteidele, cu excepţia polenului de porumb.

Caracteristic proteidelor este faptul că prin degradare hidrolitică gruparea prostetică se elimină înainte ca molecula proteinică să fie scindată la aminoacizi; aceste fapte ne arată că legătura dintre gruparea prostetică şi proteină este mai slabă decît legătura peptidică, ceea ce este în concordanţă cu faptul că sărurile, esterii, ca şi acetalii sunt mai uşor hidrolizabili decît amidele.

Glicoproteide

Sunt heteroproteide care au drept grupare prostetică monoglucide (glucozamina, galactoza, xiloza, ramnoza, acizi uronici) şi poliglucide (acizi poliuronici). Se clasifică, în funcţie de raportul proteină/glucidă în:

• glicoproteide propriu-zise, în care componenţa de bază este proteina, iar componentele glucidice sunt sub 4%. Din această clasă fac parte albuminele din ou şi din ser şi unele globuline din ser care conţin glucide.

• mucoproteide (mucoide), în care predomină glucidele (peste 4%). Sunt proteide caracteristice mediului animal, dintre care cele mai importante sunt: antigenele de grup sanguin, glicoproteidele cu rol hormonal, glicoproteidele din membranele celulare etc.

Glicoproteidele au o largă răspîndire în organismul animal, fiind distribuite în diverse ţesuturi, în plasmă, în secreţia mucoaselor, în salivă; de asemenea, se găsesc asociate cu unele enzime şi hormoni. După felul grupării prostetice, glicoproteidele pot avea caracter acid sau neutru. Cele mai importante glicoproteide cu caracter acid sunt mucinele, mucoidele şi condroidele. Mucinele protejează mucoasele tractului intestinal de acţiunea nocivă a unor compuşi chimici sau agenţi mecanici; mucidele intră în constituţia cartilagiilor, oaselor (osteomucoide), a tendoanelor şi ligamentelor.

În sînge se găsesc glicoproteide neutre, care determină specificitatea grupelor sanguine. Ele conţin glucozamină, galactozamină, galactoză şi fucoză. În seminţe şi alte organe vegetale se găsesc proteine care produc aglutinarea eritrocitelor. Aceste proteine se numesc fitohemoglutinine sau lectine şi reprezintă nişte glicoproteide. Cantităţi mai mari de lectine se găsesc în leguminoase (soia, fasole, mazăre) şi în seminţele de ricin. Sunt toxice cînd sunt injectate animalelor şi devin inhibitori ai creşterii cînd sunt introduse în hrană.

Fosfoproteide

Fosfoproteidele sunt heteroproteide care au drept componentă prostetică acidul fosforic esterificat cu grupele -OH din hidroxiaminoacizi (serina, treonina). Restul fosforic este de obicei neutralizat şi se găseşte sub forma sării de K sau de Ca. Fosfoproteidele joacă un rol important în organismele tinere vegetale şi animale. Sunt răspîndite în special în lapte şi ouă, sub formă de cazeină (45% din proteinele laptelui uman şi 80% din cele ale laptelui de vacă) şi ovovitelină (0,9% conţinutul de fosfor în gălbenuşul de ou). Cazeina nu coagulează la cald, (ceea ce permite fierberea laptelui), ci numai la pH acid, cînd este pus în libertate radicalul fosforic. Sub acţiunea acizilor precipită; precipită ireversibil şi sub acţiunea enzimelor specifice numite renine sau chimizine (cheagul) şi pepsină, care sunt prezente în sucul gastric al animalelor tinere. Fenomenul brînzirii laptelui are la baza precipitarea caseinei (caseogenului) din lapte cu ajutorul acizilor sau enzimelor.

Fosfoproteidele sunt substante insolubile în apă, solubile în alcalii diluate, formînd săruri, de unde precipită prin acidulare. Sub acţiunea alcaliilor diluate, la cald, fosfoproteidele se hidrolizează uşor, eliminînd gruparea fosforică.

Lipoproteide

Sunt heteroproteide care conţin drept grupare prostetică lipide (gliceride, cefaline, lecitine) şi acizi graşi. Sunt răspîndite în organismele vii, animale şi vegetale, mai ales în ţesuturile cu activitate fiziologică intensă (nucleu, mitocondrii, cloroplaste). Complexele lipoproteice au caracter macromolecular şi intră în constituţia unor structuri subcelulare (membrane celulare, mitocondrii). Dintre cele mai importante fiziologic se pot aminti: lipoproteidele din lapte (cu rol energetic), lipoproteidele din ou (cu rol în dezvoltarea embrionului), lipoproteidele plasmatice şi membranare care asigură transportul substanţelor liposolubile (vitamine, hormoni, medicamente). În lipoproteidele din boabele de soia, componenta lipidică este legată de resturi de acid fosforic şi de arginina din proteidă. Uneori, lipoproteidele din făina de porumb, din soia şi din morcov sunt impurificate cu xantofile şi caroteni. În apă lipoproteidele formează soluţii coloide şi sub această formă ele sunt transportate în diferite organe.

Cromoproteide

Cromoproteidele sunt heteroproteide a căror grupare prostetică este o substanţă colorată (pigment). Sunt răspîndite în toate organismele vegetale şi animale, unde îndeplinesc roluri complexe. Se clasifică în funcţie de gruparea prostetică şi de funcţia biologică pe care o îndeplinesc în două mari clase: cromoproteide porfirinice (cu structură tetrapirolică) şi cromoproteide neporfirinice.

Cromoproteide porfirinice

Cromoproteidele porfirinice sunt cele mai răspîndite dintre cromoproteide. Componenţa prostetică este un inel porfirinic, format din patru nuclee pirolice, legate prin punţi metinice (=CH-). Structura porfirinică rezultă prin substituirea atomilor de hidrogen de la atomii de carbon din poziţiile 1-8, cu diferiţi radicali.

Protoporfirina, componentă a hemoglobinelor, cea mai răspîndită dintre cromoproteidele porfirinice, se caracterizează prin prezenţa următorilor radicali:

• metil (CH₃) la: C₁, C₃, C₅, C₈;

• vinil (-CH=CH₂) la: C₂, C₄;

• propionil (-CH₂ –CH₂-COOH) la: C₆, C₇.

În structura porfirinică pot exista şi metale, cum ar fi: Mg, Fe, Cu, Zn etc.

Cromoproteidele se deosebesc între ele prin:

• natura componenţei proteice;

• natura radicalilor grefaţi pe nucleul porfirinic. Structura porfirinică reprezintă o grupare prostetică comună unei serii de heteroproteide cu funcţii biologice foarte importante, cum ar fi: cloroglobinele, hemoglobinele, citocromii, catalaza, peroxidaza, fitocromul etc.

a) Cromoproteide porfirinice fără rol respirator

Cloroplastinele (cloroglobinele) sunt cromoproteide prezente în toate celulele şi ţesuturile plantelor verzi. Sunt localizate în cloroplaste şi au drept componentă proteică globina (plastină), şi ca grupare prostetică pigmentul clorofila, care imprimă culoarea verde ţesuturilor plantelor. Cele două componente (proteina şi gruparea prostetică) se separă uşor prin uscarea frunzelor şi extracţia pigmentului colorat cu eter sau alcool etilic. Cloroplastele celulare mai conţin în afară de clorofilă şi carotenoide, lipide, acizi nucleici, microelemente.

Clorofilele, pigmenţii coloraţi ai frunzelor verzi, au o structură magnezio-porfirinică, în care atomul central magneziul este legat prin două legături covalente şi două legături coordinative de atomii de azot ai nucleelor pirolice. Clorofilele α şi b, au fost separate de savantul Ţvet (1906) de pigmenţii galbeni carotenoidici (carotina şi xantofila) care îi însoţesc, prin metode cromatografice. Conţinutul în clorofile al frunzelor verzi este de 0,1-0,3%; în majoritatea plantelor, cele două clorofile se găsesc în raportul 3/1 în cloroplastele celulelor. Proporţia celor două clorofile variază de la o specie la alta şi de la un anotimp la altul. În plantele superioare se găsesc clorofila α şi clorofila b, iar în alge şi bacterii sunt răspîndite şi clorofilele c şi d.

Clorofila α este cel mai important pigment de pe planetă, deoarece este implicată în transformarea energiei luminoase în energie chimică.

Clorofila α are o structură porfirinică, pe care sunt grefaţi:

• patru radicali metil în poziţiile: C₁, C₂, C₅, C₈;

• o grupă vinil la C₂;

• un radical etil la C₄;

• un rest de acid propionic la C₆ legat într-un ciclu pentagonal exterior, de atomul de carbon de la gruparea metinică a nucleului pirolic, a cărei grupă carboxil este esterificată cu metanol;

• un rest de acid propionic la C₇, esterificat cu fitol (un alcool nesaturat cu catena ramificată cu 20 de atomi de carbon).

Prezenţa fitolului în moleculă conferă clorofilei un caracter amorf, ceros, care îngreunează separarea clorofilelor în stare pură. Saturarea dublei legături C=C din inelul D ca şi formarea noului ciclu legat de inelul C, conduce la apariţia în molecula clorofilelor α trei atomi de carbon asimetrici, care conferă moleculei activitate optică, clorofilele fiind puternic levogire.

Clorofila b însoţeşte clorofila α, în raport de 3/1–5/1, diferind de la o specie la alta. Se diferenţiază structural de clorofila α, prin înlocuirea radicalului metil din poziţia C₃ a inelului pirolic B cu gruparea formil (-CH=O). Nu poate transforma energia luminoasă în energie chimică, ci doar o transferă clorofilei α. Clorofila c nu conţine radicalul fitil, iar clorofila d are un radical formil la C₂.

Bacterioclorofila din bacteriile verzi are în structură, la C₂, un radical acetil (-CO-CH3), iar în inelul pirolic B o singură legătură dublă.

Rolul de fotoreceptori le este conferit clorofilelor α şi b de structura polienică care absoarbe puternic în domeniul vizibil al spectrului.

Acizii organici slabi (acid oxalic) produc scindarea magneziului din molecula clorofilelor, pe care le transformă în feofitine a şi b. Sub acţiunea acizilor concentraţi, se elimină atît Mg cît şi radicalul fitil, rezultînd feoforbide a şi b. Această comportare explică de ce clorofila nu poate exista cu resturi acide libere, cele două grupe carboxil fiind esterificate cu metanol şi cu fitol.

b) Cromoproteide porfirinice cu rol respirator

Hemoglobinele (A, A2, A3, F) sunt cromoproteide cu structură feroporfirinică, de culoare roşie, prezente în sîngele tuturor vertebratelor. Componenţa proteică (96%), este o globină (asemănătoare histonei, cu caracter bazic), iar componenta neproteică (prostetică) este hemul (4%). În timp ce proteina globina diferă de la o hemoglobină la alta, imprimînd hemoglobinelor specificitatea, structura porfirinică a hemului este comună tuturor speciilor vertebratelor şi este întîlnită şi în: citocromi, peroxidaza, catalaza, fitocrom etc. Componenta proteică, globina este o proteină organ-specifică. Structura chimică a hemului este următoarea:

Hemul are o structură identică cu a protoporfirinei, în centrul căreia se află ionul Fe²⁺ legat hexacoordinativ. Dintre cele şase legături coordinative pe care le stabileşte fierul, patru sunt legate (în acelaşi plan) de cele patru nuclee pirolice ale protoporfirinei, una este legată de proteina globina, iar ultima poate fixa molecula de apă, molecula de oxigen sau pe cea de dioxid de carbon. Molecula de apă legată coordinativ de fier în complexul chelatic, poate fi substituită cu O₂, ceea ce explică rolul de transportor de oxigen, sau poate lega alte molecule, cu formare de compuşi nedisociabili. Hemoglobina se combină cu O₂ (la presiunea din alveolele pulmonare) formînd oxihemoglobina, compus disociabil la presiunea mai mică din capilarele tisulare. În aceleaşi condiţii, hemoglobina poate reacţiona reversibil cu CO₂, (produs de biodegradare metabolică) cu formarea carbhemoglobinei, care este transportată spre locul unde CO₂ poate fi înlocuit cu O₂. Funcţia transportoare de O₂ şi CO₂ esenţială în respiraţie, încetează cînd hemoglobina reacţionează ireversibil cu CO cu formarea carboxihemoglobinei, nedisociabilă, care blochează funcţia hemoglobinei, producînd asfixia (intoxicarea) organismului.

Afinitatea hemoglobinei pentru CO este de aproximativ 210 ori mai mare decît afinitatea pentru O₂, astfel încît în prezenţa CO în aerul respirat, hemoglobina nu mai leagă oxigenul ci monoxidul de carbon.

De remarcat faptul că, în toate aceste transformări, cationul Fe²⁺ din structura feroporfirinică nu-şi modifică starea de oxidare.

Leghemoglobina este o cromoproteidă de culoare roşie prezentă în nodozităţile rădăcinilor plantelor leguminoase, cu rol în activarea bacteriilor fixatoare de azot atmosferic. Componenta prostetică este reprezentată de o porfirină cu fier.

Citocromii, răspîndiţi în frunzele verzi ale plantelor, reprezintă o clasă de cromoproteide ferporfirinice, a căror componentă prostetică este asemănătoare hemului din hemoglobine. Se cunosc mai mulţi citocromi, dintre care cei mai importanţi sunt citocromii a, b, c, care intră în structura unor enzime (monooxigenaze) care conţin ca şi grupare prostetică hemul, legat coordinativ prin cationul Fe²⁺ de componenta proteică. Citocromii sunt implicaţi în fenomenele de oxido-reducere, prin transfer de electroni, datorită capacităţii cationului metalic de a trece reversibil de la forma Fe²⁺ la forma Fe³⁺. Citocromii joacă un rol deosebit în fenomenul respiraţiei tisulare.

Fitocromul este o cromoproteidă cu structură tetrapirolică liniară, cu rol de fotoreceptor în toate reacţiile din plantele superioare. Îndeplineşte şi un rol regulator al creşterii şi dezvoltării plantelor, (începînd cu germinarea şi terminînd cu înflorirea), intervine în sinteza pigmenţilor vegetali antocianii, în biosinteza unor enzime, biosinteza fitohormonilor gibereline, precum şi în procesele de reglare hormonală a metabolismului plantelor.

Cromoproteide neporfirinice

Flavinenzimele sunt cromoproteide care nu conţin în moleculă, drept componentă prostetică nucleul porfirinic, ci un compus din clasa flavinelor, care îndeplineşte în organism rol enzimatic.

Carotenoproteidele au componenta prostetică din clasa carotenoidelor. Din această clasă fac parte pigmenţii vizuali, cu rol important în procesul vederii.

Metaloproteide

Metalproteidele sunt heteroproteide care au drept grupare prostetică un metal (Fe, Mg, Mn, Cu, Zn, Co etc.) legat covalent-coordinativ sub formă de chelaţi, care conferă proteinelor proprietăţi speciale, enzimatice, hormonale etc. Metalproteidele reprezintă forme de depozitare şi de transport ale diferitelor metale în organismele vii. Dintre metalproteidele cu fier (ferproteide) de o deosebită importanţă este ferredoxina, prezentă în cloroplaste cu rol important în procesele de oxido-reducere şi feritina, răspîndită în ficat, în splină, care conţine 25% Fe trivalent legat de proteină şi care constituie rezerva de fier pentru hemoglobine şi hemenzime.

Dintre metalproteidele cu cupru, cele mai importante sunt hemocianinele care reprezintă pigmenţii respiratori din sîngele moluştelor şi artropodelor şi ceruloplastina implicată în transportul cuprului în sînge.

Există şi metalproteide cu zinc întîlnite într-o serie de enzime, de exemplu, anhidraza carbonică, carboxipeptidaza, precum şi metalproteide cu mangan, magneziu şi vanadiu.

Nucleoproteide

Nucleoproteidele sunt cele mai importante şi complexe heteroproteide, în care componentă prostetică sunt acizi nucleici, iar partea proteică este reprezentată de proteine cu caracter bazic din clasa histonelor şi protaminelor.

Nucleoproteidele au un rol esenţial în activitatea vitală a organismelor, deoarece sunt constituente ale tuturor celulelor (îndeosebi ale nucleelor celulelor animale şi vegetale), localizate cu precădere în zonele organismului care reprezintă sediul de multiplicare a celulelor, de sinteză a proteinelor. Nucleoproteidele intră şi în constituţia bacteriilor, iar virusurile filtrante sunt acizi nucleici aproape puri. Deşi sunt componente esenţiale ale nucleelor celulare, nucleoproteidele apar în cantităţi mici şi în sucuri sau în secreţii ale organismelor animale şi vegetale. Nucleoproteidele sunt substanţe solide, cu caracter slab acid, solubile în apă şi în prezenţa alcaliilor diluate sau a carbonaţilor alcalini, de unde precipită la acidulare cu acid acetic.

Nucleopriteidele au rol fiziologic important în procesele de diviziune celularî, în sinteza proteinelor şi în transmiterea caracterelor ereditare. Caracterele lor chimice şi fiziologice sunt imprimate mai ales de gruparea prostetică, de acizii nucleici.

În ţesuturile vegetale nucleoproteidele se găsesc deseori asociate cu lipide. Nucleoproteidele sunt prezente în citoplasmă şi în ribozomi, avînd rol în diviziunea celulară şi în sinteza proteidelor. Studiul acestor compuşi biochimici cu rol deosebit de important în organismele vii, impune elucidarea structurii şi a proprietăţilor celor două componente: componenta proteică şi componenta prostetică (acizii nucleici). Dintre holoproteide mai frecvente sunt: protaminele, histonele, albuminele şi globulinele.

Prin hidroliză totală, din componenta proteică vor rezulta aminoacizi, iar din componenţa prostetică acizi nucleici (polinucleotide macromoleculare) vor rezulta, într-o primă etapă mononucleotide, apoi acid fosferic şi nucleozide care se scindează în acid fosforic, componente glucidice (pentoze) şi baze azotate (purinice şi pirimidinice).

Acizii nucleici (polinucleotide macromoleculare)

Compoziţia şi structura acizilor nucleici. Acizii nucleici se caracterizează printr-un conţinut de aproximativ 15% azot şi prin procentul ridicat de acid fosforic (10%). Structura acizilor nucleici este complexă, macromoleculară, a cărei unitate structurală de bază este o mononucleotidă. Acizii nucleici sunt deci polimeri ai mononucleotidelor (polinucleotide).

Mononucleotidele se pot scinda la hidroliză, cu eliberare de acid fosforic şi nucleozide, care sunt constituite dintr-o pentoză şi o bază azotată.

Componentele acizilor nucleici

1. Componentele glucidice ale acizilor nucleici sunt pentozele deoxiriboza şi riboza:

După natura chimică a componenţei glucidice nucleoproteidele se clasifică în:

• deoxiribonucleoproteide (localizate în nucleul celulelor, cromozomi, mitocondrii);

• ribonucleoproteide (răspîndite în citoplasma celulară, ribozomi, nucleul celular).

b) Componentele, baze azotate din structura acizilor nucleici sunt compuşi heterociclici derivaţi de la purină şi pirimidină, pe al căror nucleu sunt grefate grupe funcţionale: -NH₂ şi -OH. În clasa derivaţilor hidroxilici şi aminici ai pirimidinei este posibilă tautomeria lactam-lactimică:

În condiţiile de pH fiziologic, este favorizată în cazul hidroxipirimidinelor forma lactamică (O=C-NH-), iar în cazul aminopirimidinelor forma lactimică (N=C-OH).

Grupele –NH₂, respectiv –NH-, imprimă caracter bazic; grupele –OH imprimă caracter acid, ceea ce explică posibilitatea de a forma săruri prin înlocuirea atomului de hidrogen cu atomi de metale.

Bazele azotate pirimidinice întîlnite frecvent în structura acizlior nucleici sunt: citozina, uracilul şi timina. Ele pot fi reprezentate prin următoarele forme

izomare:

Caracteristic celor trei baze azotate pirimidinice este faptul că la structura acizilor dezoxiribonucleici (ADN) participă citozina (C) şi timina (T), iar în structura acizilor ribonucleici (ARN) participă citozina şi uracilul (U), respectiv, în ARN uracilul înlocuieşte timina. Pe lîngă bazele pirimidinice constituente universale ale ARN şi ADN, s-au identificat şi alte baze pirimidinice ocazionale: 5-metil-citozina în germenii de grîu şi în anumite bacterii, 5-hidroximetil-citozina şi 5-hidroximetil-uracilul în acizii nucleici ai unor bacteriofagi.

Bazele purinice care participă la structura acizilor nucleici sunt adenina (6-aminopurina) şi guanina (2-amino-6-hidroxipurina). Şi în cazul bazelor azotate purinice, tautomerii întîlniţi în acizii nucleici sunt cei оî care atomul de oxigen se află sub formă cetonică, iar cel de azot sub formă amidică. În ADN-ul unor bacteriofagi a fost identificată şi 6-metil-aminopurină.

Deoarece forma lactamică este predominantă la formarea de nucleotide, bazele azotate stabilesc legături covalente de tip N-glicozidic cu hidroxilul semiacetalic de la C₁ al deoxiribozei sau ribozei. Acidul fosforic (H₃PO₄) esterifică componenta glucidică imprimînd caracter acid mononucleotidelor şi acizilor nucleici. El contribuie la formarea macromoleculelor polinucleotidice ale acizilor fosforici prin legăturile fosfodiesterice pe care le formează, în urma reacţiei cu grupele –OH ale componentei glucidice de la două mononucleotide vecine. Esterificarea poate avea loc în poziţia 5’, 3’ sau 2’ din molecula ribozei sau în poziţia 5’ şi 3’ din molecula deoxiribozei.

A. Nucleozide

Nucleozidele sunt componente structurale ale mononucleotidelor, constituite din componenta glucidică şi o bază azotată. Din punct de vedere structural, nucleozidele sunt N-glicozide, rezultate în urma reacţiei de condensare dintre atomul de hidrogen legat de atomul de azot al bazei azotate (N₃ de la bazele pirimidinice şi N₉ de la bazele purinice) şi hidroxilul –OH glicozidic de la C1, aflat în poziţia β a glucidei.

Nucleozidele sunt compuşi intermediari rezultaţi la hidroliza acizilor nucleici şi se pot clasifica în nucleozide pirimidinice şi nucleozide purinice. Ţinînd seama şi de componenta glucidică, se deosebesc: pirimidindeoxiribozide, pirimidinribozide, purindeoxiribozide şi purinribozide. Pentru formarea numelui nucleozidelor se utilizează terminaţia “idină” pentru nucleozide care conţin ca bază azotată o bază pirimidinică: citozina → citidina; timina → timidina; uracilul → uridina. Pentru nucleozidele care conţin o bază azotată purinică se utilizează terminaţia “ozină”: adenina → adenozina; guanina → guanozina. Deoxiribozidele ataşează la denumire prefixul “deoxi” sau “d”: deoxicitidina, deoxiuridina, deoxitimidina, deoxiadenozina, deoxiguanozina.

Nucleozidele se găsesc în natură şi în afara acizilor nucleici: guanozina în plantele tinere, adenozina în compoziţia unor coenzime (Co-dehidrogenaza, Co-fosforilaza, Co-fosforilaza, Coenzima A), iar uridina este componentă a coenzimei uridindifosfatglucoza (UDPG).

B. Nucleotide

Nucleotidele sunt unităţile monomere, structurale ale acizilor nucleici (polinucleotide macromoleculare). Părţile componente ale mononucleotidelor sunt unite prin două tipuri de legături:

• N-glicozidică - între pentoză şi atomul de azot din poziţia 3 sau 9 de la bazele azotate.

• Tip ester, rezultate prin condensarea uneia dintre grupele –OH cu caracter acid de la acidul fosforic cu una dintre grupele –OH de la C₃’ sau C₅’ ale deoxiribozei, respectiv, C₂’, C₃’ sau C₅’ ale ribozei. În structura organismelor vii sunt predominante nucleotidele care posedă radicalul fosforic în poziţia C₅’.

Din punct de vedere chimic, mononucleotidele sunt esteri mono-, di-, trifosforici ai nucleozidelor. În funcţie de componenta glucidică şi de baza azotată, se deosebesc ribonucleotide şi dezoxiribonucleotide (pirimidinice şi purinice).

Denumirea nucleotidelor se formează utilizînd sufixul “ilic” ataşat numelui derivat de la baza azotată şi prefixul “acid” (care semnifică prezenţa restului de acid fosforic оn moleculă).

Un alt mod de denumire este cel care ataşează prefixului “acid” la numele nucleozidului şi indică numărul şi poziţia grupei (grupelor) fosforice legate de componenta glucidică (acid adenozin-5’-trifosforic, acid citidin-3’-monofosforic etc.).

Similar cu acizii citidilici, se denumesc acizii uridilici, acizii timidilici ca şi acizii adenilici şi guanilici, atît ca acizi monofosforici, cît şi ca produşi

macroergici.

În afară de monofosfonucleozide sunt importante pentru metabolism şi difosfonucleozidele, rezultate din monofosfonucleozide prin condensarea unei grupe -OH libere a restului fosforic din ester cu o grupa -OH din altă moleculă de acid fosforic şi respectiv trifosfonucleozidele, rezultate din fosfodinucleozide prin mecanism analog, cu a treia moleculă de acid fosforic.

Trebuie remarcat faptul că, a doua şi a treia legătură esterică sunt, spre deosebire de prima legătură (realizată între –OH glucidic şi prima moleculă de acid fosforic), legături chimice de tip anhidric, cu un conţinut mai ridicat de energie decît prima legătură esterică. Ele au fost denumite legături macroergice şi sunt simbolizate prin semnul “~” (Lipmann), spre a le deosebi de legăturile covalente obişnuite. La scindarea unei legături macroergice P~O~P se eliberează aproximativ 7000 cal/mol, comparativ cu aprox. 2000-3000 cal/mol în cazul legăturilor covalente obişnuite de tip baza azotată-O-P. De aceea, difosfonucleotidele şi trifosfonucleotidele prin formarea şi scindarea lor, joacă rolul unor acumulatori de energie chimică în organism, şi fac parte din clasa aşa-numitelor “substanţe (molecule) macroergice”.

Importanţa biochimică a nucleotidelor

Acidul citidilic a fost obţinut prin hidroliza acizilor nucleici din drojdii şi din germenii de grîu. Acidul uridilic este componentă a multor coenzime şi a fost separat prin hidroliza acizilor nucleici din drojdii şi germeni de porumb. Acidul adenilic (AMP) se găseşte în drojdia de bere, iar acidul guanilic intră în structura ARN din organismele vegetale şi animale.

Hidroliza nucleotidelor în prezenţa enzimei 5’-nucleotidaza conduce la eliberarea acidului fosforic şi a unei cantităţi de energie corespunzătoare fiecărei legături macroergice, cu păstrarea legăturii N-glicozidice dintre baza azotată şi componenta glucidică.

Unele difosfonucleotide acţionează drept coenzime, activînd unele glucide participante la biosinteza diglucidelor şi poliglucidelor. De exemplu:

• Adenozinmonofosfatul (AMP) este componentă a coenzimei NAD (nicotinamidadenindinucleotida) împreună cu nicotinamidnucleotida.

• Nucleotida UTP (uridintrifosfatul) activează glucoza în vederea biosintezei diglucidelor maltoza şi zaharoza.

• Acidul cidintrifosforic (CTP) activează bazele azotate participante la biosinteza lipidelor complexe.

• ATP (acidul adenozintrifosforic) este unul dintre cei mai importanţi compuşi macroergici, care eliberează la hidroliză o mare cantitate de energie, necesară bunei desfăşurări a proceselor metabolice. Refacerea ATP este un proces endergonic, care se realizează cu aport de energie. Energetica sistemului ATP → ADP + Pi implică două aspecte fundamentale:

a) conservarea energiei chimice rezultate din metabolism prin formarea ATP din ADP şi fosfat anorganic (Pi):

ADP + Pi → ATP

b) eliberarea şi utilizarea energiei chimice stocate în ATP pentru nevoile biologice ale organismului (procese chimice, electrice, osmotice, mecanice).

ATP → ADP + Pi

Sistemul ATP ↔ ADP + Pi poate fi considerat purtătorul material al mesajului energetic specific organismelor vii. Acidul adenozintrifosforic (ATP) reprezintă forma de captare şi utilizare treptată, controlată a energiei solare, acumulată sub forma legăturilor macroergice.

C. Acizii nucleici

Acizii nucleici sunt biomolecule cu caracter informaţional, avînd rolul de a stoca şi transmite informaţia genetică. Acizii nucleici sunt componente importante ale tuturor celulelor, reprezentînd aproximativ 15% din conţinutul în substanţă uscată a acestora.

Din punct de vedere chimic, acizii nucleici sunt polinucleotide macromoleculare, respectiv, acizii ADN (DNA) sunt polideoxiribonucleotide, iar acizii ARN (RNA) sunt poliribonucleotide. Structura acizilor nucleici se aseamănă mult cu structura proteinelor datorită naturii macromoleculare. Spre deosebire de proteine, unde unitatea structurală o reprezintă aminoacizii uniţi prin legături peptidice, la acizii nucleici unitatea structurală este reprezentată de cele cinci tipuri de mononucleotide: acizii citidilic, uridilic, timidilic, adenilic, guanilic, unite prin legături fosfodiesterice, stabilite între o grupă -OH din poziţia C₃ a deoxiribozei (în ADN sau ribozei în ARN) dintr-o mononucleotidă şi grupa -OH din poziţia C5’ a ribozei sau deoxiribozei dintr-o mononucleotidă învecinată.

Secvenţa mononucleotidelor în lanţul polipeptidic este de o deosebită însemnătate, fiind suficiente (ca şi în cazul proteinelor), diferenţieri extrem de mici pentru a individualiza un anumit acid nucleic, cu caracteristici biologice diferenţiate. Deşi numărul bazelor azotate care participă la structura acizilor nucleici este de numai patru (A, C, T, G pentru ADN şi A, C, G, U pentru ARN), variaţia secvenţei celor patru mononucleotide (două pirimidinice şi două purinice) în macromolecula acizilor nucleici oferă suficiente posibilităţi de diferenţiere structurală pentru a asigura existenţa numeroşilor acizi nucleici prezenţi în natură, specifici fiecărei specii biologice.

De exemplu, o catenă formată din 2500 de mononucleotide poate prezenta teoretic 101500 de izomeri care diferă prin secvenţa mononucleotidelor în macromolecula acidului nucleic respectiv.

Acizii nucleici prezintă în moleculă:

• o parte constantă, nespecifică (comună tuturor mononucleotidelor şi catenei polinucleotidice), reprezentată prin componenta glucidică şi legătura fosfodiesterică;

• o parte variabilă, specifică, reprezentată prin bazele azotate (pirimidinice şi purinice) componente ale unităţilor structurale mononucleotidice.

În Tabelul 4.1 sunt redate principalele deosebiri structurale şi funcţionale dintre acizii ADN şi ARN.

Elemente structurale ale acizilor nucleici ADN şi ARN Tabelul 4.1.

Structura chimică a acizilor nucleici ADN

Acizii deoxiribonucleici sunt polinucleotide macromoleculare, constituente ale nucleului celular, reprezentвnd materialul genetic al cromozomilor. ADN extracelular a fost identificat în cantităţi mici în cloroplaste şi în mitocondrii. Nucleele celulelor animale conţin în jur de 2 mg ADN/gram de ţesut proaspăt, ceea ce revine la 4-8 ⋅ 10−12 g ADN/nucleu. Aceste valori sunt constante pentru fiecare tip de celulă şi sunt practic independente de starea fiziologică a animalului. Celulele bacteriene şi virusurile conţin cantităţi mult mai mici de ADN, de ordinul a 4 ⋅ 10−15 g, respectiv 2 ⋅ 10−18 g.

Conţinutul în ADN al nucleelor celulelor este cu atît mai ridicat cu cît specia este mai evoluată filogenetic.

• Structura primară a acizilor nucleici ADN

Molecula acizilor deoxiribonucleici este un polimer liniar alcătuit din sute de mii, uneori milioane de mononucleotide, a căror secvenţă este caracteristică fiecărei specii, legate esteric prin intermediul acidului fosforic care esterifică grupările hidroxil din poziţiile C₃’ şi C₅’.

Structura primară a acizilor ADN se referă la natura, proporţia şi secvenţa bazelor azotate constituente ale macromoleculei de ADN, respectiv succesiunea celor patru mononucleotide principale unite prin legături fosfodiesterice:

dCMP ......................... dTMP ......................... dAMP .......................... dGMP

deoxicitidinmonofosfat deoxitimidinmonofosfat deoxiadenozinmonofosfat deoxiguanozinmonofosfat

Cele patru mononucleotide constituente se găsesc în cantităţi şi proporţii care diferă în funcţie de specia de la care provin şi care nu se modifică de-a lungul vieţii unui individ. Dispunerea bazelor azotate în mononucleotide, într-o anumită secvenţă şi proporţie proprie fiecărui tip de acid ADN (evidenţiată de Chargaff), determină manifestarea anumitor particularităţi structurale şi funcţionale ale organismului (informaţia genetică). Datorită masei moleculare mari, macromoleculele de ADN conţin o cantitate uriaşă de informaţie genetică, în timp ce secvenţa diferită a mononucleotidelor constituente (respectiv a bazelor azotate) conduce la o impresionantă diversitate structurală a acizilor nucleici, ceea ce explică marea variabilitate genetică existentă în natură.

Aranjarea bazelor azotate într-o anumită secvenţă proprie fiecărui tip de acid ADN determină particularităţi structurale şi funcţionale. Astfel, un acid ADN care prezintă în structură secvenţe de mononucleotide bogate în guanină şi citozină, are o stabilitate mai mare comparativ cu un ADN în care predomină secvenţe de mononucleotide care conţin bazele azotate adenină şi timină. Această comportare se datorează numărului diferit de legături de hidrogen care se stabilesc între perechile de baze azotate complementare, în structura secundară a acizilor nucleici, respectiv cîte trei legături de hidrogen între guanină şi citozină şi cîte două între adenină şi timină.

Succesiunea mononucleotidelor, cu bazele azotate corespunzătoare, în lanţul polinucleotidic al ADN este determinată ereditar, conferă acizilor nucleici ADN caracter de biomacromoleculă informaţională şi asigură exprimarea, păstrarea şi transmiterea caracterelor ereditare la urmaşi.

În figura 4.1 este redată structura primară a acizilor nucleici ADN:

• Structura secundară a acizilor nucleici ADN

Structura secundară (nivelul secundar de organizare) a acizilor ADN se referă la dispunerea spaţială, tridimensională a macromoleculelor de ADN. Watson şi Crick (1953) au elaborat aşa-numitul model al dublei spirale, sau structură plectonemică (plectos = împletit, nema = fir), rezultată prin răsucirea unei perechi de catene polipeptidice (cu o anumită structură primară) sub forma unei spirale duble, în jurul unui ax comun imaginar, de la stînga la dreapta. Această structură are forma unei scări în spirală, la care cele două părţi laterale sunt reprezentate de legăturile fosfodiesterice, iar treptele scării de legăturile de hidrogen care se stabilesc întotdeauna între aceleaşi perechi de baze azotate complementare: adenina- timina (legate prin două legături de hidrogen) şi guanina-citozina (legate prin trei legături de hidrogen).

Această regulă a complementarităţii, formulată de Watson şi Crick, condiţionează ca secvenţa bazelor azotate dintr-o catenă polinucleotidică să determine secvenţa bazelor azotate din cealaltă catenă polinucleotidică.

Din punct de vedere structural, o bază azotată dintr-o catenă polinucleotidică trebuie să fie purinică, iar cealaltă bază, din catena polinucleotidică paralelă, pirimidinică. Datorită perechilor de baze azotate complementare, fiecare dintre catene este replica complementară a celeilalte, ceea ce asigură transmiterea informaţiei genetice nealterate de-a lungul generaţiilor.

Complementaritatea bazelor azotate face ca raportul dintre bazele purinice şi pirimidinice să fie egal A = T; G = C, respectiv, suma bazelor azotate purinice şi suma bazelor azotate pirimidinice să fie egală: A + G = C + T, respectiv A + G/C + T = 1. Acest raport, denumit raport de disimetrie este variabil în general, dar constant în cadrul aceleiaşi specii, indiferent de organ şi este utilizat pentru a caracteriza ADN. Cele două catene polinucleotidice au o dispoziţie antiparalelă, legăturile fosfodiesterice avînd într-o catenă sensul C₃’-O-P-O-C₅’, iar în cealaltă C₅’-O-P-O-C₃’ (Fig. 4.2).

Orientarea bazelor azotate spre interiorul structurii dublei spirale, conferă structurii tridimensionale a acizilor ADN stabilitate fizico-chimică, care are drept consecinţă stabilitatea remarcabilă a informaţiei genetice, respectiv stabilitatea diferitelor specii şi organisme vegetale şi animale.

Stabilitatea structurii spaţiale a acizilor ADN este asigurată şi prin posibilitatea formării de legături ionice între polianionul macromolecular (format prin disocierea grupelor OH din radicalul fosforic) şi proteinele bazice (histone), sau alţi cationi, cum ar fi Mg²⁺, ca şi prin formarea de legături intermoleculare (van der Waals, hidrofobe etc.).

În cazul denaturărilor reversibile (produse de temperatură, scăderea pH-ului) structura secundară este dezorganizată, ca urmare a desfacerii legăturilor de hidrogen dintre bazele azotate. Revenirea la condiţiile iniţiale conduce la refacerea legăturilor de hidrogen şi deci la reоmperecherea lanţurilor polipeptidice.

În cazul denaturărilor ireversibile (sub influenţa unui agent fizic sau chimic) se produce modificarea secvenţei mononucleotidelor sau chiar a raportului A + T/G + C, ceea ce determină apariţia unor caractere noi pentru specie sau individ (mutaţii genetice).

• Structura terţiară a acizilor nucleici ADN

Structura terţiară a acizilor ADN reprezintă modul de aranjare a macromoleculelor în cromozomi. Este o structură pliată şi răsucită în mod specific, în care legăturile de hidrogen au de asemenea un rol important, astfel Încît, într-un cromozom să poată fi cuprinsă o cantitate cît mai mare de acid nucleic ADN.

Acizii ribonucleici ARN

Acizii nucleici ARN (acizii ribonucleici) sunt poliribonucleotide macromoleculare, localizate în protoplasmă.

Structura primară a acizilor ARN este asemănătoare structurii primare a acizilor ADN fiind constituită dintr-un singur lanţ polinucleotidic. Deosebirea esenţială dintre ARN şi ADN, este structura primară a acestora, în care deoxiriboza (din ADN) este înlocuită cu riboza (în ARN), iar timina este substituită de uracil. Spre deosebire de ADN, în ARN legăturile fosfodiesterice sunt posibile şi la C₂’, ca urmare a existenţei unei grupe -OH şi în această poziţie. Ca şi în cazul acizilor nucleici ADN, succesiunea diferită a mononucleotidelor constituente şi proporţia molară a bazelor azotate, conferă marea varietate de compoziţii chimice ale acizilor ARN.

AMP …….....……. GMP …….....……. CMP …….....……. UMP

adenozinmonofosfat guanozinmonofosfat citidinmonofosfat uridinmonofosfat

Structura primară a acizilor ARN este asemănătoare structurii primare a acizilor ADN fiind constituită dintr-un singur lanţ polinucleotidic. Deosebirea esenţială dintre ARN şi ADN, este structura primară a acestora, în care deoxiriboza (din ADN) este înlocuită cu riboza (în ARN), iar timina este substituită de uracil. Spre deosebire de ADN, în ARN legăturile fosfodiesterice sunt posibile şi la C₂’, ca urmare a existenţei unei grupe -OH şi în această poziţie. Ca şi în cazul acizilor nucleici ADN, succesiunea diferită a mononucleotidelor constituente şi proporţia molară a bazelor azotate, conferă marea varietate de compoziţii chimice ale acizilor ARN. În figura 4.3 este redată structura primară a acizilor nucleici ARN.

AMP …….....……. GMP …….....……. CMP …….....……. UMP

adenozinmonofosfat guanozinmonofosfat citidinmonofosfat uridinmonofosfat

Structura secundară a acizilor ARN este reprezentată de un lanţ polinucleotidic care, pe anumite porţiuni, prezintă structură dublu spiralată, ca rezultat al plierii lanţului monocatenar şi formării legăturilor de hidrogen între bazele azotate complementare (citozină-guanină şi adenină-uracil). Stabilitatea crescută conferită macromoleculeleor de ARN datorită formării porţiunilor dublu spiralate, este determinată de pH-ul soluţiei, de forţa ionică şi de temperatură.

Deoarece în structura ARN, catena macromoleculară pereche lipseşte, raporturile bazelor azotate complementare (A/U şi C/G) nu vor mai fi egale cu unitatea ca în cazul ADN. Acizii nucleici ARN se clasifică după valorile maselor moleculare, structura chimică, funcţia biologică şi rolul lor în biosinteza proteinelor în trei clase:

• acizi ribonucleici mesageri, matriciali sau informaţionali (mARN, iARN);

• acizi ribonucleici de transport sau solubili (tARN, sARN);

• acizi ribonucleici ribozomali (rARN).

a) Acizii ribonucleici mesageri, matriciali sau informaţionali

Acizii mARN reprezintă o fracţiune mică (3-5%) din cantitatea totală de acizi ARN din celule. Au mase moleculare de ordinul a 20 000-300 000.

Secvenţa bazelor azotate din structura polipeptidică monocatenară, liniară, a acizilor mARN este complementară cu cea a bazelor azotate din acizii ADN care au servit drept matriţă la formarea acizilor mARN. Pe baza respectării regulii complementarităţii se realizează transcrierea (transcripţia) mesajului genetic de pe ADN pe mARN. Acesta, la rîndul său, ca purtător al mesajului genetic (al informaţiei) din nucleu la suprafaţa ribozomilor (în citoplasmă), unde are loc biosinteza proteinelor, serveşte ca matriţă în procesul de biosinteză a proteinelor, determinînd secvenţa aminoacizilor în lanţul polipeptidic.

Într-un cromozom sunt mii de gene diferite. O moleculă de mARN este codificată pentru o singură genă (sau în procariote, pentru un mic grup de gene). De aceea, se formează în celule un mare număr de molecule de mARN diferite, puţin stabile, cu viaţa de la cîteva minute (2 minute în bacterii) pînă la 20 de minute sau ore, în eucariote.

Destrucţia mARN reprezintă cauza principală a încetinirii sintezei proteinelor. Odată îndeplinit rolul esenţial, de participant activ la biosinteza macromoleculelor proteice, mARN dispare printr-o reacţie de hidroliză, urmînd a fi resintetizat.

b) Acizii nucleici de transport sau solubili (tARN)

Cele mai mici molecule de ARN (cu cele mai mici grade de polimerizare) sunt reprezentate de acizii nucleici de transport sau solubili (tARN). Sunt localizaţi în citoplasmă, reprezentînd 10-15% din cantitatea totală de acizi ARN şi au dimensiuni mici (73-93 de nucleotide) şi masa moleculară de ordinul 25 000-30 000.

Rolul de bază al tARN este transportul specific al aminoacizilor la ribozomi şi identificarea codonului complementar de pe ARN, prin intermediul anticodonului, proces în urma căruia este poziţionat aminoacidul în catena polipeptidică. Fiecare acid tARN poate forma cu aminoacizii complexe aminoacid-tARN. Deoarece numărul speciilor de tARN (cca. 60) este mai mare decît numărul aminoacizilor proteinogeni (20), rezultă mai multe specii de acizi tARN (cîte 2-3) pentru fiecare aminoacid. Astfel moleculele de tARN, avînd posibilitatea de a se combina specific cu diferiţi aminoacizi, sunt implicaţi în traducerea (translaţia) şi îndeplinirea mesajului genetic, respectiv alegerea şi includerea aminoacizilor în catena polipeptidică, în ordinea dictată de mARN.

Acizii tARN au o structură monocatenară, parţial dublu elicoidală. Caracteristic este faptul că, deşi speciile de tARN diferă prin secvenţa bazelor azotate, toate conţin la capătul C₅’ terminal al catenei polinucleotidice restul nucleotidic GMP (guanozin monofosfat), iar la capătul C₃’ (la grpa -OH) al catenei polipeptidice, o aceeaşi secvenţă de trinucleotide: CCA (acid citidilic, acid citidilic, acid adenilic), după cum este ilustrat în figura 4.4. La această trinucleotidă terminală, se leagă fiecare aminoacid, care urmează să fie transferat la nivelul ribozomilor, prin reacţia de esterificare a grupei carboxil (-COOH) a aminoacidului cu grupa hidroxil liberă (-OH) de la C₃’ al acidului adenilic terminal din secvenţa CCA. Se formează astfel complexul aminoacil-tARN, care este transferat enzimatic la capătul catenei polipeptidice în curs de formare, de la suprafaţa ribozomilor.

Fig. 4.4. Structura spaţială tip „frunză de trifoi” a tARN

Locul de introducere a fiecărui aminoacid în catena macromoleculară, este dictat de anticodonul tARN (format din trei nucleotide) care recunoaşte un anumit codon mARN fixat pe ribozomi (format din trei nucleotide cu baze azotate complementare celor din anticodon). Diferitele tipuri de tARN se diferenţiază prin anticodon. Structura spaţială a tARN, care corespunde proprietăţilor şi funcţiilor sale, este cea “lobată”, tip “frunză de trifoi” (vezi figura 4.4).

Acidul nucleic ARN are o structură parţial bicatenară, formată prin plierea în formă de ac de păr a unei catene macromoleculare şi formarea legăturilor de hidrogen între bazele azotate. Capătul C₃’ terminal este monocatenar şi este situsul de legare a aminoacidului. Primul lob participă la legarea de enzimă a aminoacidului activat sub forma complexului AMP-aminoacid. Acest lob conţine 7 nucleotide nepereche şi constituie situsul de recunoaştere ribozomal, care asigură legarea tARN încărcat cu aminoacizi de ribozomi. Semnificaţia lobului II, cu dimensiuni variabile, nu este încă elucidată.

Lobul III, reprezintă lobul anticodonului, constituit tot din 7 nucleotide, ale căror baze azotate sunt neоmperecheate. Aici se găseşte anticodonul între o purină la capătul C₃’ şi uracil la capătul C₅’.

Lobul IV are rol în legarea complexului aminoacil-tARN la suprafaţa ribozomului. Un rol esenţial în structura tARN prezintă anticodonul, o tripletă de baze complementare unui codon de pe mARN.

Astfel, dacă codonul de pe mARN este UUU (corespunzător fenilalaninei), anticodonul corespunzător acestuia pe molecula tARN va fi AAA. Important este că, molecula de tARN va accepta doar fenilalanina.

Deoarece sunt cunoscuţi doar 61 de codoni, fiecare reprezentînd cîte un aminoacid, pentru a-i translata, este de aşteptat să existe 61 de molecule de tARN diferite, fiecare cu anticodonul sau, complementar cîte unui codon, corespunzător unui aminoacid. De fapt sunt mai puţin de 61 de specii de tARN, cel puţin cîte una pentru fiecare din cei 20 de aminoacizi, deşi unele molecule de tARN pot recunoaşte mai mulţi codoni.

Locul de introducere în catena polipeptidică este dictat de anticodonul t-ARN care recunoaşte un anumit codon de pe mARN fixat pe ribozomi.

c) Acizii nucleici ribozomali (rARN)

Majoritatea acizilor ARN (pînă la 80%) este reprezentată de acidul ARN ribozomal (rARN), prezent în ribozomii citoplasmei celulare. Acidul nucleic rARN nu se găseşte în stare liberă, ci combinat cu proteine sub forma unor complexe ribonucleoproteice, constituind componente ale ribozomilor, la suprafaţa cărora are loc biosinteza proteinelor. Ribozomii sunt particule mici, prezente în număr mare în celule, implicaţi în biosinteza proteinelor. Numele lor provine de la conţinutul în acid ribonucleic ARN (60% din conţinutul оn solide). Ribozomii se leagă reversibil atît de mARN cît şi de tARN.

Acizii nucleici rARN au masă moleculară mare (600 000-1 200 000), datorită gradului de polimerizare ridicat şi o structură monocatenară, parţial dublu helicoidală (prin plierea catenei macromoleculare), caracterizată prin formarea de legături de hidrogen între bazele azotate complementare. Acizii rARN au aceiaşi compoziţie indiferent de celulele din care provin, vegetale sau animale.

II. Substanţe organice active ale organismelor

II.1 vitamine

Vitaminele, alături de enzime şi hormoni, formează o familie de substanţe organice cu structură chimică foarte diferită, fără valoare plastică sau energetică, dar care joacă un rol catalitic important în organism, în cantităţi extrem de mici intervenind în stimularea şi reglarea proceselor metabolice ale organismului. Marea majoritate a vitaminelor sunt sintetizate numai de organismul vegetal. Organismul animal şi uman ia aceste substanţe indispensabile odată cu alimentele vegetale, fie sub formaă de vitamine propriu-zise, fie sub formă de provitamine, pe care le converteşte apoi în forma activă de vitamine propiuzise. Aproape fiecare vitamină este o componentă structurală activă a unei enzime sau a unui grup de enzime, îndeplinind rolul de coenzime, sau deactivatori enzimatici şi justificînd astfel încadrarea lor în clasa biocatalizatorilor.

Unele vitamine sunt constituente ale unor importante sisteme de oxido-reducere, implicate în procesele metabolice ale glucidelor, lipidelor şi protidelor, reglează potenţialul redox celular, contribuie la transportul hidrogenului pe cale neenzimatică (vitaminele C, E, K etc.).

Prima vitamină a fost descoperită de Funk (1911), care a izolat din tărîţele de orez o substanţă capabilă să vindece boala beri-beri (vitamina B1), pe care a numit-o vitamină (amină vitală).

Vitaminele sunt răspîndite în forme direct asimilabile în: frunze, fructe, seminţe (mai ales în stare de germinare), polen, drojdie de bere, ouă, carne, lapte; alte vitamine se găsesc în compuşi chimici cu structură premergătoare vitaminelor (provitamine) care acţionează ca vitamine numai în urma unor transformări chimice. De exemplu, vitaminele A rezultă din provitaminele caroteni, vitamina D₂ din provitamina ergosterol.

Se cunosc şi compuşi naturali, care fără să fie vitamine, manifestă acţiune similară lor, şi poartă numele de substanţe vitagene, cum ar fi: diferiţi aminoacizi esenţiali, acizi graşi esenţiali, colina, betaina etc. Pe de altă parte sunt cunoscuţi şi analogi structurali ai vitaminelor, dar cu acţiune antagonică, care anihilează total sau parţial acţiunea vitaminelor, substanţe denumite antivitamine.

Vitaminele sunt substanţe organice care se găsesc în cantităţi mici în alimente şi sunt indispensabile pentru creşterea şi dezvoltarea normală a organismelor.

Lipsa (carenţa) sau insuficienţa vitaminelor în organism determină tulburări metabolice şi apariţia unor boli carenţiale cunoscute sub numele de hipovitaminoze sau avitaminoze.

Hipervitaminoza este mai rară şi se instalează doar în cazul unei dozări necorespunzătoare a vitaminelor (mai ales a celor liposolubile), în vitaminoterapie.

Sub aspect chimic, vitaminele sunt substanţe micromoleculare cu structură chimică foarte heterogenă. Ca element comun se poate semnala prezenţa unor grupări funcţionale esterificabile în molecula lor. În prezent, se poate sintetiza majoritatea vitaminelor cunoscute, care se utilizează în medicină ca factori profilactici şi curativi.

În condiţii normale de alimentaţie, de regulă, necesarul omului sănătos este pe deplin acoperit printr-o hrană variată. Unul şi acelaşi aliment, de obicei, este bogat numai într-o singură vitamină: de exemplu – morcovul – în caroten; citricele –în vitamina C şi P; carnea – în acid nicotinic; etc. Prin urmare, pentru păstrarea sănătaţii omului, o mare importanţă o are utilizarea unor produse variate, în special, de natură vegetală, dar şi animală. Sunt alimente care conţin aproape toate vitaminele necesare organismului în crestere (laptele, oul).

Însă, chiar din acest produs ideal– aptele–lipseste vitamina E şi se găseşte puţină vitamina D. Drojdiile conţin multe vitamine, însă utilizarea lor este posibilă numai după tratarea termică, deoarece drojdiile vii nu sunt descompuse de enzimele digestive. Deci, echilibrarea corectă a alimentaţiei asigură organismului uman un complex de vitamine.

NOMENCLATURĂ ŞI CLASIFICARE

Denumirea de vitamine (amine vitale) atribuită de Funk acestei grupe de substanţe se menţine şi în prezent, deşi unele vitamine nu conţin în molecula lor azot.

Nomenclatura vitaminelor se poate stabili după trei criterii:

• nomenclatura veche;

• rolul fiziologic;

• structura chimică.

Conform vechii nomenclaturi, vitaminele continuă să se denumească şi în prezent cu ajutorul literelor mari din alfabetul latin (A, B, C, D, E, F etc.). În cadrul aceleiaşi clase, vitaminele se denumesc cu ajutorul indicilor (A₁, A₂, B₁, B₂, B₆, D₂, D₃ etc.)

După rolul fiziologic îndeplinit în organism, vitaminele se denumesc: vitamina antixeroftalmică (vitamina A), vitamina antiscorbutică (vitamina C), vitamina antirahitică (vitamina D) etc.

După structura chimică se denumesc: tiamina (vitamina B₁), riboflavina (vitamina B₂), acid ascorbic (vitamina C), piridoxina (vitamina B₆) etc. Deoarece, datorită structurii lor heterogene, nu există un criteriu structural de clasificare a vitaminelor, se recurge la clasificarea vitaminelor pe baza solubilităţii lor:

• vitamine liposolubile, insolubile în apă, solubile în solvenţi organici, grăsimi;

• vitamine hidrosolubile, solubile în apă, insolubile în solvenţi organici.

II.1.1. Vitaminele liposolubile

Vitaminele liposolubile sunt în cea mai mare parte substanţe termostabile, rezistente faţă de acţiunea acizilor şi bazelor şi care pot fi depozitate în organism, şi utilizate ulterior, în cazul în care cantitatea lor în alimente este mai mare decît cea necesară. Din categoria vitaminelor liposolubile fac parte vitaminele: A, D, E, K.

Vitaminele a

Vitaminele A sunt din punct de vedere al structurii chimice alcooli primari nesaturaţi, care conţin în moleculă un nucleu β-iononic şi o catenă cu duble legături conjugate, pe care sunt grefaţi cinci radicali metil. Vitaminele A sunt cunoscute şi ca vitamine antixeroftalmice, antiinfecţiose, vitamine de creştere liposolubile, vitamine de apărare a epiteliilor, axeroftoli.

Vitaminele A sunt biosintetizate numai de către plante, sub formă de provitamine cu structură carotenoidică, în organismele animale fiind scindate hidrolitic, sub influenţa enzimei carotenază.

Surse de vitamine A sunt: ficatul, gălbenuşul de ou, laptele, untul, precum şi salata, spanacul, ceapa verde, vegetale de culoare galbenă-portocalie (morcovi, tomate). Carotenii sunt sintetizaţi de toate plantele, cu excepţia plantelor parazite şi saprofite. Cele mai importante provitamine A sunt: α-carotenul, β-carotenul, γ-carotenul şi criptoxantina. β-Carotenul este cel mai bine reprezentat în masa carotenoizilor separaţi din frunzele plantelor, unde însoţeşte clorofilele.

Vitamina A₁ (retinol, vitamina antixeroftalmică, antiinfecţioasă, vitamina creşterii) se formează în organism prin scindarea oxidativă a carotenilor care conţin cel puţin un ciclu β-iononic. Din β-caroten, principala provitamină A, se obţin două molecule de vitamină A₁, pe cînd din restul carotenilor (care conţin un singur inel β-iononic), se obţine numai cîte o moleculă de vitamină A₁.

Scăderea conţinutului de proteine din organism împiedică transformarea provitaminelor în vitamină. Se presupune că în faza primară produsul oxidării este o aldehidă a vitaminei A (retinalul), care este redusă la alcoolul corespunzător, denumit retinol sau vitamina A₁. Retinolul poate fi esterificat şi depozitat în ficat sub formă de ester retinol palmitat. Este probabil ca forma activă a vitaminei A să fie forma acidă, denumită acid retinoic. Funcţia specifică a vitaminei în procesul vederii este îndeplinită de forma aldehidică a vitaminei A₁, denumită retinal. Vitamina A₂ (care se găseşte frecvent în carnea peştilor de apă dulce) are în inelul β-iononic două duble legături şi se mai numeşte dehidroretinol.

Conversia carotenilor la retinol este sub 100%, aşa încît conţinutul în vitamina A al diferitelor alimente este exprimat sub formă de echivalenţi de retinol (1 RE = 1 mg retinol, 6 mg β-caroten şi 12 mg alte carotenoide).

Rolul biochimic al vitaminelor A este foarte complex:

• β-carotenul are un rol antioxidant pronunţat, reducînd riscul formelor de cancer, iniţiate de către radicalii liberi şi alţi oxidanţi puternici;

• retinolul şi acidul retinoic, convertiţi în organism în retinil fosfat sunt implicaţi în sinteza unor glicoproteine şi mucoplizaharide care au acţiune protectoare asupra ţesuturilor epiteliale, prevenind keratinizarea lor, proces care favorizează, prin predispoziţia la fisuri, instalarea infecţiilor microbiene;

• retinolul şi acidul retinoic stimulează eritropoieza (formarea globulelor roşii) prin participarea la biosinteza proteinelor transportoare de fier;

• forma aldehidică a vitaminelor A (cis-retinalul) este legată reversibil de proteinele vederii (opsina şi rodopsina). Lumina iniţiază în retină schimbări biochimice complexe, cu generarea unui impuls nervos datorat transformării cis-retinalului în trans-retinal şi disocierea de pe proteina vederii (rodopsina). Regenerarea pigmenţilor vizuali necesită izomerizarea retinolului în forma cis. Hemeralopia nocturnă (pierderea acuităţii vizuale pe timp de noapte) este un simpton al deficienţei în vitamina A, forma severă conducînd la keratinizarea corneei (xeroftalmie). Hipervitaminoza A (peste 50 000 RE/zi) conduce la acumularea ei în ficat, cu apariţia unor efecte toxice (mărirea volumului ficatului, splinei, dermatite etc.).

Vitaminele d

Vitaminele D (calciferoli, vitamine antirahitice), (vitamine antirahitice), dintre care cele mai importante sunt: vitaminele D₂ şi D₃ pot fi considerate datorită acţiunii biochimice, mai degrabă hormoni decît vitamine. În natură se găsesc atît libere cît şi sub formă de provitamine (steroli). În prezent se cunosc şase vitamine D:

- vitamina D_{2 –} calciferolul;

• vitamina D₃ –colecalciferolul;

• vitamina D₄ – 22-Dihidroergosterolul;

• vitamina D₅ – 7-Dehidrositosterolul;

• vitamina D₆ – 7-Dehidrostigmasterolul;

• vitamina D₇ – cetona 25 O₃.

Toate vitaminele D sunt înrudite prin structura chimică de sterol, pe care sunt grefate; o grupă hidroxil la C₃, un ciclu deschis (B) cu trei legături duble conjugate, un nucleu indanic şi o catenă laterală caracteristică fiecărei vitamine. Catenele laterale se deosebesc între ele prin numărul atomilor de carbon şi prin prezenţa sau absenţa unei duble legături. Transformarea sterolilor în vitamine D se face sub acţiunea energiei solare, a radiaţiilor ultraviolete, printr-un proces fotochimic cu consum de energie. Din ergosterol, sub influenţa radiaţiilor UV, se formează ca produs intermediar lumisterol, şi apoi tahisterol şi ergocalciferol (vitamina D2).

Colecalciferolul (vitamina D₃) este produs în piele prin iradierea cu raze UV a 7-dehidrocolesterolului, provenit din colesterolul preluat în organism prin alimentaţie.

Atîta timp, cît corpul este expus luminii solare nu se impune suplimentarea vitaminei D.

.Cea mai bună sursă de vitamine D o constituie peştii de apă sărată (sardine, heringi, somoni), ficatul, gălbenuşul de ou, laptele, untul, drojdia de bere. Vitaminele D se exprimă sub formă de mg de colecalciferol (1 mg colecalciferol sau de ergocalciferol = 40 UI).

Acţiunea biochimică: vitaminele D reglează absorbţia intestinală a calciului şi fosforului. Nivelele ridicate ale calciului şi fosforului seric cresc viteza de mineralizare a oaselor (favorizează depunerea de calciu în sistemul osos). Cînd în organism, nivelul calciului şi fosforului sunt scăzute se produce demineralizarea oaselor pentru a menţine nivelul seric normal de calciu şi fosfor. Simptomele în cazul deficienţei de vitamine D sunt rahitismul (la copii) şi osteomalacia (la adulţi). Hipervitaminoza (hipercalciurie) se manifestă prin formarea calculilor renali, hepatici. Vitaminele D sunt stabile în absenţa oxigenului şi a luminii (pot fi stabilizate cu antioxidanţi, de exemplu, cu tocoferoli.

Vitaminele e (tocoferoli)

Vitaminele E se mai numesc tocoferoli (tokos = naştere; fero = a purta), vitaminele antisterilităţii sau vitaminele de reproducere. Ele sunt sintetizate numai de plante şi se găsesc în cantitate mare în plantele verzi (salată, legume), germenii cerealelor, uleiuri vegetale, ţesuturi de organe animale (ficat, rinichi, muşchi), ouă, lapte. Din punct de vedere chimic, vitaminele E reprezintă un amestec de compuşi chimici înrudiţi care au la bază tocolul, format dintr-un nucleu benzopiranic (cromanic) pe care sunt grefate o grupă hidroxil la C₆, o catenă laterală derivată din fitol şi radicali metil în diferite poziţii (în funcţie de reprezentant: α, β, γ, δ, ε etc.).

Tocoferolii sunt substanţe uleioase, termostabile, optic active, oxidabile uşor în prezenţa oxigenului din aer. Prin transformarea reversibilă a hidroxilului de la C₆ în grupare cetonică, vitaminele E funcţionează în organism ca sisteme redox. Pe această proprietate se bazează rolul lor antioxidant, protectori ai altor substanţe uşor oxidabile (vitaminele: A, D, C, E, a biotinei, carotenilor, acizilor graşi etc.).

Datorită caracterului lipofilic, se acumulează în lipoproteine, în membranele celulare şi depozitele de grăsimi, unde reacţionează rapid cu O₂ şi radicalii liberi, protejîndu-le de reacţii de oxidare şi asigurînd o absorbţie mai bună a grăsimilor.

Vitaminele E joacă rol în respiraţia celulară (stabilizînd coenzima Q sau transferînd electroni pe aceasta) şi în sinteza hemoglobinei. Favorizează reacţiile de fosforilare şi formarea compuşilor macroergici. Fiind implicată în reducerea colesterolului seric, joacă rol benefic în controlul afecţiunilor cardiace (conform cercetărilor recente, o suplimentare a dietei cu 100 mg/zi de vitamina E, reduce riscul de infarct).

Participă la diferite sisteme enzimatice, stimulează ritmul de creştere şi protejează organismul de infecţii. Fiind o vitamină liposolubilă, ar putea avea un potenţial toxic, care însă nu a fost pus pînă acum în evidenţă (este cea mai puţin toxică dintre vitaminele liposolubile). Deficienţile în vitamina E se manifestă la mai multe nivele:

• sitemul reproductiv: la masculi se manifestă lipsa de mobilitate a spermatozoizilor şi degenerarea lor pînă la pierderea capacităţii de fertilizare; degenerarea epiteliului germinativ; pierderea instinctului sexual; la femele dezvoltarea foetusului este întîrziată, avînd loc degenerarea ţesuturilor placentale, şi foetale, etc.

• în sistemul muscular se pot înregistra distrofii musculare nutriţionale progresive; creşterea consumuilui de oxigen al muşchilor scheletali (in vitro); umflare şi hialinizare a muşchilor sceletali şi cardiaci, care devin necrotici, etc.

• modoficări metabolice: creşterea consumului de oxigen; creatinurie; scăderea activităţii colinesterazei şi creşterea activităţii xantin-oxidazei din ficat; creşterea ciclului de refacere a fosforului; scăderea vitezei de eliberae a aminoacizilor;

• sistem excretor: degenerarea parenchimatoasă a rinichilor; necroza epiteliului tubular.

De remarcat că la păstrarea produselor alimentare şi la prelucrarea lor culinară, cantitatea de vitamina E primită de organism se micşorază cu 70%.

Vitaminele k

Vitaminele K se mai numesc vitamine antihemoragice sau vitaminele coagulării, menaftone, filochinone. Vitaminele K sunt sintetizate numai de plante (din fitol, componentă a clorofilei) şi microorganismele din tubul digestiv al animalelor. Sunt răspîndite în cantitate mare în frunzele de lucernă, trifoi, spanac, soia, varză, cloroplaste şi în făina de peşte. Din punct de vedere chimic sunt derivaţi ai 2-metil-para-naftochinonei, pe catena căreia se găseşte la C₃ o grupă metil, iar la C₂ o catenă laterală care diferă de la o vitamină la alta.

Vitamina K₁ (R = radical fitil) este răspîndită în plantele verzi, iar vitamina K₂ (R = radical farnesil) este biosintetizată de bacteriile intestinale. Participă activ la procesele de oxidare celulară şi la procesele de fosforilare oxidativă. În organismele vegetale, vitaminele K au un rol important în procesele de oxido-reducere, în procesele de fosforilare şi în respiraţia tisulară. Datorită reacţiei reversibile dintre forma oxidată şi forma redusă, vitaminele K asigură transportul atomilor de hidrogen de la un substrat la altul, pe cale neenzimatică.

Vitaminele K determină coagularea sîngelui prin transformarea fibrinogenului în fibrin (sinteza protrombinei). Carenţa de vitamine K conduce la creşterea timpului de coagulare a sîngelui şi poate fi un factor favorizant al osteoporozei.

Deoarece vitaminele K sunt sintetizate de bacteriile din intestine, deficienţele sunt rare, deşi recent s-a descoperit faptul că vitaminele K sintetizate intestinal nu sunt absorbite total. Deficienţa de vitamine K a fost semnalată în cazul malabsorbţiei grăsimilor ca şi după tratamentele îndelungate cu antibiotice, care pot distruge vitaminele K sintetizate intestinal.

Vitaminele f

Vitaminele F se mai numesc vitamine antidermatitice, deoarece în lipsa lor apar tulburări metabolice la nivelul pielii. Vitaminle F sunt formate dintr-un amestec de acizi graşi esenţiali, care conţin mai multe duble legături în moleculă şi care sunt răspîndiţi în organismele vegetale (în special uleiuri vegetale) şi nu sunt biosintetizaţi de animale. Dintre aceştia cei mai importanţi sunt acidul linoleic, acidul linolenic şi acidul arahidonic. Administrate omului, vitaminele F contribuie la procesul de vindecare a unor dermatite. Vitaminele F sunt implicate în procesul de biosinteză a lipidelor complexe.

II.1.2. VITAMINELE HIDROSOLUBILE

Vitaminele hidrosolubile sunt substanţe foarte diferite din punct de vedere structural, reprezentate de vitaminele din aşa-numitul “complex B” (B₁, B₂, B6, B₁₂ etc.), vitaminele PP, vitamina C, acidul lipoic, acidul pantotenic, acidul folic, vitaminele P etc. Ele diferă faţă de vitaminele liposolubile în multe aspecte importante, astfel ele sunt solubile în apă şi insolubile în solvenţi organici, sunt mai termolabile, dar mai fotostabile, stabile în mediu acid, dar instabile în mediu bazic etc. Multe dintre vitaminele hidrosolubile sunt rapid eliminate, (de aceea hipervitaminozele sunt rare), iar carenţele apar relativ rapid în cazul unei diete sărace în aceste vitamine.

Deoarece vitaminele hidrosolubile sunt coenzime ale multor enzime cu rol important în metabolism, sunt implicate în etapele generatoare de energie sau în hematopoeză. De obicei, ele participă în atît de multe reacţii biochimice încît este imposibil de stabilit exact cauza biochimică a unui simptom anumit. Totuşi, se poate generaliza faptul că, datorită rolului important jucat de aceste vitamine în metabolismul energetic, deficienţele se observă prima dată în ţesuturile cu creştere rapidă. Simptomele tipice includ: dermatite, glosite (umflarea limbii), diaree, depresii, pierderea coordonării mişcării.

Vitamina b1

Vitamina B₁ (tiamina, aneurina, vitamina anti beri-beri) este larg răspîndită în regnul vegetal în seminţele cerealelor şi leguminoaselor, în cojile de orez, frunze, flori, polen, drojdie de bere etc. Din punct de vedere chimic, este constituită dintr-un nucleu pirimidinic şi unul tiazolic, legate printr-un radical metilen.

Sub formă de clorhidrat, este o substanţă solidă, cristalină, solubilă în apă şi insolubilă în solvenţi organici. Este distrusă la fierbere şi sub acţiunea razelor ultraviolete. Tiamina este rapid transformată prin fosforilare în coenzima tiaminpirofosfat (TPP), care este implicată în: metabolismul căii pentozofosfat (singura sursă de biosinteză a ribozei necesară sintezei acizilor nucleici şi sursa majoră de NADPH pentru biosinteza acizilor graşi), decarboxilarea cetoacizilor etc.

Avitaminoza, se manifestă la om prin tulburări ale sistemului nervos, iritabilitate, oboseală, depresie, tulburări gastro-intestinale, simptome neuromusculare asociate cu tulburări cardiace (boala beri-beri). Necesarul de tiamină este proporţional cu conţinutul caloric al dietei (1,0-1,5 mg/zi) şi poate fi mărit în cazul excesului de carbohidraţi sau al creşterii vitezei metabolice (datorită febrei, traumatismelor, gravidităţii). Vitamina B₁ stimulează creşterea ţesuturilor şi a rădăcinilor plantelor cultivate în soluţii artificiale.

Vitamina b2

Vitamina B₂ (riboflavina, lactoflavina – din lapte, ovoflavină din ou, hepatoflavină din ficat), este sintetizată în plante, bacteriile de fermentaţie anaerobă şi drojdia de bere. Din punct de vedere al structurii chimice este formată dintr-un nucleu izoaloxazinic metilat (care conferă formei oxidate o culoare galben-verzuie), pe care este grefat un radical ribitil, provenit de la pentaalcoolul ribitol.

Vitamina B₂ este sensibilă la acţiunea luminii, care în mediu bazic o transformă în compuşi fără activitate vitaminică. Vitamina B₂ prezintă în organism rol complex. Ea intră în constituţia enzimelor dehidrogenaze FMN şi FAD, implicate în reacţiile de oxidoreducere din metabolism, deoarece poate fixa reversibil atomi de hidrogen. Stimulează creşterea organismelor tinere şi participă alături de vitamina A în procesul vederii. Alimentele bogate în riboflavină sunt: laptele, carnea, ouăle, cerealele. Doza recomandată este de 1,2-1,7 mg /zi pentru un adult (mai mare în cazul alcoolicilor şi a hipotiroidismului). Simptomele caracteristice deficienţei de riboflavină se manifestă prin: dermatite, căderea părului, glosită, slăbirea rezistenţei la infecţii, tulburări hematologice.

Vitaminele b6

Vitaminele B₆ (adermine, piridoxol, piridoxal, piridoxamina) sunt răspîndite în: seminţe de cereale, drojdie de bere, unt, carne, lapte, ouă. Din punct de vedere structural sunt derivaţi ai 2-metilpiridinei, care apar de obicei împreună, şi se pot transforma una în alta.

Prin fosforilarea piridoxalului şi a piridoxaminei se obţin coenzimele piridoxalfosfat şi piridoxaminofosfat, care biocatalizează decarboxilarea şi transaminarea aminoacizilor. Piridoxalfosfatul este necesar sintezei neurotransmiţătorului serotonina şi a sfingolipidelor necesare formării mielinei.

Vitaminele B₆ constituie factori de creştere pentru unele microorganisme. Carenţa în vitamine B₆ produce la om tulburări nervoase, iritabilitate, depresii, insomnii, astenie. Necesarul de vitamine B₆, pentru un organism adult este proporţional cu conţinutul proteic al dietei (pentru 100 g proteine/zi sunt necesare 1,4-2,0 mg/zi).

Vitamina b12

Vitamina B₁₂ (cianocobamida) este puţin răspîndită în regnul vegetal. În organismele animale se găseşte în ficat, rinichi, sînge, lapte, reprezentînd factorul absolut necesar creşterii unor microorganisme. Vitamina B₁₂ este indispensabilă pentru viaţa organismelor vegetale şi animale, fiind implicată în procesul de creştere, hematopoeză şi buna funcţionare a celulei nervoase. Din punct de vedere a structurii chimice, vitamina B₁₂ este formată dintr-un nucleu porfirinic care conţine central un atom de cobalt şi o grupă cian, grupe metilice şi amidice legate de nucleele pirolice, un nucleu dimetilbenzoimidazolic, riboză, acid fosforic şi alcool izopropilic.

Vitamina B₁₂ este o substanţă cristalină, de culoare roşie, solubilă în apă, insolubilă în solvenţi organici. Ea stimulează biosinteza nucleoproteidelor şi este un factor antianemic. În avitaminoză, se întrerupe diviziunea celulară şi se produce anemia pernicioasă. Deoarece este larg răspîndită în alimentele de origine animală, iar ficatul păstrează timp de 6 ani suplimentul de vitamina B₁₂, deficienţele sunt rare (la persoane în vîrstă şi la cele vegetariene).

Vitamina pp

Vitamina PP (niacina, nicotinamida, pelagropreventivă) este răspîndită în embrioni de grîu, tărîţe, alune, drojdie de bere, lapte, carne (mai puţin în porumb, cartofi). Din punct de vedere structural, niacina (nicotinamida) este amida acidului nicotinic, componentă a coenzimelor oxidoreductaze anaerobe NAD şi NADP, implicate în reacţii redox prin transfer de atomi de hidrogen de la un substrat la altul, în condiţii anaero

Niacina poate fi sintetizată din aminoacidul triptofan (1 mg de niacină din 60 mg de triptofan), dar biosinteza are loc numai după ce necesarul organismului în triptofan a fost asigurat şi cu aportul altor vitamine din complexul B.

Carenţa pronunţată conduce la boala numită pelagra (pella agra = piele groasă) sau boala celor trei afecţiuni cu "d": dermatită, diaree şi demenţă). Simptomele neurologice sunt asociate cu degenerarea ţesutului nervos. Necesarul pentru un adult este de: 13-19 mg/zi de niacină.

Acidul folic (vitamina B₉)

Vitamină B₉ este prezentă în frunzele plantelor verzi (spanac, salată), fructe verzi, drojdie de bere, carne, lapte, ouă. Din punct de vedere chimic este acidul pteroilglutamic, constituit din acid pteridinic, rest de acid p-aminobenzoic şi acid glutamic.

nucleul pteridinic acid para-aminobenzoic acid glutamic 2-amino-4-oxo-6-metilpteridina

Acidul folic îndeplineşte rol de coenzimă în biosinteza aminoacizilor (colina, serina, glicina), a bazelor azotate purinice, a nucleotidei dTMP. Cel mai pronunţat efect al deficienţei este inhibarea sintezei ADN datorită lipsei de purine şi dAMP, ceea ce cauzează forme grave de anemie.

Acidul paraaminobenzoic (PAB)

Acidul paraaminobenzoic (PAB) se numeşte şi vitamina H şi este răspîndit atît în organismele vegetale cît şi în cele animale. Este un factor de creştere pentru numeroase microorganisme. Este sintetizat de flora intestinală în cantităţi suficiente pentru om. PAB este componentă a acidului folic şi a coenzimei tirozinaza. Are o acţiune antiinfecţioasă generală, previne depigmentarea pielei şi a părului.

Acidul lipoic

Acidul lipoic (tioctic) este prezent în plantele verzi, sub formă de lipotiamidpirofosfat, coenzimă participantă la carboxilarea acidului piruvic (metabolismul glucidic). Trebuie evidenţiat, de asemenea, rolul de acceptor de atomi de hidrogen în prima fază a fotosintezei şi de activator al radicalului metil.

Acidul pangamic

Acidul pangamic (vitamina B₁₅, D-gluconodimetilaminoacetat) a fost pus în evidenţă în organisme vegetale, sîmburi de caise, plantule de orez, levuri, sîngele de bovine etc. Acidul pangamic este un compus sintetizat în organism din componente care sunt produse normale ale metabolismului: acidul D-gluconic şi dimetilglicina. Pe cale sintetică au fost obţinuţi şi derivaţi ai vitaminei B₁₅ care conţin în moleculă 4, 8 şi 12 grupe metil.

Acidul pangamic intervine în procesele de metilare şi transmetilare, datorită grupelor metil, labile, pe care le conţine. Este implicat în biosinteza unor substanţe biologic-active (donor de grupe metil), cum ar fi: metionina, colina, creatinina, adrenalina, metionina, ARN, hormoni steroizi, în activitatea respiratorie a celulei şi procesele de detoxifiere. Acidul pangamic este un factor lipotrop, fiind utilizat la vindecarea hepatitei şi tratamentul cirozelor hepatice.

Inozita

Inozita (inozitolul, Bios I) sub forma izomerului mezoinozitol (hexahidroxiciclohexan) este un poliol ciclic, răspîndit în toate ţesuturile vegetale (frunze, rădăcini, polen) şi animale, sub formă liberă sau ca ester fosforic (acidul fitinic), ca atare, sau sub forma sărurilor de calciu:

Acidul fitinic este principala sursă de fosfor din seminţe. În timpul germinării se eliberează prin hidroliză enzimatică: ioni de calciu, acid fosforic şi final mezoinozitol liber. În organismele animale (nu şi în cel uman) inozita este factor lipotrop, preоntîmpină fixarea grăsimilor). Aceeaşi acţiune manifestă şi colina.

Biotina

Biotina (vitamina H, Bios II) este prezentă în: drojdie de bere, muguri de plante, ouă, alune, ciocolată. Se găseşte liberă sau combinată cu proteine, peptide, aminoacizi. Se cunosc două biotine: α-biotina şi β-biotina. Ambele au o structură biciclică, rezultată prin condensarea formală a unui nucleu tetrahidroimidazolic cu unul tiofenic, avînd drept catenă laterală un rest de acid valerianic sau izovalerianic.

Biotina constituie gruparea prostetică a unor enzime, de exemplu a piruvatcarboxilazei implicată în reacţii de carboxilare a cetoacizilor (sinteza acidului oxalilacetic din ciclul Krebs), a acetil-coenzimei A, (biosinteza acizilor graşi) şi a propionil-coenzimei A (biosinteza aminoacizilor). Biotina stimulează creşterea ţesuturilor merismatice prin intensificarea diviziunii celulare. Biotina poate fi sintetizată de bacteriile intestinale. Avitaminoza se manifestă prin descuamarea pielei, căderea părului, lipsa poftei de mîncare, oboseală etc.

Acidul pantotenic

Acidul pantotenic (Bios III) este răspîndit în toate organismele vegetale şi animale. În cantitate mare se află în lăptişorul de matcă, fasole, soia, drojdia de bere etc. Acidul pantotenic este format din β-alanină şi acid α,γ-dihidroxi-β-dimetilbutiric.

Acidul pantotenic este o substanţă uleioasă, de culoare galbenă, solubil în apă şi sensibil la acţiunea oxidanţilor în mediu bazic. Intră în structura coenzimei A, implicată în metabolismul glucidic şi lipidic. Este un factor de creştere pentru numeroase microorganisme şi factor de stimulare a metabolismul celular. Cu toată importanţa acestor reacţii, nu există deficit de acid pantotenic, deoarece acesta este foarte răspîndit (panthotem = peste tot) în alimentele de origine vegetală şi animală, iar simptomele deficienţei sunt vagi, asemănătoare, în general, deficienţei de vitamine B.

Vitamina c (acidul ascorbic)

Vitamina C (acidul ascorbic) este una dintre vitaminele cele mai răspîndite în regnul vegetal în fructe de cătină, măceş, coarne, coacăze, mere, citrice etc.), atît în stare liberă cît şi asociată cu proteinele sub formă de ascorbinogen. Din punct de vedere al structurii chimice este lactona unui acid cetohexonic, acidul 2,3-endiol-L-gulonic.

Datorită structurii endiolice, acidul ascorbic aparţine sistemelor redox biochimice; el poate, prin oxidare, trece reversibil în acid dehidroascorbic. Este un activator general al metabolismului celular fiind implicat în sinteza protocolagenului şi deci în menţinerea stării de sănătate a ţesuturilor, în vindecarea rănilor, în combaterea fragilităţii capilare. Rolul sau reducător (enzimatic) se manifestă în absorbţia fierului în stomac (prin reducerea Fe³⁺ la Fe²⁺) precum şi la protejarea altor vitamine (A, E, D) faţă de procesul de oxidare. Rolul său important de antioxidant biologic recomandă vitamina C, alături de Я-caroten în dieta preventivă a cancerului. Este necesar un aport continuu de vitamina C (60 mg/zi), deoarece organismul uman nu sintetizează şi nu acumulează această vitamină, care este sensibilă la lumină, temperatură, O₂ din aer, contactul cu metalele (Fe, Cu). Avitaminoza se manifestă sub forma bolii numită scorbut (anemie pronunţată, hemoragii, osteoporoză).

Vitaminele p

Vitaminele P (citrine, bioflavonoide, vitaminele permeabilităţii) se găsesc în cantităţi apreciabile în citrice, ardei etc. Sunt substanţe cu activitate vitaminică, cu rol asupra pereţilor vaselor capilare. Din punct de vedere chimic sunt amestecuri de glicozide (conţin o componentă glucidică şi un aglicon). Agliconii sunt reprezentaţi de: pigmenţi din clasa flavonelor reprezentaţi de: hesperitină, rutină, quercetină. Prin oxidare formează flavochinone, funcţionînd ca sisteme

redox. Acţionează sinergic cu vitamina C în prevenirea şi combaterea scorbutului, măresc tonusul miocardului, măresc rezistenţa la rupere a vaselor sanguine, scad tensiunea arterială.

II.1.3. Antivitamine

Antivitaminele sunt substanţe cu structură chimică asemănătoare vitaminelor, dar cu acţiune opusă acestora. Diferenţa de comportare este consecinţa diferenţelor structurale, chiar dacă acestea nu sunt mari. Antivitaminele prezintă în general o structură moleculară asemănătoare vitaminelor, sau cu unele fragmente din molecula lor.

Efectul antivitaminic se explică prin afectarea activităţii enzimatice, datorită modificării structurii enzimei prin înlocuirea coenzimei (vitaminei) cu antivitamina corespunzătoare, sau prin inhibiţie competitivă a acţiunii biocatalitice enzimatice de către noua structură a antivitaminei. În prezent se cunosc numeroase antivitamine care au o structură analoagă riboflavinei, piridoxinei, tiaminei, biotinei, acidului foilc, precum şi vitaminelor K şi E. Se cunosc de asemenea, în afară de antivitamine, substanţe cu au o structură chimică diferită mult de cea a vitaminelor, de natură proteică, care au proprietatea de a se combina cu vitaminele, anihilîndu-le astfel activitatea vitaminică. De exemplu, în albuşul de ou s-a identificat proteina avidina, care se combină cu biotina, anihilîndu-i activitatea vitaminică.

Acţiunea antivitaminelor se explică prin perturbarea unor procese metabolice care sunt stimulate de acţiunea vitaminelor. În tabloul sintetic de mai jos, sunt prezentate în paralel, structurile unor vitamine şi cele ale antivitaminelor corespunzătoare.

II.2. Enzime

Enzimele sunt compuşi macromoleculari de natură proteică, produşi şi prezenţi numai în organismele vii, cu rol de biocatalizatori ai tuturor transformărilor biochimice caracteristice metabolismului. Necesităţile plastice şi energetice ale organismelor vii sunt acoperite, pe de o parte, din substanţele nutritive, relativ stabile chimic, iar pe de altă parte de o serie de reacţii “de ardere” la care participă oxigenul. Apariţia şi evoluţia fiinţelor vii organizate a fost însoţită de selecţionarea şi perfecţionarea unor mecanisme capabile să asigure o viteză mare de desfăşurare a proceselor biochimice, în condiţii de activitate relativ menajate (soluţii apoase, temperaturi joase, mediu neutru etc.). Această problemă, a fost rezolvată în decursul evoluţiei, prin apariţia catalizatorilor biologici care sunt enzimele.

Enzimele au rol esenţial în biosinteza şi biodegradarea substanţelor din materia vie. În lipsa enzimelor, majoritatea reacţiilor chimice din organism nu s-ar putea produce şi deci nu ar mai exista procese metabolice şi nici fenomene de viaţă. Bogate în enzime sunt plantulele, frunzele tinere, ţesuturile meristematice, seminţele în stare de germinaţie, fructele. În general, plantele tinere au un conţinut mai ridicat de enzime decît plantele adulte. Activitatea catalitică a enzimelor din organismele în creştere este mai mare decît a celor din organismele adulte. După locul unde acţionează, se pot evidenţia:

• endoenzime (enzime intracelulare);

• exoenzime (enzime extracelulare).

Endoenzimele, acţionează în celulele în care s-au sintetizat. Ele sunt lioenzime (legate mai slab în celulă) şi desmoenzime (legate mai puternic în celule).

Exoenzimele, după etapa de formare în celule, sunt eliminate în lichidele din organism, unde îşi exercită activitatea catalitică. Astfel, acţionează de exemplu, enzimele din lichidele interstiţiale, din diferite cavităţi, din seva elaborată etc. Substanţa asupra căreia acţionează enzimele se numeşte substrat.

II:2.1. Structura chimică generală a enzimelor

Enzimele se pot clasifica, din punct de vedere chimic în două clase:

• enzime monocomponente (holoproteice);

• enzime bicomponente.

a) Enzimele monocomponente (holoproteice, proteine biocatalitice) sunt constituite numai din proteine. Acţiunea lor biocatalitică se datorează anumitor fragmente din catena polipeptidică, care includ grupe funcţionale componente ale catenelor laterale ale aminoacizilor (-OH, -NH2, -SH, -COOH etc.), constituind centrul activ sau situsul catalitic. Prin acest centru activ enzima fixează substratul (îl recunoaşte) sub forma unui complex enzimă-substrat, simbolizat E-S, şi biocatalizează transformarea substratului.

Pentru recunoaşterea şi formarea complexului E-S, geometria centrului activ trebuie să fie complementară cu cea a substratului. Blocarea sau inactivarea centrului activ (de exemplu denaturarea proteinei) conduce la pierderea activităţii catalitice a enzimei holoproteice. În schimb, denaturarea unei părţi a proteinei, care nu cuprinde centrul activ, nu modifică activitatea catalitică a enzimei.

b) Enzimele bicomponente (heteroproteice) sunt constituite din:

• componenta proteică (apoenzimă, apoferment), care determină specificitatea enzimei (o anumită secvenţă a aminoacizior prin care enzima recunoaşte substratul şi оl fixează), este caracterizată prin masă moleculară mare, termolabilitate etc.;

• componenta neproteică (prostetică, coenzimă, cofactor), care determină

mecanismul şi viteza reacţiei enzimatice poate fi: o vitamină, un hormon, un colorant, nucleotide, metale. Ea este caracterizată prin masă moleculară mică, termostabilitate. În majoritatea cazurilor, acţiunea catalitică a enzimelor se manifestă numai în prezenţa unor substanţe speciale, denumite cofactori, care se clasifică în trei grupe:

• coenzime sau cofermenţi specifici, sunt substanţe organice cu masă

moleculară mică, termostabile şi care dializează uşor din soluţiile enzimei. Coenzimele se caracterizează prin însuşirea lor de a reacţiona reversibil cu proteina care intră în structura enzimei (apoenzima sau apofermentul);

• grupările prostetice, substanţe combinate mult mai strîns cu apoenzima, se disociază greu şi, în general, rămîn fixate pe o singură apoenzimă;

• activatorii, denumiţi uneori şi cofactori anorganici, sunt substanţe nespecifice (diferite metale, agenţi reducători etc.), care mediază trecerea enzimei într-o stare catalitică activă.

Este greu de precizat o demarcaţie clară între cele trei grupe de cofactori, clasificaţi după natura şi raportul lor faţă de apoenzimă. Multe dintre coenzime şi grupări prostetice sunt de fapt derivaţi ai vitaminelor hidrosolubile. O mare parte dintre coenzime şi grupări prostetice identificate în componenţa unor enzime sunt nucleotide sau derivaţi ai acestora. Deşi în cazul enzimelor bicomponente, componenta care participă efectiv la realizarea procesului biocatalitic enzimatic este coenzima, totuşi, pentru manifestarea activităţii enzimatice, prezenţa apoenzimei de natură proteică este absolut obligatorie, deoarece gruparea prostetică luată separat are slabe proprietăţi catalitice. În complexul format de apoenzimă şi coenzimă (holoenzimă) activitatea catalitică creşte de 1000 de ori, comparativ cu activitatea catalitică a coenzimei libere.

Legăturile dintre apoenzimă şi coenzimă sunt de natură diferită, variind de la o enzimă la alta şi pot fi: legături covalente, legături van der Waals etc. Datorită structurii proteice macromoleculare, enzimele au o masă moleculară mare şi formează soluţii coloidale. Starea coloidală a enzimelor prentîmpină difuzia lor dintr-o celulă în altă celulă, condiţionînd o localizare strictă a reacţiilor biochimice în organism la nivelul diferitelor organe, ţesuturi, celule.

II.2.2. Caracteristici ale activităţii enzimatice

Enzimele, asemănător catalizatorilor chimici obişnuiţi, biocatalizează numai acele reacţii metabolice posibile din punct de vedere termodinamic (care se desfăşoară spontan, avînd energia liberă ∆G < 0). Rolul enzimelor, ca şi al catalizatorilor chimici, este de a reduce energia de activare (nu modifică echilibrele chimice, dar grăbeşte atingerea lor).

Energia de activare în cazul enzimelor este însă mult mai mică. De exemplu, energia de activare la descompunerea apei oxigenate conform reacţiei:

2 H₂O₂ = O₂ + 2 H₂O

este diferită, în funcţie de tipul de catalizator utilizat:

• fără catalizator: 18 kcal/mol;

• cu catalizatorul chimic FeCI3: 11,7 kcal/mol;

• cu biocatalizatorul catalază: 5,5 kcal/mol

Viteza reacţiei enzimatice este mult mai mare decît în cazul reacţiei catalizată de catalizatori chimici. De exemplu, enzima catalaza realizează descompunerea H₂O₂ de 10 miliarde de ori mai repede decît FeCl₃ (ambii catalizatori au în structură cationul Fe³⁺).

Sensibilitatea reacţiei enzimatice este foarte mare, astfel o moleculă de catalază descompune 5 milioane de molecule de H₂O₂ într-un minut, la 0 ⁰C şi la pH = 6,8.

Enzimele catalizează reacţii de desfacere şi formare de legături în condiţii fiziologice compatibile cu viaţa. Aceleaşi reacţii ar necesita în laborator condiţii de temperatură, presiune, pH, improprii vieţii.

Spre deosebire de catalizatorii chimici, enzimele se caracterizează prin specificitate (absolută sau relativă) de substrat sau de acţiune.

Specificitatea de substrat absolută este proprietatea enzimelor de a acţiona asupra unui singur substrat (de exemplu, ureaza catalizează numai descompunerea ureei). Acest tip de specificitate este determinat de o anumită secvenţă a aminoacizilor componenţi ai apoenzimei.

Specificitatea de substrat relativă este proprietatea enzimelor de a acţiona asupra unui grup de substraturi cu structură chimică apropiată. De exemplu, maltaza catalizează hidroliza poliglucidelor în care componentele glucide sunt legate α-glicozidic.

Specificitatea de substrat poate fi: stereochimică, dacă enzima catalizează transformarea doar a unui singur izomer din mai mulţi posibili (de exemplu: a izomerului trans, sau a izomerului cis; a izomerului dextrogir, sau a celui levogir). Specificitatea de substrat poate fi specificitate de legătură, dacă enzima catalizează formarea sau scindarea unui anumit tip de legătură (peptidică, glicozidică, eterică, esterică etc.), indiferent de natura substanţei care o conţine. De exemplu: lipazele catalizează hidroliza gliceridelor indiferent de natura acidului gras component.

Specificitatea de acţiune absolută este caracteristica enzimelor de a cataliza o singură reacţie, dintre multiplele reacţii posibile.

Specificitatea de acţiune relativă este proprietatea enzimelor de a cataliza un anumit tip de reacţie, dată de un grup de substraturi Înrudite. Acest tip de specificitate a enzimelor este determinat mai ales de natura cofactorilor (gruparea prostetică, coenzima) şi mai rar de natura apoenzimei.

II.2.2.1. Mecanismul de acţiune a enzimelor.

CINETICA REACŢIILOR ENZIMATICE

Mecanismul de acţiune a enzimelor este analog cu cel al catalizatorilor chimici. Enzimele sunt capabile să accelereze viteza de desfăşurare a diferitelor reacţii (micşorează energia de activare), absolut necesare pentru menţinerea şi reproducerea materiei vii. Enzimele catalizează numai reacţii termodinamic posibile, care se pot produce şi fără participarea lor, dar într-un timp mai îndelungat şi uneori în condiţii incompatibile cu materia vie.

Spre deosebire de catalizatorii nebiologici, enzimele au un randament mult mai ridicat, care asigură mersul reacţiei biochimice, în majoritatea cazurilor într-un singur sens, fără reacţii secundare. Ele preîntîmpină descompunerea unor substanţe instabile în anumite condiţii şi permit realizarea unor procese chimice complexe, cu o cantitate minimă de energie.

Enzimele participă activ la procesele catalitice, parcurgînd următoarele etape:

• activarea moleculelor substratului (S), prin scăderea energiei de activare a acestuia, şi formarea complexului intermediar disociabil, enzimă-substrat (ES), mai activ decît substratul ca atare;

• transformarea complexului enzima-substrat (ES) în produsul de reacţie (procesul catalitic efectiv), mai întîi legat de enzimă (EP), şi în final, prin eliberarea enzimei, obţinerea produsului de reacţie, (P).

Schematic, mecanismul catalizei enzimatice, conform teoriei etapelor intermediare, poate fi reprezentat astfel:

sau considerat ca echilibru:

Ţinînd cont că transformarea ES → EP este practic instantanee iar reacţia de transformare P + E → EP este nulă (enzima fiind specifică pentru substrat nu şi pentru produs), sistemul de ecuaţii de mai sus devine:

şi poartă denumirea de echilibrul Michaelis-Menten.

Factorii care influenţează viteza reacţiilor enzimatice

Reacţiei de formare şi de descompunere a compusului enzimă-substrat i se poate aplica legea acţiunii maselor şi se poate determina astfel constanta de echilibru. Viteza reacţiilor enzimatice depinde în mare măsură de concentraţia enzimei şi de concentraţia substratului.

a) Influenţa concentraţiei enzimei asupra vitezei reacţiei enzimatice

Viteza reacţiei enzimatice este direct proporţională cu concentraţia enzimei prezente în mediul de reacţie (figura 1.1):

Fig. 1.1. Influenţa concentraţiei enzimei asupra vitezei reacţiei enzimatice

În unele cazuri, de obicei cînd sunt prezenţi în sistem şi alţi factori, curba care reprezintă dependenţa vitezei de concentraţia enzimei, este deviată faţă de cea normală. Abaterile de la această comportare se pot datora prezenţei inhibitorilor, folosirea unei concentraţii de substrat sub limita de saturare a enzimei etc.

b) Influenţa concentraţiei substratului asupra vitezei reacţiei enzimatice

S-a constatat că dacă se pleacă de la o cantitate fixă de enzimă şi se măreşte treptat concentraţia substratului, se va forma o cantitate mai mare de complex enzimă-substrat, viteza reacţiei va creşte treptat, pînă cînd toată enzima s-a combinat cu substratul. Acest stadiu reprezintă momentul de saturare a enzimei, iar viteza va fi maximă (vmax). Dacă se măreşte în continuare concentraţia substratului, viteza de reacţie nu se va mări, deoarece nu există enzimă liberă care să intre în reacţie cu substratul. Momentul de saturare a enzimei este dificil de stabilit, deoarece acestă variază în funcţie de concentraţia enzimei şi de concentraţia substratului. În practică, activitatea enzimatică se apreciază după concentraţia substratului, cînd jumătate din cantitatea de enzimă este combinată cu substratul sub formă de complex enzimă-substrat.

În acest caz, viteza reacţiei este jumătate din valoarea sa maximă. Acest punct reprezintă constanta Michaelis (KM) şi reprezintă concentraţia substratului pentru care viteza de reacţie este jumătate din viteza maximă. Deci, pentru v = vmax/2, rezultă KM = [S] (vezi figura 1.2).

Fig. 1.2. Influenţa concentraţiei substratului asupra vitezei reacţiei enzimatice

Constanta Michaelis are valorile unor concentraţii şi se exprimă în moli/L. Constanta Michaelis se poate utiliza pentru a determina afinitatea enzimei faţă de substrat. Cu cît KM va avea o valoare mai mare, cu atît afinitatea enzimei faţă de substrat va fi mai mică şi invers.

Relaţia cantitativă dintre viteza reacţiei enzimatice, concentraţia substratului şi valoarea KM, care exprimă viteza reacţiei enzimatice în fiecare moment, este dată de ecuaţia Michaelis-Menten:

Constanta lui Michaelis este o mărime importantă nu doar din punct de vedere al cineticii enzimatice ci şi pentru măsurătorile cantitative ale activităţii enzimatice din ţesuturi. Cercetări recente au pus în evidenţă importanţa medicală a constantei KM. Unele cazuri de leucemie (în care are loc o creştere enormă a numărului de leucocite) pot fi regresate prin administrarea intravenoasă a enzimei asparaginaza care catalizează reacţia de hidroliză a asparaginei la acid aspartic şi amoniac. Prin injectarea intravenoasă a asparaginazei (factor de creştere a leucocitelor), fenomenul de creştere a leucocitelor este stopat. Cercetările asupra surselor de asparaginază au demonstrat ca enzima are valori diferite ale KM în funcţie de provenienţă (bacterii, plante, animale). Deoarece concentraţia de asparagină din sînge este foarte mică, cantitatea de asparaginază injectată va avea efect terapeutic, doar dacă valoarea KM va fi suficient de mică pentru a hidroliza rapid asparagina aflată оn concentraţii mici în sînge.

Activitatea enzimatică se exprimă prin unitatea enzimatică, respectiv cantitatea de enzimă care poate cataliza transformarea unui micromol de substrat în timp de un minut. Activitatea enzimatică în cazul enzimelor pure se determină prin numărul de molecule de substrat care pot fi metabolizate într-un minut de o singură moleculă de enzimă. Această mărime se numeşte raport de transformare (turnover number).

c) Influenţa temperaturii asupra vitezei reacţiei enzimatice

Activitatea enzimelor este foarte mult influenţată de temperatură. Asemănător celor mai multe dintre reacţiile chimice, viteza reacţiei enzimatice creşte cu creşterea temperaturii (se dublează la creşterea temperaturii cu 10 ⁰C).

Pentru fiecare enzimă există o temperatură la care activitatea enzimatică este maximă, numită temperatură optimă (în general, cuprinsă între 20-40⁰C. Pînă la atingerea temperaturii optime, activitatea enzimatică creşte proporţional cu creşterea temperaturii. După atingerea acestei temperaturi, activitatea enzimatică scade rapid cu creşterea temperaturii, datorită denaturării părţii proteice a enzimei, acelaşi fenomen avînd loc la scăderea temperaturii sub cea optimă (fenomene utilizate în practică la păstrarea alimentelor prin fierbere sau congelare). Cele mai multe enzime sunt inactivate la temperaturi peste 55-60⁰C, cu excepţia enzimelor din bacteriile termofile (din izvoarele termale), active şi peste 85⁰C. Influenţa temperaturii asupra vitezei reacţiei enzimatice este redată în figura 1.3.

Fig. 1.3. Influenţa temperaturii asupra vitezei reacţiei enzimatice

Unele enzime, cum ar fi ribonucleazele, îşi pierd activitatea la încălzire, dar şi-o regăsesc rapid la răcire, fapt care indică refacerea conformaţiei iniţiale a catenelor polipeptidice desfăcute. Temperatura critică a unei enzime este temperatura la care enzima pierde jumătate din activitatea sa, în timp de o oră. Temperatura optimă a enzimelor variază cu durata de expunere a acestora la o anumită temperatură. Pentru o durată de timp mai scurtă, temperatura optimă are valori mai mari decît pentru o perioadă de timp mai lungă. Această comportare este importantă deoarece reprezintă un mod de adaptare a enzimelor la condiţiile de mediu. Legarea enzimei de substrat măreşte rezistenţa acesteia la temperaturi ridicate. Enzimele în stare uscată sau sub formă cristalină rezistă la încălzire pînă la temperaturi de 100C (bobul de cereală uscat suportă temperaturi mai ridicate decît acelaşi bob în stare umedă). Temperaturile joase nu distrug activitatea enzimelor ci numai o micşorează sau o opresc în mod reversibil.

Soluţiile enzimatice diluate (1%) prin congelare, urmată de topire, îşi măresc activitatea enzimatică, datorită eliberării de noi centri activi din molecula enzimei, în urma proceselor de îngheţ-dezgheţ. În cazul soluţiilor concentrate, activitatea enzimatică se micşorează după îngheţ, datorită formării unor agregate moleculare care blochează centrii activi. Fiecărei enzime i se poate stabili o temperatură minimă (începînd cu 0⁰C) la care începe activitatea enzimatică, o temperatură optimă, la care activitatea enzimatică este maximă, şi o temperatură maximă la care activitatea enzimatică încetează.

d) Influenţa valorii pH asupra activităţii enzimatice

Activitatea enzimelor este influenţată în mod accentuat şi de concentraţia ionilor de hidrogen din mediul de reacţie, deci de pH. Enzimele îşi manifestă activitatea numai între anumite limite de pH (limite inferioare şi limite superioare). Cele mai multe enzime manifestă activitate maximă la valori caracteristice ale pH-ului (pH optim). Valoarea pH-ului optim depinde de natura şi de originea enzimei, de mediul de reacţie, de proprietăţile acido-bazice ale enzimei şi de factorii biologici. Influenţa valorii pH asupra activităţii enzimatice este redată în figura 6.4.

Fig. 6.4. Influenţa valorii pH asupra activităţii enzimatice

În general, pH-ul optim coincide cu pH-ul lichidelor din organism, unde enzimele îşi exercită activitatea. Astfel, pH-ul optim al pepsinei din stomac este cuprins între 1,4-1,5; pH-ul optim al tripsinei din pancreas între 7,8-8,7; al amilazei din malţ între 4,7-5,2 etc. Majoritatea enzimelor vegetale au un pH optim cuprins între 5,3-7,6. În afara limitelor de pH stabilite, enzimele devin inactive. Valori prea mari ale pH-ului (alcalinitate mărită) sau prea mici (aciditate mărită), afectează activitatea enzimatică prin denaturarea părţii proteice sau perturbarea echilibrelor de disociere ale grupelor funcţionale ale centrului activ al enzimei, ca şi modificarea geometriei centrilor activi. Valoarea pH-ului optim este influenţată de temperatură, de ionii din soluţie, de natura şi de concentraţia substratului, de originea enzimei, de factorii biologici etc. Acţiunea pH-ului asupra activităţii enzimatice se explică prin influenţa ionilor de hidrogen asupra gradului de ionizare a enzimei şi a substratului. Unele enzime au activitate maximă sub formă nedisociată, altele sub formă disociată.

e) Influenţa activatorilor enzimatici

Activatorii sunt compuşi chimici care măresc activitatea enzimelor (intervin în mecanismul acţiunii enzimatice), fie prin stimularea directă a acestora, fie prin îndepărtarea unor inhibitori din sistem. Activatorii se clasifică după efectul produs în:

• Activatori care acţionează prin deblocarea centrilor activi din molecula enzimelor. Unele enzime, denumite proenzime, sunt secretate sub formă inactivă, cu grupările active blocate (mascate) de polipeptide sau de alte substanţe. Proenzimele se transformă în enzime active sub influenţa unor enzime kinaze, care îndepărtează substanţele inhibitoare.

• Activatori care acţionează asupra enzimei prin înlăturarea din sistem a unor inhibitori ai enzimei.

Substanţele, adăugate unei soluţii enzimatice pentru protejarea enzimei împotriva factorilor care o inactivează sau o denaturează, se numesc protectori. De exemplu, proteinele activează ureaza prin captarea ionilor inhibitori din sistem (de exemplu, ionul cianură (CN−) înlătură efectul inhibitor al Cu²⁺ asupra ureeazei, prin formarea cianurii complexe de cupru, stabilă).

• Activatori care sunt componente ale enzimelor sau care stimulează direct activitatea acestora. Sunt activatori specifici pentru anumite enzime o serie de cationi metalici şi anioni, astfel, fosforilaza este activată de Mg²⁺, fosfoglucomutaza de Mg²⁺, şi de Mn²⁺, fosfataza de Ca²⁺ şi de Mn²⁺, amilaza salivară este activă numai în prezenţa ionilor de clor, proteazele vegetale sunt activate de glutationul redus etc.

f) Inhibitori ai enzimelor

Inhibitorii sunt substanţe care acţionînd asupra enzimelor, influenţează negativ desfăşurarea activităţii enzimatice pînă la anularea ei, reversibilă sau ireversibilă. Studiul inhibitorilor furnizează informaţii utile asupra specificităţii de substrat, tipului de grupe funcţionale şi mecanismului de acţiune enzimatică.

• Inhibitorii ireversibili modifică profund structura moleculelor enzimatice, provocînd denaturarea proteinei şi deci anularea activităţii catalitice a enzimei. Complexul enzimă-inhibitor format, este nedisociabil, iar prin îndepărtarea inhibitorului, enzima nu-şi mai recapătă funcţia catalitică, partea proteică fiind distrusă. Astfel de inhibitori ireversibili sunt: compuşii cu Pb²⁺, Hg²⁺, CN^-, cu CO, compuşii cu arsen etc.

• Inhibitorii reversibili acţionează asupra cineticii reacţiei enzimatice, fără a produce modificări la nivelul structurii enzimei. Inhibiţia produsă de aceşti inhibitori poate fi (în funcţie de natura şi de specificul ei) de tip: competitiv, necompetitiv şi alosteric.

• Inhibiţia competitivă rezultă dintr-o competiţie (pentru ocuparea situsului activ al enzimei), între substrat şi inhibitorul care are o structură moleculară asemănătoare cu a substratului. Deoarece o parte din enzimă se combină cu inhibitorul, se micşorează cantitatea de enzimă care se combină cu substratul şi scade astfel viteza de reacţie. Influenţa inhibitorului se poate micşora prin mărirea concentraţiei substratului.

Exemple de inhibiţie competitivă: acidul malonic HOOC-CH₂-COOH, care prezintă analogie structurală cu acidul succinic HOOC-CH₂-CH₂-COOH, poate fi inhibitor competitiv în reacţia de dehidrogenare a acestuia cu succinatdehidrogenaza (reacţie din ciclul Krebs):

În afară de acidul malonic, şi alţi acizi dibazici (acidul oxalic, acidul oxalilacetic, acidul pirofosforic) pot fi inhibitori competitivi ai succinatdehidrogenazei. Inhibiţia competitivă se produce şi în cazul vitaminelor de către antivitamine, hormoni-antihormoni, enzime-antienzime.

• Inhibiţia necompetitivă se caracterizează prin faptul că inhibitorul nu are o structură asemănătoare cu substratul. În inhibiţia necompetitivă, inhibitorul reacţionează cu enzima, cu complexul enzimă-substrat şi foarte rar cu substratul, formînd complexe inactive enzimă-inhibitor (EI), sau enzimă-substrat-inhibitor (ESI). Prin formarea acestor complexe inactive (EI, ESI), care nu conduc la formare de produs de reacţie (P), viteza reacţiei enzimatice este micşorată, deoarece chiar dacă se măreşte concentraţia substratului (S), inhibitorul nu poate fi înlăturat din complexul EI.

Inhibiţia necompetitivă se poate realiza în mai multe moduri:

• Inhibiţia prin blocarea sau transformarea grupelor funcţionale tiolice (-SH), centrii activi ai enzimelor, prin reacţii cu metale grele (Hg, Pb, Ag, As, etc.) cu formare de mercaptide, prin reacţii de oxidare sau reacţii de alchilare.

• Inhibiţia prin blocarea metalului din componenţa enzimei sau a activatorilor din mediul de reacţie. De exemplu, fluorurile şi oxidanţii extrag ionii de Mg²⁺ şi de Ca²⁺ din molecula enzimei, iar cianurile, H₂S şi CO scot fierul din enzimele feroporfirinice.

• Inhibiţia prin combinarea inhibitorului cu substratul se datorează scăderii concentraţiei substratului. Tipul de inhibiţie se poate determina dacă se menţine constantă concentraţia inhibitorului şi se modifică concentraţia substratului. Dacă se constată creşterea vitezei de reacţie cu creşterea concentraţiei substratului, are loc o inhibiţie competitivă, în caz contrar inhibiţia este necompetitivă. Inhibarea enzimelor se produce şi prin agitare îndelungată, sub acţiunea diferitelor radiaţii ionizante (UV, X etc.), la presiuni ridicate şi sub influenţa substanţelor care determină precipitarea proteinelor (acid tricloracetic, tanin etc.).

II.2.3. Nomenclatura şi clasificarea enzimelor

Denumirea enzimelor s-a acordat iniţial, ţinînd cont de numele substratului asupra căruia acţionează, sau de numele reacţiei catalizată, la care se adaugă sufixul aza. De exemplu, enzima care biocatalizează descompunerea amidonului se numeşte amilaza cea care acţionează asupra zaharozei se numeşte zaharaza etc., enzimele care biocatalizează reacţii de hidroliză se numesc hidrolaze, cele care catalizează reacţii de oxido-reducere se numesc oxido-reductaze etc. Odată cu creşterea numărului de enzime izolate şi caracterizate, pentru prevenirea confuziilor în stabilirea numelui enzimelor, ţinînd cont că ele pot manifesta specificitate relativă (pot acţiona asupra mai multor substraturi) şi că asupra unui substrat pot acţiona enzime diferite, a fost adoptată noua nomenclatură şi sistemul de clasificare (Congresul Internaţional de Biochimie, Moscova, 1961).

Sistemul de clasificare şi numerotare a enzimelor, precum şi noua nomenclatură sistematică se bazează pe reacţia chimică catalizată de enzimă, unicul criteriu care permite deosebirea enzimelor între ele. În acest sistem enzimele sunt împărţite în clase, după tipul reacţiei catalizate, iar acestea sunt împărţite în subclase care definesc mai exact caracterul reacţiei enzimatice respective. Numele fiecărei enzime se defineşte printr-un termen alcătuit din trei părţi:

• denumirea substratului asupra căruia acţionează enzima;

• denumirea tipului de reacţie catalizată de enzimă;

• sufixul “aza”.

De exemplu, enzima care catalizează dehidrogenarea acidului lactic se numeşte lactatdehidrogenaza, cea care catalizează decarboxilarea acidului piruvic se numeşte piruvatdecarboxilaza. Denumirea transferazelor se formează din prefixul trans, numele substratului şi sufixul aza (transaminaze, transmetilaze, transfosfataze etc.). Noua clasificare prin sistemul zecimal prezintă avantajul că reacţiile chimice catalizate de enzime pot fi grupate într-un număr mic de tipuri de reacţii. Conform acestui sistem zecimal de clasificare, fiecare enzimă este caracterizată printr-un cod format din patru cifre. Prima cifră precizează clasa din care face parte enzima. Enzimele cunoscute în prezent sunt grupate în 6 clase principale:

1. Oxidoreductaze

2. Transferaze

3. Hidrolaze

4. Liaze

5. Izomeraze

6. Ligaze (Sintetaze).

A doua cifră a codului defineşte subclasa, furnizînd informaţii asupra tipului de grupă funcţională, respectiv asupra tipului de legătură chimică implicată în reacţie. De exemplu, din clasa hidrolazelor fac parte subclasele esteraze (hidrolizează legătura esterică), glicozidaze (hidrolizează legătura glicozidică), amidaze (hidrolizează legătura amidică) etc. În cazul transferazelor, a doua cifră indică natura grupelor funcţionale transferate; la ligaze şi liaze, tipul de legături chimice care se formează şi se degradează; la oxidoreductaze se specifică natura chimică a grupei funcţionale supusă oxidării (alcoolică, aldehidică, cetonică etc.), iar la izomeraze se indică tipul reacţiilor de izomerizare.

Cifra a treia precizează subdiviziunile din cadrul unei subclase (de exemplu, natura unei grupe funcţionale transferate, natura acceptorului etc.). Astfel, în subclasa esterazelor există mai multe grupe de enzime care acţionează asupra anumitor substraturi. De exemplu: fosfolipazele acţionează numai asupra fosfolipidelor, clorofilazele numai asupra cloroglobinelor etc. În cazul oxidoreductazelor, cifra a treia indică natura acceptorului care ia parte la reacţie (NADPH+, citocromi, oxigen molecular etc.). Cifra a patra din cod reprezintă numărul de ordine al enzimei în subdiviziunea din interiorul subclasei.

De exemplu: enzima “ATP: D-fructozo-6-fosfotransferaza”, are cifrul 2.7.1.4. după care se identifică drept o transferază (2, clasa 2), care transferă reziduu fosfat (cifra 7, subclasa 7), la gruparea alcoolică (cifra1, subdiviziunea 1 a subclasei 7) şi are numărul de ordine 4. Pentru unele dintre enzime se mai păstrează denumirile vechi, conferite cu mult înainte de stabilirea regulilor referitoare la noua nomenclatură (pepsina, tripsina, papaina, emulsina, chimozina etc.). Este prezentată în continuare, la nivelul clasificării în clase şi subclase:

Cheia codului de numerotare şi clasificare a enzimelor

1. Oxidoreductaze

1.1. Acţionează asupra grupărilor CH-OH ale donorilor

1.2. Acţionează asupra grupărilor aldehidice sau cetonice ale donorilor

1.3. Acţionează asupra grupărilor CH-CH ale donorilor

1.4. Acţionează asupra grupărilor CH-NH₂ ale donorilor

1.5. Acţionează asupra grupării C-NH a donorilor

1.6. Acţionează asupra NAD+ şi NADP+ оn formă redusă, ca donori

1.7. Acţionează asupra altor compuşi cu azot, ca donori

1.8. Acţionează asupra grupărilor sulfurice ale donorilor

1.9. Acţionează asupra grupărilor hemului ca donor

1.10. Acţionează asupra difenolilor şi substanţelor asemănătoare lor

1.11. Acţionează asupra H₂O₂ ca acceptor

1.12. Acţionează asupra H₂ ca donor

1.13. Acţionează asupra unui singur donor cu оncorporare de oxigen (oxigenaze)

1.14. Acţionează asupra unei perechi de donori cu оncorporarea oxigenului оntr-un singur donor (hidrolaze)

2. Transferaze

2.1. Transferă grupări care conţin un singur atom de carbon

2.2. Transferă resturi aldehidice sau cetonice

2.3. Aciltransferaze

2.4. Glicoziltransferaze

2.5. Transferă grupări alchil sau оnrudite

2.6. Transferă grupări cu azot

2.7. Transferă grupări care conţin fosfor

2.8. Transferă grupări care conţin sulf

3. Hidrolaze

3.1. Acţionează asupra legăturilor esterice

3.2. Acţionează asupra compuşilor glicozilici

3.3. Acţionează asupra legăturilor eterice (tiolice)

3.4. Acţionează asupra legăturilorilor peptidice (peptidhidrolaze)

3.5. Acţionează asupra legăturilor C-N, altele decвt cele din legăturile peptidice

3.6. Acţionează asupra legăturii acidoanhidridice din acizi

3.7. Acţionează asupra legăturii C-C

3.8. Acţionează asupra legăturii halogenilor

3.9. Acţionează asupra legăturii P-N

4. Liaze

4.1. C-C liaze

4.2. C-O liaze

4.3. C-N liaze

4.4. C-S liaze

4.5. C-halogen liaze

5. Izomeraze

5.1. Racemaze şi epimeraze

5.2. Cis-trans izomeraze 5.3. Oxidoreductaze intramoleculare

5.4. Transferaze intramoleculare

5.5. Liaze intramoleculare

6. Ligaze (sintetaze)

6.1. Participă la formarea legăturilor C-O

6.2. Participă la formarea legăturilor C-S

6.3. Participă la formarea legăturilor C-N

6.4. Participă la formarea legăturilor C-C

II.2.4. Reprezentanţi ai principalelor clase de enzime

Oxidoreductaze

Oxidoreductazele sunt enzime care biocatalizează reacţiile de oxidoreducere din organismele vegetale şi animale. Ele au un rol important deoarece, prin reacţiile de oxidoreducere, organismele îşi procură cea mai mare parte din energia necesară activităţilor fiziologice. Reacţiile de oxidoreducere se realizează prin transfer de electroni şi prin transfer de atomi de hidrogen. După mecanismul de acţiune, oxidoreductazele se clasifică în trei subgrupe:

• dehidrogenaze;

• transelectronaze;

• oxidaze.

Dehidrogenaze

Oxidările biologice decurg preponderent în absenţa oxigenului, fiind de fapt dehidrogenări, care au loc prin transfer de atomi de hidrogen de pe o moleculă (care se oxidează) pe altă moleculă (care se reduce). Enzimele care catalizează transferul atomilor de hidrogen de la un substrat la altul sunt dehidrogenazele. Coenzimele lor participă continuu la oxidări şi reduceri, fără să se consume în timpul reacţiei. Atomii de hidrogen nu rămвn legaţi în mod permanent pe molecula coenzimei, ci sunt transferaţi printr-o nouă reacţie redox pe o altă moleculă. După natura acceptorului de atomi hidrogen, dehidrogenazele pot fi:

• dehidrogenaze anaerobe;

• dehidrogenaze aerobe.

a) Dehidrogenaze anaerobe

Dehidrogenazele anaerobe sunt oxidoreductaze care transportă hidrogenul în interiorul celulelor, de la un substrat donor la altul acceptor (cu excepţia O₂ atmosferic). Coenzimele care realizează această transformare sunt codehidrazele de natura piridinnucleotidică:

• codehidraza I (Co I): NAD nicotinamidadenindinucleotida;

• codehidraza II (Co II): NADP nicotinamidadenindinucleotida fosfat.

Structura chimică a NAD

Codehidrazele piridinnucleotidice au o structură dinucleotidică. În compoziţia lor intră nicotinamida (vitamina PP), două molecule de riboză, acid pirofosforic şi adenină. NADP-ul are în plus faţă de NAD un rest de acid fosforic la atomul C₂ al ribozei legate de adenină.

Ambele coenzime (NAD şi NADP) se pot prezenta în două forme: o formă redusă şi o formă oxidată. Mecanismul reacţiei de oxidoreducere implică transformarea reversibilă a structurii bazei azotate nicotinamidice (NAD, respectiv NADP) din forma oxidată în forma redusă, prin transferul reversibil al atomilor de hidrogen, astfel:

În transportul hidrogenului, rolul principal revine nucleului piridinic. Codehidraza oxidată preia de pe substrat doi atomi de hidrogen, pe care îi fixează unul la C₄ şi unul la atomul de N₁ (structură de ion cuaternar de amoniu). Se formează un produs instabil, care prin eliminarea unui proton de la N₁ se transformă în forma redusă. Deoarece formele oxidate au la atomul de azot sarcina pozitivă, este corect să se scrie formula acestor coenzime NAD+ şi NADP+, iar pentru formele reduse NADH+H+ (nu NADH2 şi NADPH2). Codehidrazele I şi II pot suferi reacţii de interconversiune în prezenţa ATP-ului şi sub acţiunea fosfatazei:

Exemple de enzime dehidrogenaze anaerobe care au în structură NAD+ sau NADP+: alcooldehidrogenaza (implicată în fermentaţia alcoolică), aldehiddehidrogenaza, izocitricdehidrogenaza (implicată în ciclul Krebs) etc.

b) Dehidrogenaze aerobe

Dehidrogenazele aerobe sunt enzime oxidoreductaze care transportă hidrogenul de la un substrat donor la oxigenul liber (acceptor), formînd apa oxigenată, care va fi descompusă ulterior de peroxidaze sau catalaze. Coenzimele componente care realizează acţiunea biocatalitică sunt de natură flavinnucleotidică:

• FMN flavinmononucleotida

• FAD flavinadenindinucleotida.

Ambele coenzime au ca şi componentă principală vitamina B₂ cu structură izoaloxazinică. Componenta proteică (apoenzima) este de obicei o albumină. Legătura dintre apoenzimă şi coenzimă se desface uşor în mediu acid şi în prezenţa sulfatului de amoniu. Flavinmononucleotida (FMN) este formată dintr-un nucleu izoaloxazinic, din ribitol şi acid fosforic.

Legătura dintre FMN şi apoenzimă se poate realiza la nivelul nucleului izoloxazinic şi la nivelul acidului fosforic. Dintre flavinenzimele mononucleotidice se pot menţiona: fermentul galben respirator, L-aminoacidoxidaza etc.

Flavinadenindinucleotida (FAD) este formată dintr-un nucleu izoloxazinic, ribitol, acid pirofosforic şi adenină. FAD are o structură de dinucleotidă, fiind formată prin unirea a două mononucleotide: FMA şi AMP.

Mecanismul transferului de atomi de hidrogen оn condiţii aerobe este posibil datorită transformării reversibile a structurii nucleului izoaloxazinic (vitamina B₂) din structura FAD. Nucleul izoaloxazinic se poate prezenta sub o formă oxidată, cu duble legături conjugate şi o formă redusă, fără legături duble la atomii de azot N₁ şi N₁₀. Forma oxidată a flavinenzimelor este colorată, iar forma redusă este incoloră.

Dintre flavinenzimele cu FAD se pot menţiona: xantinoxidaza, D-aminoacidoxidaza, succindehidrogenaza, glucozoxidaza, aldehidoxidaza etc.

• Glucozoxidaza acţionează asupra substratului glucoză, pe care o oxidează la acid gluconic:

Transelectronaze

Transelectronazele sunt enzime care catalizează reacţii de oxido-reducere care decurgprin transfer de electroni de pe un donor pe un acceptor. Dacă donorul este:

• Oxigenul, enzimele sunt transelectronaze aerobe;

• Nu este oxigenul, enzimele sunt transelectronaze anaerobe.

Transelectronazele sunt reprezentate prin cromoproteidele citocromi, constituiţi dintr-o parte proteică (apoenzima cu caracter bazic) şi o coenzimă cu structură feriporfirinică (citocromul propriu-zis). Transportul de electroni se realizează prin modificarea cifrei de oxidare a fierului:

Fierul porfirinic se leagă prin două legături coordinative de atomul de azot imidazolic al aminoacidului histidina din catena polipeptidică a enzimei. Citocromii sunt prezenţi numai în celulele aerobe şi participă la realizarea procesului de respiraţie. Cantitatea lor în celule depinde de capacitatea respiratorie a celulei. Se cunosc mai multe tipuri de citocromi care se deosebesc între ei prin substituenţii nucleelor pirolice, potenţialul redox etc. Eliberarea şi transportul de electroni se realizează prin trecerea citocromului din starea feroasă (Cit. Fe²⁺) în starea ferică (Cit. Fe³⁺), în prezenţa O₂ şi a citocromoxidazei. Citocromii deţin, ca transportori de electroni, un rol important în catena de respiraţie celulară (lanţul respirator). Ei participă, ca intermediari, la procesul de formare a apei, produs final al metabolismului glucidic. Energia eliberată în procesele de oxidare (H - e− = H+) este stocată în moleculele de ATP care se sintetizează. Transferul de electroni de la un tip de citocrom la altul se face în ordinea potenţialelor redox:

Citocrom b → citocrom c1 → citocrom c → citocrom a → citocrom a3

În toate organismele vegetale şi animale s-au identificat citocromii a1, a3, b, b1, b5, c1 etc. Citocromii b3, b6, b7, f, s-au identificat numai în plante, iar citocromii c2, c3, b4 numai în microorganisme.

Oxidaze

Oxidazele sunt enzime oxidoreducătoare care catalizează reacţiile dintre diferite substraturi şi oxigenul molecular sau cel peroxidic. Oxidazele se clasifică în:

• oxigenaze;

• hidroxilaze;

• oxidaze transportoare de electroni.

a) Oxigenazele determină combinarea directă a substratului cu oxigenul molecular. Ele catalizează reacţii de tipul:

Exemple de enzime oxigenaze: lipoxidaza, care catalizează oxidarea acizilor nesaturaţi din ţesuturilor vegetale, indoloxidaza, triptofanoxidaza etc.

1. Hidroxilazele (monooxigenaze) sunt enzime care catalizează oxidarea

substratului cu formarea concomitentă a apei. Din oxigenul molecular, un atom va servi la oxidarea substratului iar celălalt la formarea apei:

Reacţiile au loc în prezenţa unui donor de hidrogen (AH₂) care poate fi: NADH + H+, NADPH + H+, FADH₂ etc. Cele mai importante dintre enzimele hidroxilaze sunt: fenilalaninhidroxilaza, lizinhidroxilaza, steroidhidroxilaza etc.

c) Oxidazele transportoare de electroni conţin în moleculă ioni metalici (Cu, Fe) şi catalizează reacţia de oxidare a substratului cu ajutorul oxigenului atomic foarte reactiv. Enzimele care conţin atomi de cupru se numesc cuproxidaze, cele care conţin atomi de fier se numesc feroxidaze.

Dintre cuproxidaze fac parte fenolazele (fenoloxidaze, răspîndite în regnul vegetal), enzime care catalizează oxidarea fenolilor la chinone, ascorbicoxidaza, care catalizează oxidarea acidului ascorbic la acid dehidroascorbic, tirozinaza etc. Dintre feroxidaze, cele mai importante sunt peroxidazele şi catalazele. Peroxidazele descompun apa oxigenată numai în prezenţa unui acceptor de oxigen sau a unui donor de hidrogen:

Peroxidazele catalizează şi reacţii de polimerizare, cum ar fi, formarea melaninei şi a ligninei. Ele sunt răspîndite preponderent în plante, în organite denumite peroxizomi. Catalazele descompun apa oxigenată cu degajare de oxigen:

Ca şi peroxidazele, catalazele sunt răspîndite în celulele vegetale unde acţionează prin descompunerea apei oxigenate, substanţă toxică pentru organismele vii, care se formează sub acţiunea unor flavinenzime sau a radiaţiilor. Ca donatori de atomi de hidrogen pot funcţiona: metanolul, etanolul, fenolii, aminoacizii etc.

Transferaze

Sunt enzime care biocatalizează reacţiile de transfer de atomi sau grupe de atomi de la o moleculă donor la una acceptor. Coenzimele care realizează acţiunea catalitică a transferazelor sunt foarte diferite din punct de vedere chimic, iar energia de legătură a grupării transferate este păstrată. În funcţie de natura grupării transferate deosebim următoarele tipuri de enzime transferaze:

• metiltransferaze (transmetilaze), enzime care transferă grupe metil (-CH₃);

• transaminaze, care transferă grupa amino (-NH₂);

• transfosfataze, care transferă resturi de acid fosforic (-H₂PO₃);

• transaldolaze, transferă grupe carbonil aldehidice (RCH=O);

• transcetolaze, transferă grupe carbonil cetonice (R₂C=O);

• transacilaze, transferă grupe acil (R-C=O) etc.

Dintre substanţele donatoare de grupe metil se pot menţiona: colina, diferite betaine, nicotina etc. Aceste substanţe donatoare au, în general, grupa metil legată de un atom de azot sau de sulf. Dintre acceptorii de grupări metilice fac parte: colamina, cisteina, nicotinamida, glicina. Dintre coenzimele transaminazelor importanţă deosebită au piridoxalfosfatul şi piridoxaminfosfatul.

Transferul diferiţilor radicali acil (proveniţi din acizi organici) este catalizat de coenzima A (HS~CoA), care participă la numeroase procese biochimice. Coenzima A este un precursor important în biosinteza colesterolului, a acizilor graşi, de care se leagă printr-o legătură macroergică (~). Partea activă a coenzimei A este gruparea tiolică (-SH) din cisteamină, de aceea coenzima se notează prescurtat HSCoA. Formarea acil-CoA din acizii organici, se realizează cu consum de energie şi decurge în prezenţa ATP-ului şi a enzimelor tiokinaze:

Coenzima A este formată din adenină, riboză fosforilată, acid pirofosforic, acid pantotenic şi cisteamină. Structura chimică a coenzimei A este:

Legătura dintre coenzima A şi radicalul acil este o legătură macroergică, care eliberează la hidroliză 8 Kcal/mol. Coenzima A şi acetilcoenzima A (CH₃-CO~SCoA) apar frecvent, în organismele vii, la încrucişarea unor căi biochimice, contribuind la stabilirea unor corelaţii metabolice între glucide şi lipide. Este un precursor important în biosinteza acizilor graşi, a fitolului (component al clorofilei), în biodegradarea aerobă a glucidelor etc.

• Transfosfatazele (fosfotransferaze) sunt enzime care catalizează transferul de radicali fosfat -H₂PO₃ de pe un donor pe un acceptor, fără formare de acid fosforic liber (H₃PO₄). Transfosfatazele poartă denumiri caracteristice, în funcţie de natura donorului şi a acceptorului:

- fosfomutaze (transfosfataze), dacă transferul grupei fosfat se produce în aceeaşi moleculă, de la o poziţie la alta:

- fosfokinaza catalizează transferul restului de acid fosforic sau pirofosforic de pe ATP pe un acceptor A, conform reacţiei:

• Transglicozidazele catalizează biosinteza şi biodegradarea oligoglucidelor, poliglucidelor şi a

unor glicozide, reacţii care decurg cu transfer de radicali glicozil.

- Nucleozidfosforilazele catalizează reacţiile reversibile de biosinteză, respectiv biodegradare a nucleozidelor prin transferul bazelor purinice pe riboză sau deoxiriboză.

- Nucleotidfosforilazele catalizează reacţiile de biosinteză şi biodegradare a nucleotidelor.

- Polizaharidfosforilazele catalizează reacţiile de transfer de resturi glicozil de pe un ester fosforic pe o poliglucidă acceptoare, cu formarea unei poliglucide superioare.

Hidrolaze

Sunt enzime care catalizează scindarea legăturilor chimice din compuşii biochimici cu implicarea ionilor apei. Hidrolazele au un rol important în procesul de germinare a seminţelor şi în procesul de digestie. Ele determină hidroliza unor substanţe compuse care conţin în moleculă legături covalente: C-O, C-N, C-S, C-C, P-N etc. În general, reacţiile de hidroliză sunt reversibile, însoţite de variaţii de energie, mai ales în cazul hidrolizei tioesterilor cu coenzima A. Unele dintre cele mai importante hidrolaze sunt:

• C-O hidrolazele (esteraze şi glicozidaze);

• C-N hidrolazele (amidaze şi peptidaze).

a) Esterazele sunt enzime care scindează legături esterice şi anume:

• fosfoesteraze, care catalizează scindarea hidrolitică a monoesterilor şi diesterilor acidului fosforic cu formarea acidului ortofosforic şi a unui alcool:

Fosfodiesterazele scindează hidrolitic legătura fosfodiesterică dintre nucleotide. Din clasa esterazelor fac parte şi lipazele, lecitinazele, colesterolesterazele, clorofilazele, pectinazele, sulfatazele etc.

• carboxilesterazele scindează legăturile din esterii acizilor carboxilici:

Din această subclasă a hidrolazelor fac parte:

- lipazele (glicerolesterhidrolazele), care catalizează hidroliza gliceridelor cu formare de glicerol şi acizi graşi superiori;

- fosfolipazele, care eliberează acizii graşi superiori din α- şi Я-glicerofosfatide;

- tioesterazele, enzime care catalizează scindarea moleculelor tioesterilor.

De exemplu, acil-SCo A hidrolazele scindează legătura tioesterică din acil-coenzima A:

b) Glicozidazele (carbohidrazele) sunt hidrolaze care catalizează scindarea legăturilor glicozidice din oligo- şi poliglucide, conform reacţiei generale:

Glicozidazele prezintă specificitate faţă de: tipul de glucid (glicozidaze, galactozidaze etc.), natura legăturii (α-sau β-glicozidică), tipul de stereoizomer (D sau L).

Exemple de glicozidaze:

c) Amidazele sunt hidrolaze care scindează legătura C-N din amide. De exemplu, ureeaza catalizează descompunerea ureei оn CO₂ şi amoniac:

Amidazele catalizează şi transformarea amidelor în amoniac şi acizii corespunzători; de exemplu, amidaza glutaminaza catalizează scindarea glutaminei în acid glutamic şi amoniac.

d) Peptidazele sunt hidrolaze care acţionează asupra legăturilor peptidice -CO-NH- din interiorul moleculelor peptidice sau proteice (endopeptidaze), sau de la capetele catenelor peptidice (exopeptidaze), eliberînd aminoacizii componenţi. Endopeptidaze mai importante sunt: pepsina, tripsina, catepsina, chimozina etc. Exopeptidazele (enzimele care eliberează aminoacizii terminali din catena peptidelor sau proteinelor) se clasifică în:

• aminopeptidaze, sunt exopeptidaze care catalizează scindarea hidrolitică a legăturii peptidice de la extremitatea catenei care posedă un aminoacid terminal cu grupa –NH₂ liberă;

• carboxipeptidaze, sunt exopeptidaze care catalizează scindarea hidrolitică a legăturii peptidice de la extremitatea catenei care posedă un aminoacid terminal cu grupa -COOH liberă.

Liaze

Liazele sunt enzime care catalizează reacţiile de scindare de legături chimice şi îndepărtarea unor grupe din substrat, printr-un mecanism care decurge fără implicarea proceselor redox sau hidrolitice. Liazele determină scindarea legăturilor C-C, C-N, C-O, C-S, C-X etc. Dintre liazele mai importante fac parte:

• decarboxilazele (C-C liaze);

• dehidratazele (C-O liaze);

• dezaminazele (C-N liaze);

• desulfhidrazele (C-S liaze).

a) Decarboxilazele sunt liaze care catalizează reacţiile de decarboxilare a substraturilor cetoacizi şi aminoacizi, conform reacţiilor:

Enzima liaza implicată în decarboxilarea aminoacizilor are drept grupare prostetică piridoxalfosfatul (derivat al vitaminei B6), iar liaza care catalizează decarboxilarea cetoacizilor are drept grupare prostetică tiaminpirofosfatul (derivat al vitaminei B1).

b) Aldehidliazele catalizează scindarea legăturii C-C cu formare de produşi carbonilici. De exemplu, o enzimă implicată în metabolismul glucidic este aldolaza (fructozo-1,6-difosfatliaza), care scindează fructozo-1,6-difosfatul în două trioze: aldehida fosfoglicerică şi hidroxoacetonfosfatul.

c) Dehidratazele catalizează scindarea legăturilor C-O cu formare de apă.

Exemple de dehidrataze sunt: aconitaza, fumaratdehidrataza care catalizează

transformarea acidului malic în acid fumaric (reacţie din ciclul Krebs de biodegradare aerobă a glucidelor):

Dehidrataza enolaza catalizează transformarea acidului 2-fosfogliceric în acid fosfoenolpiruvic (vezi biodegradarea anaerobă a glucidelor).

d) Dezaminazele sunt liaze care catalizează reacţiile de dezaminare intramoleculară cu formarea acizilor nesaturaţi. De exemplu, aspartaza, catalizează dezaminarea acidului aspartic cu formare de acid fumaric:

Izomeraze

Izomerazele sunt enzime care catalizează reacţiile de izomerizare ale diferitelor substraturi. După natura reacţiei de izomerizare catalizată se pot clasifica astfel:

• racemaze;

• epimeraze;

• izomeraze cis-trans;

• oxidoreductaze intramoleculare.

a) Racemazele acţionează asupra substraturilor cu un singur centru de simetrie, catalizînd interconversia formelor D şi L ale aminoacizilor, hidroxiaminoacizilor, monoglucidelor etc. De exemplu, alaninracemaza izomerizează izomerul steric L-alanina la D-alanina

b) Epimerazele acţionează asupra substraturilor cu mai multe centre de simetrie, catalizînd reacţiile de epimerizare ale monoglucidelor. Importanţă biologică au racemazele şi epimerazele care intervin în metabolismul glucidic.

De exemplu, epimerizarea UDP-glucozei în UDP-galactoză sub acţiunea UDP-glucozoepimerazei:

c) Izomerazele cis-trans catalizează interconversia celor doi stereoizomeri. Izomerazele cis-trans sunt larg răspîndite în natură, la procesul de interconversie participînd şi glutationul. De exemplu, maleatcistransizomeraza catalizează transformarea acidului maleic în acid fumaric:

d) Oxidoreductazele intramoleculare catalizează reacţiile de interconversiune a aldozelor şi cetozelor, care implică reducerea concomitentă a grupei aldehidice la alcool primar şi oxidarea grupei alcool secundar la cetonă. De exemplu, sub acţiunea fosfotriozizomerazei, aldehida 3-fosfoglicerică se izomerizează la hidroxoacetonfosfat:

e) Transferazele moleculare catalizează reacţiile de transfer intramolecular a unor grupe acil, fosfat, amino etc. De exemplu, transferul grupei fosfat de la un atom de carbon al unei glucide la alt atom de carbon din molecula glucidei respective.

Ligaze

Ligazele sunt enzime care catalizează formarea de legături chimice noi între două substraturi. Deoarece formarea noilor legături se realizează cu consum de energie, aceste reacţii sunt cuplate cu hidroliza unor legături din compuşii macroergici (în special din nucleotidele trifosforilate, ATP, UTP, CTP, GTP):

În funcţie de tipul de legături chimice noi formate liazele pot fi:

• carboxilaze (C-C ligaze);

• aminoacilsintetaze (C-O ligaze);

• aminoacidamidsintetaze (C-N ligaze);

• acilcoenzima A sintetaze (C-S ligaze).

1. Carboxilazele sunt enzime care catalizează fixarea CO₂ pe un substrat. De exemplu:

piruvatcarboxilaza catalizează transformarea acidului piruvic în acid oxalilacetic (vezi biodegradarea aerobă a glucidelor):

Carboxilazele au ca şi coenzimă vitamina biotină şi sunt răspîndite în regnul vegetal.

b) Aminoacidsintetazele catalizează activarea aminoacizilor din citoplasmă în vederea participării lor la biosinteza proteinelor, prin intermediul tARN (vezi biosinteza proteinelor).

c) Aminoacidamidsintetazele catalizează formarea legăturilor C-N în reacţia de sinteză a amidelor unor aminoacizi. De exemplu: asparaginsintetaza catalizează formarea asparaginei din acidul asparagic

(aspartic):

II.2.5 sisteme multienzimatice

În organism, alături de enzimele bine individualizate, cu structură specifică, care prezintă specificitate de substrat şi de acţiune, sunt prezente şi sisteme enzimatice sau complexe multienzimatice constituite din două sau mai multe enzime, care catalizează reacţii succesive sau cuplate, a căror acţiune catalitică este interdependentă. Reacţiile succesive se pot reda prin următoarea schemă de reacţii:

Enzimele E₁, E₂, E₃, care acţionează asupra substraturilor A, B, C, sunt dependente funcţional, se intercondiţionează. Produsul de reacţie obţinut prin acţiunea enzimei E₁ formează substratul de acţiune pentru enzima E₂, iar asupra produsului său de reacţie va acţiona enzima E₃ etc. Interdependenţa funcţională a sistemelor enzimatice se bazează pe un suport morfologic comun, respectiv, enzimele au o distribuţie spaţială dependentă de structura organitelor celulare.

Un asemenea sistem multienzimatic este cel din mitocondrii, care catalizează reacţiile care decurg în procesul de respiraţie, sistemul format din enzimele participante la biosinteza şi biodegradarea acizilor graşi, sistemul multienzimatic format din cinci componente: hexakinaza, izomeraza, fosfohexokinaza, aldolaza, glicofosfodehidrogenaza, care acţionează în metabolismul glucidic, în procesul glicolizei etc.

ENZIMELE ALOSTERICE (EFECTUL ALOSTERIC)

Enzimele alosterice sunt constituite din mai multe unităţi proteice, care pe lîngă situsul catalitic, mai posedă şi un situs alosteric la care se poate lega efectorul alosteric (activator sau inhibitor). Controlul alosteric al enzimelor este foarte important în reglarea metabolismului.

Prefixul alo se referă la existenţa pe moleculele enzimelor a unuia sau mai multor centrii de legătură (situs alosteric), alţii decît cei ai situsului activ, de care se leagă efectorii alosterici, modificînd structura spaţială a enzimei.

Pentru o concentraţie de substrat dată, un efector pozitiv creşte activitatea enzimatică, cînd se leagă la centrul alosteric, pe cînd un efector negativ scade activitatea enzimatică. O enzimă poate, datorită unui efector alosteric, să se modifice atît de mult, încît să nu mai poată cataliza o reacţie decît în prezenţa activatorului alosteric (efectul vitezei maxime).

Un exemplu îl constituie piruvatcarboxilaza care este practic inactivă în absenţa efectorului acetilcoenzima A. Se poate concluziona că, în general, un efector alosteric stabilizează o anumită conformaţie a unei enzime (fie ea cea activă sau cea inactivă). Inhibiţia alosterică are o importanţă fiziologică deosebită şi se desfăşoară prin mecanism de inhibiţie feed-back sau retroinhibiţie), aflat sub control genetic.

De exemplu, la biosinteza ferporfirinelor sau a colesterolului, produsul final al reacţiei enzimatice acţionează ca inhibitor alosteric asupra produsului de la începutul lanţului de reacţii. Creşterea concentraţiei lui stopează practic reacţia; dacă produsul este utilizat în întregime, sinteza se reia, deoarece efectul alosteric este reversibil. Enzimele alosterice reflectă capacitatea organismelor vii, vegetale şi animale, de a coordona activităţile lor celulare, astfel încît să se realizează un echilibru între procesele anabolice şi catabolice esenţiale pentru viaţă.

III. Biochimia dinamică

Biochimia dinamică studiază ansamblul transformarilor chimice şi fizico-chimice ale substanţelor constituente ale materiei vii, însoţite de schimbări în conţinutul de energie (metabolism). Metabolismul, cu cele două laturi, anabolismul şi catabolismul, constituie alături de alte caracteristici esenţiale (ereditatea, variabilitatea, autoreproductibilitatea, etc.), trăsătura esenţială a materiei vii.

Anabolismul cuprinde procesele de sinteză şi creştere a complexităţii biomoleculelor şi este asociat cu consumul de energie (reacţii endergonice). În organismele autotrofe (celule clorofiliene, bacterii nitrificante, organisme vegetale superioare), substanţele organice sunt sintetizate (prin fotosinteză) din substanţe minerale (în primul rînd CO₂), folosind ca sursă de energie, energia luminoasă. Organismele heterotrofe nu-şi pot sintetiza substanţele organice din cele de natură minerală, ci trăiesc pe seama substanţelor sintetizate de organismele autotrofe, folosind ca sursă de energie, energia chimică.

Catabolismul cuprinde reacţiile de biodegradare a biomoleculelor cu structură complexă în biomolecule cu structură simplă (CO₂, NH₃, H₂O), procese biochimice care decurg cu eliberare de energie (reacţii exergonice).

Transformările metabolice se desfăşoară în organismele vii (vegetale şi animale) în condiţii fiziologice (la temperatură normală, pH caracteristic fiecărei părţi a organismului), în mod continuu, într-o strвnsă interdependenţă, sub acţiunea biocatalizatorilor enzime, şi prin reglarea fină, mediată de hormoni.

III.1. Metabolismul glucidelor

III.1.1. Biosinteza (anabolismul) glucidelor

Biosinteza monoglucidelor

Biosinteza monoglucidelor poate fi exprimată printr-o reacţie globală, pornind de la CO₂ şi H₂O, substanţele precursoare, practic inepuizabile în natură:

Energia necesara biosintezei poate fi realizata prin: (a) chimiosinteză, (b) fotosinteză.

a) Chimiosinteza furnizează energia necesară biosintezei compuşilor organici prin oxidarea unor compuşi anorganici: H₂, H₂S, FeCO₃, NH₃, etc., cu ajutorul hidrogeno-bacteriilor, sulfobacteriilor, ferobacteriilor, bacteriilor nitrificante, etc.

Importanţa biologică a chimiosintezei constă în faptul că se demonstrează posibilitatea eliberării energiei necesare sintezei materiei vii, de către celulele autotrofe, în medii minerale.

b) Fotosinteza, procesul de asimilare a CO₂ de către plantele verzi, este calitativ si cantitativ, cel mai important proces biochimic de pe planetă, deoarece reprezintă:

• principala sursă de materie organică (se transformă C mineral din CO₂ în C organic);

• unica sursă de oxigen

• singurul proces celular care foloseşte drept sursă energetică lumina, pe care o transformă în energie chimică. Locul de desfăşurare a fotosintezei îl reprezintă cloroplastele, produse de organite specializate ale celulelor plantelor verzi. Acestea posedă ADN propriu, care codifică partea proteică şi un tip special de membrană, denumită tilacoidă, care conţine pigmenţii clorofilieni şi sistemele transportoare de electroni. In cloroplaste, se găsesc alături de clorofile (a, b, c, d) şi pigmenţi carotenoidici, care absorb energia luminoasă şi o cedează clorofilei a, singura capabilă să o transforme în energie chimică. Moleculele clorofilelor sunt dispuse în plantele verzi sub forma unor unităţi funcţionale denumite fotosisteme, astfel încît, la absorbţia luminii să se producă rapid un transfer de energie de rezonanţă.

Fotosinteza reprezintă în esenţă, un proces biologic de oxido-reducere, în care lumina este direct implicată în transferul electronilor şi în generarea de ATP.

Fotosinteza se realizează în două etape greu de delimitat, datorită rapidităţii cu care se succed foarte rapid:

• fotoreacţia (etapă care necesită prezenţa luminii)

• scotoreacţia (etapă care nu necesită implicarea luminii la transformarea

CO₂ şi H₂O în moleculele de glucide)

Fotoreacţia, prima etapă a fotosintezei, este condiţionată de prezenţa energiei luminoase, necesară fotoactivării pigmenţilor (clorofile, carotenoide) din cloroplaste. Fotosistemele în care decurge absorbţia luminii, reacţia cu clorofila şi eliberarea electronilor, deci a poteţialului reducător, sunt implicate în două procese foarte importante:

• fotoliza apei şi reducerea NADP

• depozitarea energiei chimice în compusul macroergic ATP.

Schematic acest proces complex, poate fi reprezentat astfel:

a) fotoactivarea pigmenţilor din cloroplaste (reacţie de oxidare)

clorofila + hν (cuante de lumină) → clorofila fotoactivată+ + e-

b) fotoliza apei

c) fosforilarea fotosintetică a ADP (transformarea energiei luminoase în energie chimică)

Suma reacţiilor parţiale, se poate scrie ecuaţia globală a fotoreacţiei (ecuaţia lui

Hill):

Scotoreacţia, a doua etapă a fotosintezei, poate decurge şi în absenţa luminii şi cuprinde:

• reacţia de asimilare fotosintetică a CO₂ absorbit prin frunze din atmosferă, sau rezultat din alte procese biochimice ;

• obţinerea celor mai simple monoglucide (triozele aldehida fosfoglicerică şi hidroxoacetonfosfatul), prin participarea produselor fotoreacţiei, ATP ca activator energetic, NADPH +H+ ca agent reducător.

• obţinerea primei hexoze (fructozo-1,6-difosfat) de la care se pot biosintetiza oligoglucide şi poliglucidele, sau care poate participa la regenerarea ribulozei-1,5- difosfat, necesară asimilării CO₂.

Succesiunea de reacţii ale scotoreacţiei constituie ciclul Benson-Calvin.

Dacă aspectul fundamental diferit al fotosintezei, faţă de alte procese biochimice, îl constituie folosirea energiei luminoase pentru a scinda fotolitic apa, a reduce NADP şi pentru a stoca energia luminoasă sub formă de energie chimică în ATP, reacţiile scotoreacţiei începînd de la metabolitul acid-3-fosfogliceric sunt asemănătoare celor produse în ficatul organismelor animale. Singura etapă caracteristică organismelor vegetale este formarea metabolitului acid 3-fosfogliceric, care implică asimilarea CO₂ de către pentoza ribulozo-1,5-difosfat, prin intermediul celei mai răspîndite proteine de pe planeta-ribulozo-1,5-difosfatcarboxilaza. Şase molecule de ribulozo-1,5-difosfat (30 de atomi de C în total) şi şase molecule de CO₂ (6 atomi de C) reacţionează formînd 12 molecule de acid 3-fosfogliceric (36 de atomi de C). Dintre acestea, 2 molecule (2 C3) sunt utilizate pentru a stoca glucide hexoze (C6). Cele 10 molecule de acid fosfogliceric rămase (30 atomi de C) produc 6 molecule de ribulozo-1,5-difosfat (30 atomi de C). Secvenţa de reacţii este complexă şi implică glucide pentoze, trioze, hexoze, care se transformă prin reacţii de aldolizare, de transcetolizare, etc, biocatalizate de enzime specifice.

Biosinteza pentozelor

Pentozele, glucide deosebit de importante pentru organismele animale şi vegetale (riboza este componentă a acizilor nucleici şi a multor coenzime, iar ribuloza este acceptorul primar la asimilarea fotosintetică a CO₂), se pot forma prin două căi metabolice:

• calea (ciclul) pentozofosfaţilor (degradarea glucozo-6-fosfatului rezultat prin izomerizare din fructozo-6-fosfat)

• combinarea triozelor cu aldehida acetică sau aldehida glicolică.

Biosinteza oligoglucidelor

Biosinteza oligoglucidelor reprezintă un proces secundar al fotosintezei, respectiv transformarea hexozelor formate în diglucide, triglucide, etc. Legăturile glicozidice dintre moleculele de monoglucide pot fi realizate enzimatic prin două reacţii diferite:

• transglicozilare (cazul biosintezei amilopectinei şi glicogenului)

• cuplarea unor resturi de glucide activate în prealabil cu compuşi macroergici (UTP, GTP). Zaharoza (zahărul) este prima diglucidă apărută în procesul de fotosinteză şi este uşor asimilată de plante. Zaharoza se poate biosintetiza în cantităţi mici din ester glucozo-1-fosfat şi fructoză, sub influenţa biocatalitică a enzimei zaharozofosforilazei, prin eliminarea unei molecule de acid fosforic. În cantităţi mari, zaharoza se biosintetizează prin activarea uneia dintre componente (glucoza) cu compusul macroergic acid uridintrifosforic (UTP).

Diglucida maltoza se biosintetizează după un mecanism asemănător zaharozei, în care esterul glucozo-1-fosfat este transformat în uridindifosfatglucoza (UDPG) pentru a reacţiona cu glucozo-1-fosfat, cu formarea maltozei-1-fosfat.

Biosinteza poliglucidelor

Biosinteza poliglucidelor de rezervă glicogen (regnul animal) şi amidon (regnul vegetal) decurge cu mare viteză şi începe cu transformarea glucozo-6-fosfat în glucozo-1-fosfat, reacţie catalizată de enzima fosfoglucomutaza.

Primul pas în sinteza glicogenului în organismele animale este reacţia cu compusul macroergic UTP, cu formarea uridindifosfatglucozei (UDPG), care este apoi transferată pe resturile de glucoză sau pe un fragment poliglucidic cu formarea glicogenului, sub influenţa enzimei glicogensintetaza. Glicogensintetaza necesită drept starter o catenă poliglucidică de cel puţin 4 resturi de glucoză, la care să se lege succesiv alte molecule de UDPG. Ramificarea prin legături C₁ - C₆ pe catena glicogenului este catalizată de o enzimă de ramificare denumită glucanaza. În plante şi în multe bacterii, sinteza amidonului decurge asemănător glicogenului, fiind catalizată de enzima amidonsintetaza.

III.1.2. Biodegradarea (catabolismul) glucidelor

Biodegradarea glucidelor în organismele vii, vegetale şi animale, este un proces oxidativ, generator de energie (exergonic), care constă în transformarea moleculelor de glucide (poliglucide, oligoglucide, monoglucide) în compuşi mai simpli, cu masă moleculară mai mică. Biodegradarea glucidelor poate decurge, în funcţie de condiţii, în două etape:

• biodegradarea (catabolismul) anaerobă

• biodegradarea (catabolismul) aerobă

Catabolismul anaerob decurge în organismele vii în absenţa oxigenului, pe două căi metabolice:

• biodegradarea glicolitică (glicoliza), un ciclu de reacţii prin care glucoza este transformată în acid piruvic şi se formează ATP.

• Biodegradări fermentative: (a) fermentaţia anaerobă de diferite tipuri (alcoolică, lactică, butirică, etc.) avînd ca produs final: alcoolul etilic, acidul lactic, acidul butiric şi CO₂, respectiv, fermentaţia aerobă.

Biodegradarea glicolitică a glucidelor (glicoliza) una dintre căile metabolice care demonstrează universitalitatea proceselor biochimice, a fost complet elucidată pînă în anul 1940 (mai ales datorită savanţilor G. Embden, O. Meyerhoff, J, Parnas, de unde şi denumirea ciclului de transformări ciclul Embden - Meyerhoff - Parnas. Toate reacţiile glicolizei decurg în citosolul celulelor. Procesul de biodegradare a poli-glucidei amidon decurge prin parcurgerea următoarelor etape:

• scindarea legăturilor C₁ –C₆ glicozidice din amiloză pe cale hidrolitică (sub acţiunea enzimei amilaza), sau pe cale fosforolitică (sub acţiunea enzimei transglucozidaza), cu eliberarea unei molecule de ester glucozo-1-fosfat;

• legăturile C1–C6 glicozidice din amilopectina sunt scindate hidrolitic de către enzima amilo-1,6-glucozidaza;

• în cazul în care glicoliza porneşte direct de la glucoză este necesară fosforilarea prealabilă cu ATP în prezenţa enzimei hexokinaza (activată de prezenţa ionilor de Mg²⁺ sau Mn²⁺) cu formarea esterului glucozo-1-fosfat;

• esterul glucozo-1-fosfat (ester Cori) este izomerizat la ester glucozo-6-fosfat (ester Robinson) sub acţiunea fosfoglucomutazei;

• următoarea etapă a glicolizei constă în izomerizarea glucozo-6-fosfatului la fructozo-6-fosfat (ester Neuberg). Aceasta este o reacţie de conversie a unei aldoze într-o cetoză, sub acţiunea enzimei fosfohexozizomeraza;

• are loc a doua reacţie de fosforilare (sub acţiunea ATP şi a fosfofructokinazei) a fructozo-6-fosfatului cu formarea fructozo-1,6-difosfatului (ester Harden-Young), ultima glucidă cu şase atomi de carbon din ciclul glicolizei;

• sub acţiunea biocatalitică a enzimei aldolaza, esterul fructozo-1,6-difosfat este scindat în aldehida 3-fosfoglicerica şi dihidroxiacetonfosfat. Toate celelalte etape ale glicolizei decurg numai cu unităţi formate din cîte 3 atomi de carbon;

• glicoliza decurge în continuare prin intermediul aldehidei-3-fosfoglicerice, la care este convertit şi dihidroxiacetonfosfatul, sub acţiunea fosfotriozizomerazei.In etapele precedente, glicoliza a decurs cu scindarea unei molecule de glucoză în două molecule de aldehidă 3-fosfoglicerică, cu consumarea a doi moli de ATP:

• urmează o etapă foarte importantă din punct de vedere al producerii de energie- fosforilarea oxidativă a aldehidei-3-fosfoglicerice în acid 1,3-difosfogliceric, care decurge în prezenţa enzimei fosfogliceroaldehiddehidrogenazei avînd drept coenzimă NAD.

Energia eliberată în această reacţie de oxido-reducere se înmagazinează în ATP prin legătura macroergică apărută între ADP si H₃PO₄;

• în ultima etapă a glicolizei se formează acidul piruvic şi o a doua moleculă de ATP printr-o secvenţă de reacţii care implică:

- o reacţie de defosforilare (în prezenţa ADP, a fosfoglicerokinazei şi a ionului Mg²⁺) a acidului 1,3-difosfogliceric la acid 3-fosfogliceric (ester Nilson).

- izomerizarea acidului 3-fosfogliceric la acid 2-fosfogliceric, reacţie catalizată de enzima fosfogliceromutaza.

- transformarea acidului 2-fosfogliceric în acid 2-fosfoenolpiruvic, sub acţiunea enolazei.

- defosforilarea acidului 2-fosfoenolpiruvic sub acţiunea piruvatkinazei, în prezenţă de ADP, Mg²⁺ şi K⁺, cu formarea acidului piruvic şi a ATP.

Acidul piruvic este unul dintre cei mai importanţi metaboliţi, finalul biodegradării anaerobe şi compusul de la care începe biodegradarea aerobă a glucidelor. El reprezintă, de asemenea, o punte de legătura cu protidele şi cu lipidele. Glicoliza este reprezentată în schema de reacţii următoare prezentat schema 3.1

Biodegradarea aerobă a glucidelor reprezintă etapa de desăvîrşire a biodegradării glucidelor şi decurge prin transformarea acidului piruvic, produsul final al glicolizei, în acetilcoenzima A, care va fi, în final, oxidată total la CO₂ şi H₂O. Ciclul acidului citric (sau ciclul Krebs, sau ciclul acizilor tricarboxilici) reprezintă calea metabolică comună de descompunere oxidativă a glucidelor, lipidelor şi aminoacizilor. Principiul de funcţionare a metabolismului poate fi enunţat astfel:

• moleculele organice complicate sunt scindate în unităţi C₂ (acid acetic activat)

• biodegradarea unităţilor C₂ conduce la formarea a doi moli de CO₂ şi 2 atomi de H .

Schema 3.1 Glicoliza

• produsul final H₂O apare în lanţul respirator din atomii de hidrogen de pe coenzime şi oxigen, cu depozitarea unei părţi din energie sub forma compusului ATP .

• spre deosebire de glicoliză, care decurge în citosol, reacţiile ciclului Krebs decurg în mitocondrii -

• biodegradarea aerobă a glucidelor este precedată de 2 reacţii importante:

- decarboxilarea acidului piruvic cu formarea acetilcoenzimei A, compus macroergic

- carboxilarea acidului piruvic la acid oxalilacetic, care prin reacţia cu acetilcoenzima A va forma acidul citric.

Decarboxilarea acidului piruvic reprezintă etapa de legătura între glicoliză şi ciclul acidului citric. Reacţia este catalizată de enzima piruvatdehidrogenaza şi poate fi reprezentată astfel :

Decarboxilarea se produce printr-o succesiune de reacţii intermediare, catalizate fiecare de cîte o enzimă din sistemul multienzimatic al piruvatdehidrogenazei, cu participarea coenzimelor specifice: tiaminpirofosfatul (TPP), NADP+, HSCoA, acidul lipoic, Mg²⁺.

Prima etapă constă în decarboxilarea acidului piruvic, cu producerea CO₂ şi a unei grupe hidroxietil ataşată tiaminpirofosfatului. Grupa hidroxietil este transformată în acetilcoenzima A, cu reducerea NAD+, proces denumit decarboxilare oxidativă.

Conversia acidului piruvic la acetilcoenzima A este ireversibilă, ca urmare acizii graşi superiori nu pot fi transformaţi în glucoză în organismele animale, deşi bacteriile şi plantele o pot face, printr-un mecanism special. Atomii de H fixaţi de NADP+ si FAD în etapa de decarboxilare oxidativă şi rezultaţi şi din alte etape ale ciclului, se vor combina cu oxigenul, cu formarea apei (în aşa numitul ciclu respirator).

Carboxilarea acidului piruvic este o etapă în care are loc fixarea CO₂ activat cu biotinilenzima şi cu ATP la acidul piruvic, cu formarea acidului oxalilacetic.

Biosinteza acidului citric decurge ireversibil, prin condensarea aldolică a acetilcoenzimei A cu acidul oxalilacetic, sub influenţa enzimei citratsintetaza. Energia necesară reacţiei este furnizată prin hidroliza legăturii macroergice din acetilcoenzima A.

• deshidratarea acidului citric la acid cis-aconitic şi hidratarea la acid izocitric (ambele etape) sunt catalizate de enzima aconitaza.

• urmează prima din cele patru reacţii de oxido-reducere din ciclul Krebs şi anume, dehidrogenarea acidului izocitric cu ajutorul enzimei izocitricdehidrogenaza, avînd drept coenzima NADP+ şi formarea acidului oxalilsuccinic.

• prima decarboxilare din ciclu, decurge la acidul oxalilsuccinic, un Я-acid instabil, care se decarboxilează cu ajutorul izocitricdehidrogenazei, cu formarea acidului cetoglutaric.

• a doua decarboxilare oxidativă din ciclu, a acidului cetoglutaric la succinilcoenzima A, care prin hidroliză formează acidul succinic, decurge cu participarea aceluiaşi sistem enzimatic întîlnit la etapa de decarboxilare a acidului piruvic la acetilcoenzima A (α-cetoglutaricdehidrogenaza)

• ultimele reacţii ale ciclului constau în transformarea în trei etape a acidului succinic în acid oxalilacetic:

- oxidarea (dehidrogenarea cu FAD) a acidului succinic la acid fumaric

- hidratarea acidului fumaric la acid malic

- oxidarea (dehidrogenarea cu NAD+) a acidului malic la acid oxalilacetic

Acidul oxalilacetic regenerat poate asigura continuarea aceleiaşi succesiuni de reacţii, cu eliberare de energie stocata sub forma de FADH şi NAD+.

Bilantul general al ciclului Krebs poate fi reprezentat astfel:

Sensul metabolic al ciclului constă în :

• oxidarea restului acetil (CH₃CO-) din acetilcoenzima A rezultată din acid piruvic, la CO₂ , substanţă оn care carbonul este complet oxidat la C4+ .

• din cele patru reacţii de oxidare rezultă 8 atomi de H, legaţi de coenzimele NAD+ şi FAD, care sunt participanţi la lanţul respirator, unde de-a lungul unui sistem enzimatic specific, suferă reacţii de oxidare la H+, formă sub care reacţionează cu O₂-, formînd H₂O şi eliberînd energie.

Procesul de respiraţie tisulară (lanţul respirator) poate fi reprezentatat, sumar, astfel:

Ciclul Krebs(Schema 3.2) operează în sens unic datorită celor trei reacţii care decurg ireversibil:

• sinteza acidului citric din acetilcoenzima A şi acid oxalilacetic

• decarboxilarea acidului izocitric la acid α-cetoglutaric

• dehidrogenarea acidului α-cetoglutaric

Energia eliberată treptat, în cursul reacţiilor este înmagazinată sub forma legăturilor macroergice ale compuşilor macroergici GTP, ATP şi eliberată treptat în funcţie de nevoile organismului (procese de biosinteză, energie osmotică, electrică, mecanică, calorică, etc.).

În următoarea schemă este reprezentată succesiunea reacţiilor din ciclul Krebs. Importanţa ciclului Krebs decurge din faptul că, constituie o cale comună de biodegradare a glucidelor, a lipidelor si protidelor (prin substanţele intermediare provenite din acestea). Cetoacizii rezultaţi în ciclul citric, pot servi la biosinteza aminoacizilor (corelaţie între glucide şi protide), iar prin intermediul acetilcoenzimei A se stabileşte corelaţia metabolică dintre glucide şi lipide.

Se poate concluziona că, prin interrelaţiile metabolice stabilite între glucide-lipide-protide, ciclul Krebs reprezintă o sursă de substrat şi de energie necesară tuturor proceselor metabolice.

Biodegradarea fermentativă a glucidelor

Biodegradările fermentative sunt procese de descompunere, predominant anaerobă, ale glucidelor datorate activităţii fiziologice a unor microorganisme. Au o importanţă practică deosebită, contribuind la circuitul elementelor în natură, la fertilizarea solului, la obţinerea unor compuşi utilizaţi în industria alimentară, chimică, farmaceutică.

Fermentaţiile anaerobe (în absenţa oxigenului )

Fermentaţiile anaerobe (în absenţa oxigenului) se pot clasifica, după natura substanţelor finale în:

- fermentaţia alcoolică

- fermentaţia lactică

- fermentaţia butirică

- fermentaţia propionică

Schema 3.2 Chiclul Krebs

a) Fermentaţia alcoolică a glucidelor decurge sub influenţa drojdiilor Saccharomices cerevisiae. Mecanismul este identic cu cel al glicolizei, pînă la acidul piruvic. În continuare, acidul piruvic este decarboxilat la acetaldehidă, (în prezenţa catalizatorului piruvatdecarboxilaza, avînd drept coenzimă tiaminpirofosfatul. Acetaldehida este apoi redusă la etanol cu enzima alcooldehidrogenaza şi NADH + H+.

În decursul fermentaţiei alcoolice rezultă şi produşi secundari: acetaldehidă, acid lactic, alcool amilic, acid succinic, etc., care trebuiesc separaţi prin distilare fracţionată.

b) Fermentaţia lactică este întîlnită în mod normal în diferite microorganisme, dar şi în muşchi la efort intens depus în condiţii de concentraţii de reduse de oxigen.

Mecanismul fermentaţiei lactice este analog glicolizei, pînă la acidul piruvic. Mai departe, acidul piruvic se transformă printr-un proces de reducere enzimatică în acid lactic sub acţiunea enzimei lactatdehidrogenaza avînd drept coenzima NADH+H+.

Fermentaţia lactică se aplică în industria alimentară la prepararea iaurtului, murăturilor, panificaţie, etc.).

c) Fermentaţia propionică este un proces de degradare anaerobă a glucidelor, care decurge sub acţiunea unor bacterii specifice, în urma căruia se obţine, comparativ cu fermentaţia alcoolică şi cea lactică, o cantitate mai mare de ATP, respectiv, cîte 2 moli de ATP/mol de glucoză.

Fermentaţia propionică este utilizată, alături de fermentaţia lactică, în industria

alimentară la fabricarea brînzeturilor, pentru activarea unor procese biochimice din sol, etc.

d) Fermentaţia butirică constă în bioegradarea glucidelor de către anumite microorganisme, cu formarea acidului butiric.

Decurge cu descompunerea unei mari cantităţi de substanţă organă, în soluri mlăştinoase, în nămoluri, în bălţi, cu degajare de miros neplăcut.

Fermentaţia aerobă (în prezenţa oxigenului)

Fermentaţia aerobă este un proces biochimic care decurge în prezenţa oxigenului. Mecanismul de reacţie este similar cu cel al fermentaţiei alcoolice, pînă la etapa de formare a aldehidei acetice, după care, în urma procesului de oxidare, se formează acid acetic. Acidul acetic poate fi biodegradat pînă la CO₂ şi H₂O.

III.2. Metabolismul lipidelor

III.2.1. Biosinteza (anabolismul) lipidelor simple gliceride

Biosinteza lipidelor (simple şi complexe) reprezintă procese metabolice importante în organism, deoarece lipidele (sub forma trigliceridelor) prezintă importanţă biologică ca substanţe de înmagazinare a energiei în organism (căldura de ardere = 39 kcal/g, în comparaţie cu cea a glucidelor = 17 kcal/g), iar lipidele complexe (fosfolipide, glicolipide, lipoproteine) intră în structura membranelor celulare sau au importanţă biologică deosebită, de reglare a funcţiilor celulare, reglarea colesterolului, a steridelor etc.

Biosinteza (anabolismul) lipidelor începe în cea de-a doua etapă a fotosintezei, scotoreacţia, prin formarea acidului 3-fosfogliceric, compus implicat atît în biosinteza lipidelor simple gliceride, cît şi a celor complexe.

Pentru biosinteza gliceridelor se biosintetizează în prezenţa enzimelor caracteristice elementele componente, glicerol şi acizii graşi superiori, etapă urmată apoi de biosinteza propriu-zisă a lipidelor simple gliceride.

Biosinteza glicerolului

Biosinteza glicerolului decurge în strînsă corelaţie cu metabolismul glucidic. Aldehida 3-fosfoglicerică şi hidroxoacetonfosfatul, cele două trioze fundamentale rezultate la glicoliză (biodegradarea anaerobă a glucidelor), sau la plante, în a doua etapă a fotosintezei (scotoreacţia) sunt reduse la 3-fosfoglicerol, din care, prin defosforilare rezultă glicerolul liber.

Biosinteza acizilor graşi superiori

Principalele locuri de biosinteză a acizilor graşi în organism sunt ficatul şi celulele adipoase. Urmărind etapele metabolismului (relaţiile dintre reacţiile de oxidare a glucidelor, lipidelor, aminoacizilor pentru producerea de energie) se poate observa că precursorul biogenetic al acizilor graşi superiori este acetilcoenzima A (CH3CO~SCoA).

Transformarea acizilor graşi în acetilcoenzima A poate fi parcursă şi în sens invers, ca transformare a acetilcoenzimeiA în acizi graşi. Faptul că acizii graşi sunt biosintetizaţi din acetilcoenzima A, explică numărul par de atomi de C din catena lor. Excesul de glucide conduce la depunerea de grăsimi, deoarece glucoza este transformată în acid piruvic, iar acesta, în final în acetilcoenzima A. Deoarece această etapă este însă ireversibilă, acetilcoenzima A nu se poate transforma în acid piruvic, deci grăsimile nu pot fi convertite în glucoză în organismele animale (spre deosebire de plante şi bacterii).

Biosinteza acizilor graşi superiori are loc atunci cînd necesarul energetic al organismului este acoperit şi acetilcoenzima A nu mai intră în ciclul Krebs, furnizor de energie. Biosinteza acizilor graşi se poate realiza pe două căi metabolice :

a) calea malonilcoenzimei A (calea citoplasmatică)

b) calea mitocondrială

Biosinteza acizilor graşi superiori pe calea mitocondrială (calea elongaţiei) decurge la nivelul mitocondriilor, pornind de la acizi graşi cu catena scurtă. Drept partener de reacţie al componentei iniţiale - radicalul hidrocarbonat-coenzima A, este în acest mecanism acetil-coenzima A (în locul malonil-coenzimei A). Reacţiile sunt aceleaşi ca la procesul de Я-oxidare, cu o singură excepţie, reducerea legăturii duble decurge cu NADPH + H+ în loc de FADH+H+. Se pare că această cale de biosinteză este mai scurtă pentrul acidul acetic, comparativ cu calea malonil-coenzimei A.

Etapele prin care se realizează creşterea catenei acizilor graşi sunt aceleaşi cu cele ale căii malonil - coenzimei A, respectiv, (a) formarea cetoacidului gras activat, (b) formarea hidroxoacidului gras activat, (c) biosinteza acidului gras nesaturat activat, (d) biosinteza acidului saturat cu doi atomi de carbon in plus în catenă.

Biosinteza acizilor graşi nesaturaţi este necesară organismului pentru producerea lipidelor polare constituente ale membranelor celulare şi pentru alte necesităţi. Aceştia rezultă din acizi graşi saturaţi, prin dehidrogenare catalizată de enzime specifice. De exemplu, un sistem enzimatic din ficat poate introduce o singură legătură dublă, în mijlocul catenei acidului stearic, generînd acidul oleic. Sistemul enzimatic nu poate introduce şi alte legături duble, de aceea acidul linoleic cu două duble legături şi acidul linolenic (cu trei duble legături) nu pot fi sintetizaţi în organism ci sunt preluaţi numai prin alimentaţie.

În plante, creşterea indicelui de iod, odată cu avansarea spre coacere, dovedeşte posibilitatea transformării acizilor graşi saturaţi în acizi graşi nesaturaţi.

Biosinteza acizilor fosfatidici şi a gliceridelor (acilglicerolilor)

Acizii graşi rezultaţi prin biosinteză vor fi stocaţi în organism sub formă de esteri cu glicerina, sub forma aşa numitelor grăsimi neutre, sau gliceride. Legătura esterică nu se formează pornind de la glicerol, ci de la glicerolfosfat, forma activată energetic (cu ATP) şi implicînd acizii graşi activaţi cu acetil-coenzima A.

Enzima care biocatalizează procesul este glicerinkinaza din ficat, care reacţionează rapid cu acizii graşi, dar care lipseşte practic în ţesuturile grase şi în muşchi.

În prima etapă rezultă acizi fosfatidici (monoacil- şi diacilfosfatidici). Prin defosforilare cu o enzimă fosfatază şi esterificare cu un alt mol de acil-coenzimă A, se formează triacilglicerol (triglicerida), care se depozitează ca grăsime neutră.

Biosinteza lipidelor complexe

Lipidele complexe sunt componente de bază ale membranelor celulare. Din punct de vedere chimic sunt gliceroaminfosfatide, compuşi care prezintă o legătură esterică la radicalul fosforil formată cu un alcool polar (bază azotată), conform formulei generale:

Biosinteza bazelor azotate (serina, colamina, colina)

Biosinteza bazelor azotate se realizează pornind de la acidul 3-fosfogliceric, după următoarea schemă de reacţii:

Biosinteza gliceroaminfosfatidelor

Lipidele cele mai răspîndite în membranele celulelor eucariote sunt colaminfosfatidele şi colinfosfatidele. Biosinteza lor se realizează prin parcurgerea următoarelor etape:

- biosinteza acizilor fosfatidici

- activarea bazei azotate cu compuşii macroergici ATP şi CTP

- esterificarea acizilor fosfatidici (sau a gliceridelor) cu baza azotată activată.

III.2.2. Biodegradarea (catabolismul) lipidelor

Biodegradarea gliceridelor

Hidroliza enzimatică a trigliceridelor (triacilgliceroli) decurge sub acţiunea enzimelor lipaze, care le scindează în etape, în diacil-, monoacilgliceroli (di- şi monogliceride). Aceste enzime sunt controlate hormonal de către adrenalină şi glucagon, care acţionează lipolitic. Hidroliza grăsimilor alimentare decurge în intestinul subţire biocatalizată de lipază, pancrează, activată de sărurile acizilor biliari. Produşii hidrolizei grăsimilor, glicerolul şi acizii graşi superiori, urmează în metabolism căi diferite.

Biodegradarea lipidelor complexe sau catabolismul lipidelor complexe se realizează în etape, prin hidroliză enzimatică, cu eliberarea tuturor componentelor structurale: baze azotate, acizi fosfatidici, acid ortofosforic. Cu excepţia acidului fosforic (ortofosforic) fiecare dintre componente se biodegradează specific.

a) Biodegradarea bazelor azotate

Decurge sub acţiunea enzimelor specifice:

2. Biodegradarea acizilor fosfatidici decurge sub acţiunea enzimelor din clasa hidrolazelor, numite lipaze (fosfolipaze), care eliberează acidul fosforic, di- şi monogliceridele, iar în final glicerolul.

c) Biodegradarea glicerolului este corelată cu metabolismul glucidic. Glicerolul poate fi fosforilat sub acţiunea fosfokinazei şi a ATP (în ficat) la fosfoglicerol, care prin oxidare (cu fosfogliceroldehidrogenaza şi ATP) se transformă în aldehida fosfoglicerică.

Aceasta poate participa la biosinteza poliglucidelor sau se poate biodegrada de-a lungul ciclului E.M.P (pînă la acid piruvic) şi ciclului Krebs pînă la CO₂ şi H₂O, cu eliberare de energie.

3. Biodegradarea acizilor graşi superiori decurge în mitocondrii, în prezenţa sistemelor enzimatice specifice. Deoarece acizii graşi sunt relativ inerţi chimic, ei trebuie activaţi prin transformare în tioesteri, cu ajutorul coenzimei A, a compusului macroergic ATP, a Mg²⁺ şi a enzimei acil-coenzima A-sintetaza (tiokinaza). Printr-o succesiune de reacţii inverse celor de la biosinteza acizilor graşi superiori, catena de acid gras superior este scindată în unităţi de 2 atomi de C, sub formă de acetil-coenzime A (CH₃ –CO~SCoA).

Deoarece reacţiile decurg la atomul de carbon din poziţia Я (faţă de grupa carboxil, descompunerea se numeşte calea Я-oxidării (spirala Knoop-Lynen). Acizii graşi saturaţi cu număr împar de atomi de C se biodegradează după acelaşi mecanism al Я-oxidării, după o prealabilă reacţie de carboxilare în prezenţa coenzimei A, a biotinei, a ATP şi Mg²⁺ (conversie la acid gras cu număr par de atomi de carbon). Produsul biodegradării acizilor graşi superiori cu număr impar de atomi de carbon este însă acidul propionic, nu acetil-coenzima A.

III.3. Metabolismul protidelor

Cele mai multe dintre protidele organismelor superioare sunt continuu biodegradate şi biosintetizate. La om şi animale, timpul de înjumătăţire biologică a albuminelor din plasmă este de 20-25 de zile, cînd jumătate din cantitatea de albumină este biodegradată şi înlocuită cu una nou sintetizată.

Chiar şi proteinele intracelulare (enzimele) sunt supuse unor procese de biodegradare şi biosinteză continuă în perioade de timp de la cîteva ore la mai multe zile. De aceea, pentru un adult, necesarul de aminoacizi este de 1 g/zi/kg corp, deoarece organismul uman nu poate sintetiza decît jumătate din cei 20 de aminoacizi proteinogeni.

Proteinele animale şi vegetale se asimilează diferit de către organismul uman. Proteinele laptelui, produselor lactate şi din ou se asimilează la 95%, de către organismul uman. Proteinele din pîine se asimilează numai la 62 – 86%, cele din legume – 80%, din cartofi şi boabe – 70%. Procesul tehnologic de prelucrare şi preparare a produsului alimentar influenţează asupra nivelului de asimilare a lor în organismul uman. Măcinarea, temperatura, procesele fermentative şi alte metode metode tehnologice de obţinere a produsului alimentar se manifestă diferit asupra procesului de asimilare a proteinelor din produsul dat.Prepararea tehnologiei evită distrucţia aminoacizilor. Acţiunea termică moderată asupra produsului alimentar, preponderent de origine vegetală, măreşte gradul de asimilare a proteinelor deoarece denaturarea parţială simplifică accesul la legăturile peptidice. Temperaturile ridicate diminuiază asoimilarea proteinelor.

III.3.1 Biosinteza (anabolismul) protidelor

Etapa de biosinteză a protidelor (anabolismul) începe cu biosinteza aminoacizilor, urmată de biosinteza protidelor, în ordinea complexităţii lor:

aminoacizi → peptide → peptone → albumoze → proteine → proteide

(holoproteide) (heteroproteide)

Biosinteza aminoacizilor

Biosinteza aminoacizilor se realizează în principal pe două căi metabolice:

• aminare reductivă a cetoacizilor

• transaminare

• Aminarea reductivă a cetoacizilor reprezintă o cale principală de biosinteză a amino-acizilor, direct din amoniac şi cetoacizii formaţi în organism prin degradarea aerobă a glucidelor (ciclul Krebs).

Aminarea cetoacizilor decurge în prezenţa enzimei glutamatdehidrogenaza care are drept coenzimă NAD+ sau NADP+. Reacţia decurge cu formarea intermediară a unui iminoacid, care va fi redus enzimatic, conform reacţiei:

Se biosintetizează prin acest mecanism aminoacizii: alanina, acid aspartic, acid glutamic din cetoacizii respectivi: acid piruvic, acid oxalilacetic, acid cetoglutaric.

• Transaminarea

Transaminarea constă în transferul grupei amino -NH2 de la un aminoacid la un cetoacid, după un mecanism care cuprinde ca etape intermediare formarea unor baze Schiff:

Transaminarea este catalizată de o enzimă specifică transaminaza care are drept coenzimă piridoxalfosfatul (vitamina B₆). Importanţa deosebită a reacţiilor de transaminare, reacţii biochimice reversibile, constă în realizarea corelaţiei dintre metabolismul glucidic şi cel protidic.

Aminoacizii sunt intermediari la obţinerea altor biomolecule importante, cum ar fi: peptide, proteine, antibiotice (gramicidina), hormoni (adrenalina, noradrenalina).

Biosinteza proteinelor (poliprotidelor)

Proteinele (holoproteide superioare) se sintetizează din aminoacizi printr-un proces continuu şi complex, care decurge cu viteză mare, la nivelul ribozomilor din celule, cu implicarea acizilor nucleici şi a compuşilor macroergici ATP, GTP care furnizează energia necesară proceselor biochimice.

Aminoacizii se unesc în catene macromoleculare, prin legături peptidice, într-o anumită succesiune, conform codului genetic conţinut în ADN. Succesiunea bazelor azotate din ADN este transcrisă (cu respectarea principiului complementarităţii) într-o anumită structură a acizilor mARN şi tradusă cu ajutorul acizilor tARN din codonii mARN pe anticodonii tARN în noua structură proteică (limbajul bazelor azotate din acizii nucleici este tradus în limbajul aminoacizilor proteinei).

Proteinele sunt sintetizate din cei 20 de aminoacizi proteinogeni, iar secvenţa bazelor azotate din mARN reprezintă secvenţa amionacizilor din proteină. Fiecare aminoacid este reprezentat pe mARN printr-o tripletă de baze azotate numită codon (cu cele 4 baze azotate există 64 codoni (triplete) diferiţi). Etapele necesare sintezei proteinelor sunt:

• reduplicarea ADN, constă în desfacerea legăturilor de hidrogen dintre bazele azotate complementare, urmată de desfăşurarea spiralei bicatenare, cu formarea celor două catene polipeptidice simple de ADN;

- transcrierea (transcripţia) mesajului genetic, respectiv o anumită succesiune a bazelor azotate de pe ADN (matriţa) pe catena polinucleotidică a mARN, care este sintetizată cu respectarea riguroasă a complementarităţii bazelor azotate din ADN, cu deosebirea că timina din ADN este înlocuită în mARN cu uracil

- traducerea (translaţia) este o etapă importantă în determinarea caracterului şi însuşirilor unui organism, deoarece limbajul bazelor azotate din acizii nucleici (o anumită secvenţă, respectiv codul genetic) este tradus оn limbajul aminoacizilor constituenţi ai proteinei (o anumită secvenţă a aminoacizilor). Fiecare secvenţă de 3 baze azotate din structura acizilor nucleici constituie un codon, iar fiecărui codon îi corespunde un anumit aminoacid. Conform principiului complementarităţii bazelor azotate, unui anumit codon de pe ADN îi corespunde un anumit codon de pe mARN şi apoi un anticodon de pe tARN.

Reprezentarea acestor etape este redată schematic în figura următoare.

Din punct de vedere biochimic, etapa de traducere (translaţie) reprezintă biosinteza propriu-zisă a macromoleculelor proteice şi cuprinde mai multe etape:

a) activarea enzimatică a aminoacizilor din citoplasmă constă în acţiunea ATP asupra aminoacizilor, în prezenţa enzimei amionoacil- ARN sintetaza şi a ionilor Mg²⁺, cu formarea complexului aminoacil-AMP- enzima.

b) formarea complexului aminoacil-tARN, prin transferul restului aminoacil de la complexul aminoacil-AMP-enzima la capatul C’3 -OH al tARN (se formează o legătură esterică la C’3-OH de la secvenţa terminală a tARN a trinucleotidei CCA. Trinucleotida terminală CCA a tARN are braţul flexibil şi poate adapta grupa aminoacil la poziţia reactivă determinată de pe ribozom.

Evidenţierea modului în care tARN este capabil să identifice poziţia de legare a amino-acidului în lanţul peptidic, poate fi realizată cu ajutorul “modelului trifoi” al tARN:

Legarea corectă a aminoacidului cu tARN corespunzător se datorează specificităţii absolute a enzimei aminoacil-ARN-sintetaza. Se asigură astfel, recunoaşterea codonului de către anticodon (şi nu de către aminoacidul activat).

c) formarea legăturii peptidice decurge pe ribozomi (particule conţinînd rARN, prezente în toate celulele) şi se realizează între aminoacizii transportaţi fiecare de tARN corespunzători (aflaţi pe codonii dictaţi de mesajul genetic înscris pe mARN).

Ribozomii posedă pe suprafaţa lor două situsuri catalitice:

- situsul P (donor), pe care se va găsi complexul aminoacil 1-t1ARN

- situsul A (acceptor), pe care se află complexul aminoacil 2 –t2ARN.

Între cei doi aminoacizi alăturaţi, legătura peptidică -NH-CO- se realizează între grupa carbonil a aminoacidului 1, de pe poziţia donor a ribozomului (corespunzator codonului 1 de pe mARN) şi grupa amino (-NH2) a aminoacidului 2 de pe poziţia acceptor a ribozo-mului (corespunzînd codonului 2 de pe mARN). În urma formării legăturii peptidice între cei doi aminoacizi, molecula de t1 -ARN este eliberată din complexul aminoacid 1-t1 ARN şi poate fi din nou utilizată.

Prin deplasarea ribozomilor de-a lungul mARN (sau deplasarea mARN pe suprafaţa ribozomilor), codonii de pe mARN trec succesiv prin dreptul situsului A de pe ribozomi, dictînd natura complexului aminoacil-tARN care urmează să fie fixat pe acest situs. Dipeptida formată, sub forma complexului aminoacid 1-aminoacid 2–t2ARN, trece pe poziţia donor a ribozomului, lăsînd liberă poziţia acceptor, corespunzator codonului 3 de pe mARN.

d) elongaţia (creşterea lungimii lanţului polipeptidic) se realizează după un mecanism identic cu cel implicat în cazul biosintezei dipeptidei. Situsul P al ribozomului este ocupat cu complexul dipeptidil-t2ARN, iar situsul A este vacant şi se poziţionează la al treilea codon de pe mARN, formвnd complexul aminoacil 3-t3ARN. După formarea noii legături peptidice între grupa carbonil legată de complexul dipeptidil-t2ARN şi grupa amino de la complexul aminoacil 3-t3ARN, are loc deplasarea tripeptidei formate (sub forma complexului AA1-AA2-AA3-t3ARN) pe situsul donor (situs P) al ribozomului cu eliberarea concomitentă a situsului acceptor (situs A) al ribozomului, care se va poziţiona în dreptul codonului 4 de pe mARN, în vederea formării complexului aminoacil-4-t4 ARN.Dacă proteina care urmează a fi sintetizată are, de exemplu, 200 de aminoacizi, etapa finală implică transferul peptidei conţinînd 199 de aminoacizi spre aminoacidul final, legat în complexul cu tARN, cu formarea unui complex proteină-tARN. Capătul N-terminal al proteinei este sintetizat primul, capătul C-terminal, ultimul.

e) Terminarea biosintezei lanţului polipeptidic al proteinei

Lungimea lantului polipeptidic este determinată genetic, prin transcrierea pe mARN a unui codon stop (nu codează nici un aminoacid): UAG, UAA, AGA (pentru care nu există nici un tARN cu anticodoni corespunzători). Aceşti codoni "non-sens" sunt însă recunoscuţi de proteine citoplasmatice specifice, denumite factori de eliberare (protein release factors), care desprind proteina de pe tARN.

Lanţul polipeptidic este eliberat de pe situsul P al ribozomului şi de pe tnARN printr-o reacţie de hidroliză. Ribozomul se detaşează de pe mARN şi este apt pentru o nouă etapă de iniţiere. Lungimea lanţului proteic este determinată genetic, prin transcrierea pe mARN a unui codon stop. Proteinele sintetizate (holoproteide) participă la biosinteza heteroproteidelor, a enzimelor, la îndeplinirea unor funcţii specifice organismului. Concomitent se desfăşoră şi un proces invers, de biodegradare a proteinelor.

III.3.2.Biodegradarea (catabolismul) protidelor

Biodegradarea proteinelor

Proteinele (holoproteidele) libere sau rezultate din biodegradarea heteroproteidelor se scindează pe cale enzimatică în aminoacizii componenţi. Enzimele proteolitice (proteinazele) sunt alături de amilaze cele mai cunoscute şi importante enzime hidrolitice (C-N hidrolaze).

Biodegradarea aminoacizilor

Aminoacizii rezultaţi prin biosinteza sau prin biodegradarea proteinelor pot fi utilizati în continuare la:

- biosinteza proteinelor noi

- biosinteza altor compuşi cu azot în moleculă

- sinteza de aminoacizi (prin transaminare, aminare reductivă)

- biodegradare totală pînă la: NH₃, CO₂, H₂O.

În organismele animale şi vegetale biodegradarea aminoacizilor decurge preponderent prin:

- dezaminări

- decarboxilări simple sau însoţite de dezaminări

- transaminări.

a) Biodegradarea aminoacizilor prin dezaminare

Dezaminările sunt reactii catalizate enzimatic, care constau în eliminarea unor grupe amino (-NH₂), sub formă de amoniac (NH₃) cu formarea unor compuşi ternari (C, N, O) care pot constitui punct de plecare pentru alte transformări biochimice.

• Dezaminarea oxidativă constă în eliberarea a doi atomi de hidrogen, cu formarea unui iminoacid instabil, care în prezenţa apei hidrolizează cu formare de NH₃ şi cetoacid. Enzimele implicate fac parte din clasa oxidoreductazelor şi pot fi: glutamatdehidrogenaza în prezenţa NAD+ sau NADP+, alanindehidrogenaza în prezenţa FAD, etc.

Cetoacizii rezultaţi pot fi metabolizaţi (biodegradaţi) la CO₂ şi H₂O, sau pot fi transformaţi în monoglucide care vor parcurge în sens invers ciclul de biodegradare EMP (glicoliza). Aminoacizii care se pot transforma în cetoacizi se numesc aminoacizi cetogeni, iar cei care se pot transforma în glucoză se numesc aminoacizi glucoformatori.

• Dezaminarea hidrolitică a aminoacizilor conduce la obţinerea NH₃ unui hidroxiacid.

Hidroxiacidul poate fi transformat, în prezenţa dehidrogenazelor în cetoacid, care poate fi metabolizat în continuare prin ciclul Krebs sau poate fi retransformat în aminoacizi.

• Dezaminarea reductivă a aminoacizilor conduce la obţinerea NH₃ şi a acidului saturat cu acelaşi număr de atomi de carbon:

Acidul propionic format, sub forma propionil-coenzimei A este implicat în biosinteza acizilor graşi superiori cu număr impar de atomi de carbon, pe calea malonil-coenzimei A.

• Dezaminarea desaturantă (biocatalizată de enzime din clasa liazelor) are drept produs de reacţie, pe lîngă NH₃, un acid carboxilic nesaturat cu acelaşi număr de atomi de carbon în moleculă:

b) Decarboxilarea aminoacizilor

Decarboxilarea aminoacizilor este o cale de biodegradare importantă, biocatalizată de enzime specifice, aminoaciddecarboxilaze, care au drept coenzima piridoxalfosfatul (vitamina B₆). Ca produşi de reacţie, pe lîngă CO₂, se formează amine primare, denumite amine biogene. Mecanismul reacţiei de decarboxilare este următorul:

Unele dintre aminele biogene rezultate prezintă activitate farmacologică, altele sunt componente ale coenzimelor sau contribuie la sinteza unor heterociclii cu azot (pirol, piridina) care intră în structura unor alcaloizi.

Prin natura compuşilor rezultaţi, reacţiile de biodegradare a aminoacizilor reflectă corelaţiile dintre metabolismul proteic - glucidic - lipidic.

Metabolismul amoniacului

Amoniacul rezultat prin dezaminare ca şi cel preluat de către plante din sol în decursul procesului de nutriţie, este o substanţă toxică; nivele ridicate prezente în sînge impiedică funcţionarea creierului, provocînd comă. De aceea, amoniacul nu este transportat liber de-a lungul ţesuturilor la ficat ci este transformat întîi în amide netoxice.

Căile de metabolizare a amoniacului sunt următoarele:

• fixarea sub forma de amide (îndeosebi ale acidului glutamic şi aspartic)

• participare la biosinteza aminoacizilor, prin aminarea reductivă a cetoacizilor

• formarea de săruri de amoniu ale acizilor organici (oxalic, citric, malonic, fumaric, etc.) din metabolism.

a) Metabolizarea amoniacului prin aminare reductivă (transaminare)

Peste 30% din amoniacul rezultat în muşchi la biodegradarea proteinelor este trimis în ficat, sub formă de alanină (sau glutamină). Alanina formează prin transaminare acid piruvic, care este convertit în ficat la glucoză, care trece apoi în sînge şi din nou în muşchi. Secvenţa de reacţii constituie ciclul glucozo-alaninic. Toate aceste reacţii, în care amoniacul este utilizat la sinteza amidelor sau a unor noi aminoacizi, reprezintă căi de corelaţie a metabolismului protidic cu cel glucidic (ciclul acidului glutamic, ciclul acidului aspartic).

b) Metabolizarea amoniacului prin ciclul ureeogenetic (ciclul ornitinic sau ciclul Krebs-Henseleit).

Plantele superioare, mamiferele, pestii, ciupercile şi bacteriile pot transforma amoniacul în uree, altă formă netoxică de păstrare şi de transport în organism.

În organismele vii, formarea ureei decurge printr-o transformare ciclică complexă, denumită ciclul ureogenetic (ciclul ornitinic sau ciclul Krebs-Henseleit).

c) Fixarea amoniacului sub forma de amide

Glutamina este unul din cei 20 de aminoacizi constituenţi ai proteinelor şi este implicată în biosinteza multor altor metaboliţi (este utilizată ca sursă de azot).

Ureea este produsă în ficat prin scindarea hidrolitică a argininei la ornitină.

Amoniacul de la catabolismul aminoacizilor poate fi utilizat pentru a reface arginina din ornitină, atomul de carbon provenind de la CO₂ din metabolismul glucidic. La realizarea biosintezei ureei participă şi un alt aminoacid, citrulina. Dioxidul de carbon activat enzimatic cu enzima carbamilfosfatsintetaza şi cu aportul energetic al ATP, reacţionează cu NH₃ formînd carbamilfosfatul care reacţionează cu ornitina formînd citrulina. Citrulina reactioneaza cu acidul aspartic (provenit prin trans-aminare din acid oxalilacetic, format în ciclul Krebs), în prezenţa enzimei argininsuccin-sintetaza, a ATP şi ionilor Mg2+, cu formarea acidului argininsuccinic. Acesta este scindat de către argininsuccinliaza în arginină şi acid fumaric (care poate conduce la acid aspartic, оn ciclul Krebs).

Arginina rezultată este scindată de către hidrolaza arginaza în ornitină şi izouree, care se izomerizează la uree, scindabilă sub acţiunea ureeazei în CO₂ şi NH₃, compuşi care pot iniţia biosinteza aminoacizilor, glucidelor, etc.

Ciclul ornitinic (ciclul Krebs–Henseleit) reprezintă şi el o cale de corelaţie a metabolisului proteic, prin aminoacidul ornitina, cu metabolismul glucidic.

Corelaţii biochimice se pot stabili şi între compuşii fundamentali, glucide, lipide, protide şi enzime, hormoni, acizi nucleici, etc. Abordarea compleză a fenomenelor biochimice impune ca, pe lîngă studiul transformărilor diferitelor substanţe, să se ia în considerare şi aspectele energetice ale acestor procese, cu evidenţierea corelării biosintezei, consumatoare de energie, cu biodegradarea, generatoare de energie. Trebuie, în acelaşi timp, acordată importanţa cuvenită influenţei factorilor de mediu în care trăiesc organismele vegetale şi animale, condiţiilor în care îşi procură materia primă (H₂O, CO_2, O₂, substanţe minerale, etc.), cît şi energia necesară biotransformărilor, precum şi influenţei factorilor de mediu (clima, diferite radiaţii, etc.), asupra evoluţiei normale a diferitelor organisme.

Bibliografie

Bodea C. - Tratat de Biochimie vegetală, vol. I, II, III, Editura Academiei R.S.R.,

Bucureşti, 1964 – 1966.

Dinu Veronica, Trutia E., Cristea Elena Popa, Popescu Aurora - Biochimie medicală, Editura medicală, Bucureşti, 1998.

Ionescu M. - Biochimia agricolă, Editura Ceres, Bucureşti, 1970.

Moraru C., Segal B., Banu C., Giurca V., Pana N., Costin G. – Biochimia produselor alimentare, Editura tehnică, Bucuresti, 1971

Neamtu G., Cimpeanu G., Socaciu Carmen - Biochimie vegetala, Editura Didactică şi Petagogică, R.A. Bucuresti, 1993.

Neamţu G., Cimpeanu G., Enache A. - Dicţionar de biochimie vegetală, Editura Ceres, Bucureşti, 1989.

Oeriu S. – Chimie biologică, Tipografia Învaăţămîntului, Bucureşti 1956.

Oeriu S. - Biochimie Medicală, Editura Didactică şi Petagogică, Bucureşti, 1975.

Popescu S. - Biochimia cerealelor, fainurilor şi conservarea lor, Editura Didactică şi Petagogică, Bucureşti, 1964.

Segal Rodica - Biochimie, Universitatea “Dunarea de jos”, Galaţi, 1992.

Soru E. – Biochimie medicală, Editura medicală, Bucureşti, 1959 – 1963.

Tamas V., Serban M., Cotrut M. - Biochimie medicală veterinară, Editura Didactică şi Petagogică, Bucureşti, 1982.

Vasilescu I. – Enzimele, Editura Academiei R.S.R., 1961

49

158