C1_BCH 1_MG 2024-2025 2 PDF

BIOCHIMIE Assoc.Prof.Dr. Georgescu Alina-Florina  Nr. Nr. Tematica cursului - anul I, semestrul I ore 1 Notiuni fundamentale de com...

BIOCHIMIE Assoc.Prof.Dr. Georgescu Alina-Florina  Nr. Nr. Tematica cursului - anul I, semestrul I ore 1 Notiuni fundamentale de compozitie si organizare a lumii vii. 2 2 Reactii chimice in sistemele vii. 2 3 Apa in sistemele vii. 2 4 Proteine.Aminoacizi proteinogeni.Aminoacizi cu rol functional. 2 5 Proteine. Peptide. Peptide cu rol functional. 2 6 Proteine. Structura proteinelor. 2 7 Proteine importante in organism. Colagen. Proteine nucleare. Proteine plasmatice 2 8 Proteine importante in organism. Hemoglobina. Mioglobina. Citocromii. 2 9 Enzime. Structura. Cofactori enzimatici. Actiune catalitica. Izoenzime. Clasificare. 2 Enzime. Cinetica enzimatica. Reglarea activitatii enzimatice. Aplicatii ale enzimelor in 10 2 diagnostic, terapie, reactivi in laboratorul clinic. 11 Vitamine. Generalitati. Clasificare. Vitamine hidrosolubile. 2 12 Vitamine. Vitamine liposolubile. 2 Glucide. Structura. Clasificare. Monozaharide. Derivati de monozaharide.Dizaharide. 13 2 Homopolizaharide. Heteropolizaharide Lipide. Structura. Clasificare. Acizi grasi. Triaciligliceroli. Colesterol. Lipide complexe. 14 2 Componente lipidice ale lipoproteinelor Examen : 25 intrebari (test grila) + 5 subiecte redactionale Notiuni fundamentale de compozitie si organizare a lumii vii Biochimia → studiul proceselor chimice din toate formele de viaţă: microorganisme, plante, insecte, mamifere, etc. → studiul vieţii la nivel molecular Regn: Animalia Încrengătură: Chordata Clasă: Mammalia Ordin: Primates Subordin: Haplorrhini Infraordin: Simiiformes Suprafamilie: Hominoidea Familie: Hominidae Subfamilie: Homininae Trib: Hominini Gen: Homo Specie: H. sapiens Organizarea lumii vii Originea vieții → teoria Supei primordiale ↔ teoria heterotrofica (ipoteza Oparin (1924)- Haldane (1929) → evolutia chimica a vietii (abiogeneza)  Istoria biochimiei 1665- Robert Hooke – a inventat microscopul (Zacharias Janssen – 1590?) Anii 1670 - Antonie van Leeuwenhoek - a obținut o mărire de până la 300 de ori folosind un microscop simplu cu o singură lentilă → 1676: descoperirea microorganismelor – ”animalcules” 1775 - Antoine Lavoisier – mecanismul fotosintezei 1828 - Friedrich Wöhler - prima sinteza de laborator a unui compus organic (ureea) 1833 - Anselme Payen - prima enzima, diastază (amilază) si a celulozei 1839 - Matthias Schleiden , Theodor Schwann – dezvoltarea teoriei celulare 1856 - Louis Pasteur - teoria fermentatiei (dependenta de funcțiile fiziologice ale bacteriilor și ale celulelor vii de drojdie) 1856-1863 – Gregor Mendel - „Legile eredității” 1869 - Friedrich Miescher a identificat „nucleină” în nucleele globulelor albe umane. 1897 - Eduard Buchner - a introdus conceptul de „enzimă” ; fermentatia alcoolica – prima demonstratie a unui fenomen biochimic in afara celulei 1903 - Termenul „biochimie” a fost inventat oficial de chimistul german Carl Neuberg. 1919 - Phoebus Levene - componenta carbohidrata a ARN (riboza) si a ADN-ului (dezoxiriboza), ordinea celor trei componente majore ale unei nucleotide (fosfat, pentoză și bază azotată). 1929 - Karl Lohmann - ATP a fost izolat din mușchi (1940 -Lipmann : ATP = intermediar in transferul energiei) 1937 - Hans Krebs - ciclul citric (ciclu Krebs) 1944 - Erwin Schrödinger “What Is Life?” - bazele moleculare ale vietii 1944 - Oswald Avery, McCarty- ADN-ul este materialul genetic de transfer al informatiei 1950 - Erwin Chargaff : „Regula lui Chargaff” (C=G, A=T) 1953 - James D. Watson, Francis Crick - elucidarea structurii ADN-ului 1957 - Francis Crick – dogma centrala a biologiei moleculare : fluxul unidirecțional al informației : AND-ARN-proteine 1958 - Frederick Sanger - prima structură proteică completă (insulina). 1961 – codul genetic 1977 - Frederick Sanger a secvențiat cu succes genomul unui bacteriofag (>5000 nucleotide), ADN-ul genomului mitocondrial uman (>16 000 nucleotide)  Legatura dintre biochimie si medicina:  toate bolile se manifestă ca defecte în structura moleculelor, a reacţiilor chimice sau a proceselor metabolice.  parametrii biochimici - introdusi in stabilirea predispoziţiei, diagnosticului, evolutiei, prognosticului şi orientării terapeutice într-un mare număr de maladii.  Noi ramuri ale biochimiei: proteomica, transcriptomica, metabolomica- glicomica, lipidomica, genomica, epigenomica, biochimia căilor de semnalizare celulară.  COMPOZIŢIA MATERIEI VII  Distribuţia elementelor chimice în natură şi în corpul uman: Abundenţa elementelor în univers → 1. Abundenţa elementelor în mediul înconjurător pe Pamant Element Simbol % masă Element Simbol % masă Oxigen O 49,5 Clor Cl 0,19 Siliciu Si 25,7 Fosfor P 0,12 Aluminiu Al 7,5 Mangan Mn 0,09 Fier Fe 4,7 Carbon C 0,08 Calciu Ca 3,4 Sulf S 0,06 99,2 0,7 Sodiu Na 2,6 Bariu Ba 0,04 Potasiu K 2,4 Crom Cr 0,033 Magneziu Mg 1,9 Azot N 0,03 Hidrogen H 0,87 Fluor F 0,027 Titan Ti 0,58 Zirconiu Zr 0,023 2. Compoziţia elementară a corpului uman Element % masă Oxigen (O) 65 Carbon (C) 18 Hidrogen (H) 10 3. Compoziţia chimică a corpului uman Azot (N) 3 Substanţa % masă Calciu (Ca) 1,4 Apă 64 Fosfor (P) 1 Proteine 15 Magneziu (Mg) 0,5 Lipide 15 Potasiu (K) 0,34 Glucide 1 Sulf (S) 0,26 Minerale 5 Sodiu (Na) 0,14 Clor (Cl) 0,14 Fier (Fe) 0,004 Zinc (Zn) 0,003  NIVELE DE ORGANIZARE STRUCTURALA  Fiinţele vii → o enormă diversitate : in organismul uman >100 000 de specii moleculare diferite.  Structura acestora → o mare regularitate, bazată pe organizarea ierarhizată a moleculelor componente.  ELEMENTE DE ORGANIZARE FUNDAMENTALĂ A LUMII VII „Teoria Big Bang” - modelul care explică apariția materiei, energiei, spațiului și timpului, existența Universului.  A. Materia este tot ceea ce constituie universul. Substanta - o porţiune omogenă de materie (cu aceleaşi proprietăţi în toată masa sa) cu compoziţie chimică definită - constantă şi invariabilă. Sistemul - un ansamblu de corpuri care poate fi delimitat convenţional de mediul înconjurător şi care în timpul evoluţiei sale se comportă ca un întreg. Faza - o porţiune dintr-un sistem, cu proprietăţi identice în toată masa ei şi separată de restul sistemului prin suprafeţe de separare. sistem omogen = un sistem în care orice porţiune, oricât de mică, are proprietăţi identice cu restul sistemului (este alcătuit dintr-o singură fază). sistem eterogen - format din 2 sau mai multe faze (sistem multifazic).  B. Energia reprezintă capacitatea de a efectua lucru. A. Materia: compoziţie Antichitate: Democrit, Leucip introduc termenul de atom (athomos~ indivizibil) Atomul: este cea mai mică particulă de materie care intră în compoziţia tuturor substanţelor şi care nu se mai poate diviza în cursul reacţiilor chimice. Molecula: este cantitatea cea mai mică de substanţă formată din atomi, care poate exista în stare liberă şi care posedă proprietăţile substanţei respective.  STRUCTURA ATOMULUI  J. Dalton (1766-1844) considera atomul ca fiind cea mai mică particulă a materiei. 1 Protonii  1p Sarcină electrică pozitivă, localizaţi în nucleu Masa reală 1,6752 x10-27 Kg şi masa relativă 1 Sarcină reală 1,6021 x 10 -19 C şi sarcina relativă +1 Neutronii 1 0n Localizati în nucleu, nu au sarcina electrica Masa reală 1,67482 x 10 -27 Kg şi masa relativă 1 Instabili, disociază spontan în : proton, electron şi electron anti-neutrino Electronii  0 1e Localizati in exteriorul nucleului Masa reală 9,1091 x 10 -31 Kg, masa sa este 1/ 1836 din masa protonului Sarcina reală 1,6021 x 10-19 C şi sarcina relativă -1 Atomul rămâne totdeauna nemodificat în cursul reacţiilor chimice.  In prezent, in modelul standard, particulele „elementare” au fost grupate în 3 mari categorii: fermioni (quarci si leptoni)+ bosoni + hadroni (particule compozite)  Număr atomic, număr de masă şi masa relativă a atomilor  Număr atomic: numărul protonilor din nucleu ,se notează cu Z.  Numărul de masă: reprezintă suma dintre numărul de protoni şi neutroni din nucleu, se noteaza cu A. A=Z+N  Izotopi: atomi aparţinând aceluiaşi element care au acelaşi număr atomic Z, dar diferă prin numărul de masă A.  Unitate atomica de masa: reprezinta 1/12 din masa izotopului de 12C (1 u.a.m = 1,6605 x 10-27kg). Se mai numeste si Dalton (Da)  Masa atomică (relativă) a unui element, Ae = un număr care arată de câte ori este mai mare masa atomică a elementului respectiv decât a 12-a parte din masa izotopului 12C. Fiind definită ca un raport, masa atomică nu are dimensiuni.  Masa moleculară (relativă) a unei substanţe = un număr care arată de câte ori masa moleculară a acesteia este mai mare decât a 12-a parte din masa izotopului 12C.  Un atom-gram (mol de atomi) = cantitatea exprimată în grame dintr-un element numeric egală cu masa atomică a acelui element, iar o moleculă-gram (mol) = cantitatea de substanţă (simplă sau compusă) a cărei masă, exprimată în grame, este numeric egală cu masa ei moleculară. 1 Mol = 6.023x1023 particule (numărul lui Avogadro).  Radioactivitatea Din punct de vedere al similitudinilor privind cele trei numere esenţiale în caracterizarea unui nucleu avem: - izotopi, nucleele elmentelor care au acelaşi Z dar A şi N diferit - izobari, nucleele elementelor care au acelaşi A dar Z şi N diferit - izotoni, nucleele elementelor care au acelaşi N dar A şi Z diferit Izotopii se împart la rândul lor în: izotopi stabili (au tendinţa de a avea un număr egal de protoni şi neutroni în nucleu ↔ nu emit particule sau radiaţii) şi izotopi instabili (radioizotopi) care emit particule sau radiaţii (spunem ca elementul se dezintegreaza) Emisia de radiatie ce însoţeşte un proces de dezintegrare este de 3 tipuri:  Emisia de particule  - nucleele ce emit particule  (nuclee de heliu 4 2He , adică un atom de He lipsit de electronii săi) se transformă astfel: A E Z → A-4 Z-2E* + 42He În urma acestei transformări → un izotop al unui element ce se află în tabelul periodic cu două locuri mai la stânga şi având masa cu 4 unităţi mai mică  Emisia de particule  - nucleele ce emit particule  (electroni) se transformă astfel: A E → A + e- Z Z+1E* În urma acestei transformări → un izotop al unui element ce se află în tabelul periodic cu un loc mai la dreapta şi având aceeiaşi masă.  Emisia  - emisia de radiaţie  (radiaţie electromagnetică de energie mare (=10- 14 m) , mai mare decât a radiaţiilor X (=10-12 m)) nu afectează nici pe Z, nici pe A. Situarea elementelor radioactive în sistemul periodic  Descompunerea radioactivă se produce la o viteză globală care face ca după o anumită perioadă de timp = timp de înjumătăţire (T1/2 ) să se producă descompunerea a jumătate din numărul iniţial de nuclee. T1/2 nu depinde decât de natura nucleului şi de numărul de nuclee ce se dezintegrează ! Ex. T1/2 131I = 8.07 zile, T1/2 60Co = 5.26 ani; T1/2 238U de 4.5 miliarde de ani.  Unitatea de măsură pentru radioactivitate = curie ↔ 1 curie corespunde unui material radioactiv care prezintă 37 miliarde de dezintegrări pe secundă Datare cu carbon 14: toate organismele vii absorb carbon din mediul înconjurător, raportul dintre izotopii 14C*:13C:12C menţinandu-se constant. Dupa moarte 14C* se va injumatati tot la 5730 de ani. Evaluandu-se concentratia 14C* din proba analizata se va putea estima vechimea organismului din care provine. Aplicatii in medicina:  distrugerea celulelor tumorale în radioterapie (radioterapie externa cu radiatii X sau γ sau terapia alfa tintita in care un izotop radioactiv este legat de un ligand si va emite radiatie α, distrugand celulele tumorale : Ac-225-PSMA in cancerul metastatic de prostata, 223RaCl2 in metastazele osoase)  explorări funcţionale (de ex. pentru tiroidă) 60Co source  dozări imunologice (tehnica RIA) Legături chimice în compuşii organici : Particularităţi ale atomului de carbon * Legături chimice ce se formează între ioni sau atomi ; sunt legaturi tari: Legătura ionică Legătura covalentă Legătura metalică * Legături fizice care se formează în urma unor interacţiuni de natură fizică între molecule; sunt legaturi slabe: Legături Van der Waals Legături de hidrogen Legături dipol - dipol Atomul de carbon: - are 4 electroni pe ultimul strat (perioadei a 2-a, grupa 14) Poate forma 4 legături covalente cu el însuşi sau cu alte elemente organogene. - singurul element chimic care formează un număr infinit de legături covalente cu el însuşi, generând lanţuri de atomi de carbon, numite catene. - catenele pot fi: liniare, ramificate, ciclice. - poate forma multiple legături covalente sigma si pi - poate fi implicat in legaturi covalent-coordinative Izomeria DEF. Compuşii care au aceeaşi formulă moleculară dar alt aranjament spaţial al atomilor şi implicit proprietăţi diferite se numesc izomeri.  Tipuri de izomerie de constitutie H Izomeria de catenă H3C C C CH3 H3C C CH3 H2 H2 CH3 CH3 H3C C C C CH2 H3C C C CH3 H2 H2 H2 H2 H CH3 H3C C CH3 CH3 Izomeria de poziţie H H3C C C Br H3C C CH3 H2 H2 Br CH2Cl CH3 CH3 CH3 Cl Cl orto meta Cl para  O Izomeria de funcţiune O H3C C C H3C C H2 CH3 H H2C C C OH H H2 Tautomeria (caz particular al izomeriei de funcţiune) a) tautomeria ceto-enolică C C C C O H OH H3C C COOH H2C C COOH O OH b)tautomeria amido-imidică C N C N H3C C NH2 H3C C NH O H OH O OH acetamidă acetimidă c) tautomeria lactam-lactimă NH2 NH2 N N N O N OH H citozină forma lactamică citozina forma lactimică d) tautomeria catena-ciclu H C OH H C O H C OH H C OH O H C OH H C OH cic liz ar e c iclizar e HO C H HO C H HO C H O 1,4 1,5 H C H C OH H C OH H C OH H C OH H C CH2 O H CH2 O H CH2 O H D-Glucofuranoza D-Glucoza D-Glucopiranoza  Stereoizomeria Izomeria de conformaţie Izomeria de configuraţie: enantiomerii şi diastereoizomerii. Moleculele care prezinta atom de C asimetric pot sa se prezinte in doua forme ce se afla in relatia obiect ↔ imagine in oglinda. Aceste doua forme = enantiomeri sau izomeri optici sau antipozi optici (rotesc planul luminii polarizate): dextrogir & levogir Atom de C asimetric = atomul de C substituit cu 4 susbstituenti diferiti. Un astfel de atom de carbon se numeste chiral. Molecula care il contine este la randul ei o molecula chirala Moleculele care au mai multi atomi de C chirali prezinta in plus si diastereoizomerie. Diastereoizomeri fara activitate optica. Formele mezo acidul tartric forma mezo  Diastereoizomerie. Izomeria geometrica cis-trans Izomerie: alchenele sunt izomeri de functiune cu cicloalcanii prezinta izomeri geometrici (cis-trans) B. Energia - capacitatea de a efectua lucru sau de a furniza caldura Energie = Caldura + Lucru Energia se poate prezenta sub mai multe forme: Energie cinetica Energie potentiala Energie chimica Energie nucleara etc. Legea conservarii energiei: energia nu poate fi creata sau distrusa , ea poate doar sa treaca dintr-o forma in alta fotosinteza Energie Energie chimicã radiantã electrolizã pile ardere galvanice transformãri Energie electricã Energie termicã fizice Termodinamica: ştiinţa care se ocupă cu variaţia şi interconversia diferitelor forme de energie ce însoţesc procesele fizice şi chimice Termodinamica, care urmareste schimburile de energie ce insostesc procesele fizice si chimice defineste niste concepte precum: sistemul si mediul (inconjurator) Sistem: un ansamblu de corpuri care poate fi delimitat convenţional de mediul înconjurător şi care în timpul evoluţiei sale se comportă ca un întreg. Mediu: tot ce se afla in afara sistemului Distingem 3 tipuri de sisteme: Daca sistemul este izolat de mediu, atunci energia lui interna Ei ( constituita din suma tuturor formelor de energie ale particulelor ce alcatuiesc sistemul) trebuie sa ramana constanta. Principiul I al termodinamicii: Energia interna a unui sistem izolat este constanta Consecinta: daca sistemul nu e izolat, atunci energia sa interna poate sa se schimbe, iar schimbarea energiei interne este consecinta schimbului de caldura sau lucru cu mediul. ΔE = q - w ΔE = Efinal − Einitial Deosebirea intre lucru (w) si caldura (q) apare doar in mediu: Conventia de semne pentru schimbul de energie al sistemului cu mediul (schimb de energie care poate fi sub forma de caldura sau lucru) este prezentat in figura: ΔE = q - w (conventie de semne Clausius) (*) ΔE = q + w (conventie de semne IUPAC) Deoarece variatia energiei interne (ΔE ) a unui sistem nu depinde decat de starea initiala (Ei)si finala (Ef) a sistemului spunem ca energia interna e o functie de stare ΔE = Efinal − Einitial Entalpia (H) În cazul în care sistemul termodinamic este o reacţie chimică, căldura q = entalpie (H). si evaluează căldura absorbită sau emisă. Variatia de energie ce insoteste un proces chimic la presiune constantă (entalpia) este diferită de cea la volum constant (energia interna). Variatia de entalpie se defineste astfel: H =  E+ PV În sistemele biologice cele mai multe reacţii au loc într-un mare exces de lichid şi în mod normal nu se formează gaze → V este extrem de mică → E şi H sunt echivalente în reacţiile biologice (functii de stare). (∆H = Hfinal - Hinitial ) Dacă entalpia unei reactii H < 0 → reacţie exotermă. Dacă entalpia unei reactii H > 0, → reacţie endotermă. Principiul II al termodinamicii: orice proces care decurge spontan dintr-o stare iniţială dată spre o stare finală dată este însoţit de creşterea gradului de dezordine. Acest concept este definit prin termenul de entropie (S). S = klnW k= ct. lui Boltzmann (k=R/Nr lui Avogadro) W numărul de posibilităţi microscopice de aranjare al particulelor constituente ale sistemului Pentru o reacţie izotermă reversibilă, variaţia de entropie poate fi redusă la ecuaţia: S = H/T Modificarea entropiei sau a dezordinii unui sistem se notează cu ∆S şi reprezintă diferenţa dintre entropia in starea finală şi entropia in starea iniţială: ∆S = Sfinal - Sinitial Ca si energia interna si entalpia, entropia este la randul ei o functie de stare. Pentru a determina variaţia de entropie ce însoteşte o reacţie chimică e necesar să cunoastem entropiile reactanţilor şi ale produşilor de reacţie (se gasesc tabelate) precum şi ecuaţia stoichiometrică a reacţiei: aA + bB ↔ cC + dD ∆Sr= Sprodusi – S reactanti = (cSC+dSD) – (aSA +bSB ) Daca ∆Sr >0 → reactia este favorizata entropic (decurge spontan) Daca ∆Sr < 0 → reactia este defavorizata entropic !!! Toate sistemele tind spre cea mai înaltă dezorganizare şi cea mai joasă energie.  Noţiunea de energie liberă Entalpia unei substante este o măsură a energiei pe care aceasta a dobândit-o la o anumită presiune şi temperatură. Acea parte a energiei care poate fi folosită pentru efectuarea unui lucru numeşte energie liberă Gibbs şi se notează cu G. Partea nedisponibila pentru a efectua un lucru = factor entropic (TS): H = G + TS Energie energie disponibilă energie nedisponibila totală pentru lucru În cazul transformărilor chimice energia dobâdită sau pierdută de sistem se exprimă prin variaţia entalpiei ∆H. Variaţia acestei energii poate fi considerată că se compune din variaţia energiilor disponibile şi nedisponibile: ∆H = ∆G + T∆S → ∆G = ∆H - T∆S. Energia liberă este la randul ei o functie de stare. Variatia de energie libera ce insoteste un proces chimic este data doar de diferentele valorilor de energie libera din starea finala si initiala ∆Gp = ∆Gfinal - ∆Ginitial !!! Pentru ca o reactie sa decurga spontan trebuie satisfacut criteriul: ∆Greactie O Daca ∆Gr O , reactiile = exergonice (spontane de la stanga la dreapta) Daca ∆Gr>O , reactiile = endergonice (spontane in sens invers) Daca ∆Gr= O , reactiile = la echilibru !!! Toate sistemele naturale tind spre o valoare minimă a lui G.