1-160 8. törd roman 03 08.qxp:1-160 7. törd · Proprietăţile chimice ale elementelor şi...

4

Această serie de manuale cuprinde conţinutuldisciplinei de biologie pentru gimnazii în treivolume.

Pentru o înţelegere cât mai uşoară a textelordin manuale, acestea au fost completate cufiguri. Referirile la figuri sunt prezente în text înformatul prezentat mai jos:

notarea figurilor din manual (Fig. 61)

Textele din manual sunt tipărite cu litere deformat normal. Pentru identificarea şi reţinereacât mai uşoară a noţiunilor importante, acesteasunt tipărite cu litere îngroşate sau cursive.

Aliniatele cu litere mărunte, marcate la început cuun pătrat verde, cuprind informaţii suplimentare aletemei prezentate. Şi în aceste părţi vom găsi noţiuniaccentuate cu litere îngroşate sau cursive. Acestemateriale suplimentare completează elementele capi-tolului respectiv cu noi noţiuni sau alte abordări ale

temei respective, uneori prezentând elemente practicelegate de subiect sau completări de natură istorică aletemei. În aceste aliniate găsim foarte multe informaţiilegate de menţinerea sănătăţii şi de modul de viaţăsănătos.

Cele două teme majore ale materiei sunt prezen-tate pe parcursul a şase capitole. La subsolul fie-cărei pagini din manual este trecută denumireacapitolului, ajutând astfel orientarea în conţi -nutul materiei. Capitolele sunt divizate în subuni-tăţi mai mici. Aceste unităţi didactice se terminăcu întrebări. Încheierea unităţilor mai mari seface printr-un rezumat care este util pentru stu-diul individual prin faptul că oferă o retrospecti-vă prescurtată a elementelor principale prezenta-te în capitolul respectiv. La sfârşitul manualului principalele noţiuni suntcuprinse într-un index, în care sunt marcate cuasterisc (*) noţiunile care sunt incluse în materiade bacalaureat.

INTRODUCERE

1-160 8. törd roman 03 08.qxp:1-160 7. törd.qxd 3/8/16 12:37 PM Page 4

STRUCTURA ŞI FUNCŢIONAREACELULEI


6 ELEMENTELE CHIMICE DIN COMPONENŢA CELULEI

Elementele biogene

Proprietăţile chimice ale elementelor şi com-puşilor care intră în componenţa materiei vii aufost prezentate în anii anteriori, în cadrul disci-plinei de chimie. Astfel, acum vom relua doaracele cunoştinţe care ne ajută la înţelegerea rolu-lui biologic al elementelor şi compuşilor chimici.

Din cele peste o sută de elemente chimiceexistente, doar treizeci intră în componenţa celu-lelor vii. Acestea au fost denumite cu termenulgeneric de elemente biogene (Fig. 1).

Între acestea sunt elemente care sunt nece-

sare în cantitate mare pentru oricare organismviu. Dintre acestea, o importanţă deosebită revi-ne carbonului, fapt explicat prin aceea că majo-ritatea compuşilor cu rol important din punct devedere biologic sunt derivaţi ai carbonului.Astfel se explică şi rolul major al fotosintezei înlumea vie, în urma căreia plantele produc com-

puşi organici macromoleculari prin utilizareadioxidului de carbon anorganic. Rolul central alatomului de carbon în formarea moleculelor curol biologic este determinat de mai multe pro-prietăţi ale acestuia. Dintre elementele biogene,carbonul este cel mai simplu atom care poateforma patru legături covalente puternice cu alţiatomi. Deoarece aceste legături se desfac relativgreu, moleculele formate sunt stabile. Pe de altăparte, perechile de electroni care formează aces-te legături covalente sunt plasate în colţurileunui tetraedru imaginar trasat în jurul atomuluide carbon, astfel că stabilitatea moleculelor esteasigurată şi de distribuţia spaţială uniformă aatomilor care se leagă de atomul de carbon (Fig.2). Atomii de carbon se pot cupla între ei înnumăr nelimitat, formând molecule organice subformă de lanţuri cu structură liniară sau ciclică.Printre acestea vom găsi numeroase molecule curol biologic important.

ELEMENTELE CHIMICE DIN COMPONENŢA CELULEI

Fig. 1 Locul elementelor biogene în sistemul periodic al elementelor

elemente prezenteîn cantităţi mici

elemente specifice numaianumitor specii

89Ac

88Ra

87Fr

71Lu

70Yb

69Tm

68Er

67Ho

66Dy

65Tb

64Gd

63Eu

62Sm

61Pm

60Nd

59Pr

58Ce

103Lr

102No

101Md

100Fm

99Es

98Cf

97Bk

96Cm

95Am

94Pu

93Np

92U

91Pa

90Th

86Rn

85At

84Po

83Bi

82Pb

81Ti

80Hg

79Au

78Pt

77Ir

76Os

75Re

74W

73Ta

72Hf

57La

56Ba

55Cs

54Xe

53I

52Te

51Sb

50Sn

49In

48Cd

47Ag

46Pd

45Rh

44Ru

43Tc

42Mo

41Nb

40Zr

39Y

38Sr

37Rb

36Kr

35Br

34Se

33As

32Ge

31Ga

30Zn

29Cu

28Ni

27Co

26Fe

25Mn

24Cr

23V

22Ti

21Sc

20Ca

19K

18Ar

17Cl

16S

15P

14Si

13Al

12Mg

11Na

10Ne

9F

8O

7N

6C

5B

4Be

3Li

2He

1H

elemente prezente încantităţi mari


7ELEMENTELE CHIMICE DIN COMPONENŢA CELULEI

În compuşii cu importanţă biologică, un alt ele-ment frecvent întâlnit în afară de atomii de carboneste hidrogenul. Acesta are un rol important înprocesele energetice ale organismelor vii, deoare-ce în majoritatea organismelor vii are loc oxida-rea hidrogenului din moleculele organice şi for-marea de apă, iar energia eliberată din acest pro-ces este utilizată în procesele vitale. Pentru oxi-darea hidrogenului, organismele utilizează oxige-nul din atmosferă sau din apă. În afară de acestproces, oxigenul apare ca element component îndiferiţi compuşi ai carbonului cu importanţă bio-logică. Oxigenul şi hidrogenul au importanţă vita-lă pentru lumea vie şi ca elementele care compunmolecula de apă. Nitrogenul este un elementindispensabil în primul rând pentru componenţaaminoacizilor şi a bazelor acizilor nucleici.

Dintre substanţele prezente în cantităţi mari înorganismele vii, unele au rol în procesele ener-getice sau intră în componenţa diferitelor mole-cule. Asemenea elemente sunt calciul, magne-ziul, fosforul şi sulful. Alte elemente participă înprocesele biologice ca ioni, cum ar fi sodiul,potasiul sau clorul.

Între elementele biogene există unele caresunt indispensabile fiecărui organism, dar sunt

necesare în cantităţi mici. Unele îşi îndeplinescrolul prin schimbarea stării de oxidare.Asemenea element este fierul, care este stabil şi

în stare de oxidare Fe2+, şi Fe3+, şi astfel poateparticipa în procesele de oxidoreducere fie cadonor de electroni, fie ca acceptor de electroni.Alte elemente sunt componentele anumitormolecule importante din punct de vedere biolo-gic, de exemplu cobaltul sau iodul.

În final, trebuie menţionate şi acele elemente,care au importanţă numai pentru anumite

specii. Asemenea element este siliciul, care segăseşte în scheletul silicic al câtorva specii dealge şi spongieri, fluorul care se află în smalţuldinţilor mamiferelor sau borul, care este necesarpentru dezvoltarea unor plante.

Fig. 2 Atomul de carbon poate forma patru legături covalente puternice cu alţi atomi

1. Ce sunt elementele biogene?2. De ce carbonul este un element cu importanţă

deosebită?3. Care sunt criteriile de clasificare a elementelor

biogene?4. Descrieţi fiecare grup folosind exemple practi-

ce. 5. La ce concluzie ne conduce faptul că organis-

mele vii sunt constituite numai din elemente pe carele regăsim şi în materia anorganică?6. Enumeraţi ionii anorganici care au rol în orga-

nismul uman.7. Pentru organismele vii au rol important şi alţi

ioni. Documentaţi-vă, care este rolul ionilor NO2,NO3, HCO3 şi CO2–

3 . Daţi câte un exemplu în caiet.

HH

H

H

HH

H

H

C C


Câteva proprietăţi ale apei

Un compus anorganic cu importanţă deosebităpentru lumea vie este apa. Din cauza proprie-tăţilor ei particulare, apa este element constitu-ent şi în structura celulelor, dar participă şi înprocesele biochimice care se desfăşoară în ele.Aceste proprietăţi se datorează structurii mole-culei de apă. Din cauza distribuţiei inegale aelectronilor la molecula de apă partea ocupată de

atomul de oxigen are încărcătură parţial negati-vă, partea dinspre atomii de hidrogen are încăr-cătura electrică parţial pozitivă (Fig. 3).Molecule de tip dipol, cum este şi apa, suntdenumite molecule polare. În cazul moleculeide metan, din cauza electronegativităţii aproapeidentice a cărbunelui şi hidrogenului, nu se for-mează structura bipolară. Acest tip de moleculesunt denumite nepolare.

În molecula de apă, între atomii de oxigen şihidrogen se formează legături covalente puterni-ce. Din cauza poziţiei perechilor de electroni delegătură, densitatea electronilor din jurul atomi-lor de hidrogen scade. Astfel, între hidrogenul şioxigenul moleculelor apropiate de apă poateavea loc o interacţiune chimică slabă denumitălegătură de hidrogen (Fig. 4). În afară de mole-culele de apă, legăturile de hidrogen se potforma şi între alte molecule. Legăturile de hidro-gen cu importanţă biologică se formează întremolecule la care atomul de oxigen sau nitrogeneste legat prin legături covalente de atomul dehidrogen, care la rândul său este legat prin legă-tură de hidrogen cu atomul de oxigen sau nitro-gen al moleculei alăturate. Astfel, între celedouă molecule se formează o legătură chimicăslabă sub forma unei punţi de hidrogen.

Apa este un solvent pentru numeroase sub-


HO H O

H

H

HO H O C

HN H O C

HN H N

între atomii de oxigen ale moleculelor de apă

legături oxigen-oxigen

legături nitrogen-oxigen

legături nitrogen-nitrogen

Fig. 4 Modul de formare al unor legături de hidro-gen

Fig. 5 Formarea învelişului de hidrat în jurul ionilorcu diferite încărcături

++

+

++

++

+

++ +

+

++

+

++

++

++

+

+

+

+

––

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

+ – + – – + – + – + – + + – + – + – + –

Fig. 3 Polaritatea moleculei de apă

distribuţia încărcăturii electrice a moleculei

simbolul simplificat


9

stanţe. Dintre acestea, ionii compuşilor caredisociază în apă sunt înconjuraţi şi separaţi demoleculele bipolare de apă. Învelişul hidricîmpiedică cuplarea ionilor cu încărcături opuse,aceştia rămânând sub formă de soluţie. În acestmod se dizolvă şi sarea de bucătărie (Fig. 5).Compuşii polari se dizolvă bine în apă, deoare-ce aceştia conţin grupări funcţionale care for-mează legături de hidrogen cu moleculele deapă. În această grupă intră moleculele de gluci-de care conţin grupări hidroxil. Compuşii nepo-lari – de exemplu benzolul – nu se dizolvă înapă, pentru că nu pot forma legături de hidrogencu apa. Aceste molecule interacţionează între eleşi rămân separate de moleculele de apă.

Dacă peste o cantitate redusă de zahăr adău-găm o cantitate de apă, după un timp chiar şi fărăamestecare sau încălzire obţinem o soluţie apoa-să de zahăr transparent şi omogen, dulce (Fig.6). Dacă într-o soluţie concentraţia nu este uni-formă, dizolvatul migrează din locurile cu con-centraţie mai mare înspre locurile cu concen-traţie mai mică, diferenţele de concentraţie sevor uniformiza în toată soluţia. Acest proces senumeşte difuzie.

Umpleţi un săculeţ de celofan fixat pe un tubde sticlă cu soluţie concentrată de zahăr şi scu-fundaţi sacul într-un vas cu apă curată. Dupăcâteva ore se poate observa că sacul se umflă, iarnivelul soluţiei de zahăr s-a ridicat în tubul desticlă. În vas apa rămâne în continuare curată, întimp ce soluţia de zahăr din sac devine maidiluată (Fig. 7). La fel ca în cazul difuziei, par-ticulele dizolvatului şi în acest caz tind la o dis-tribuţie uniformă. Însă drumul lor spre uniformi-zare este blocat de celofan, o membrană semi-permeabilă care permite tranzitul liber numaipentru moleculele mai mici ale solventului.Moleculele mai mari ale dizolvatului nu pottrece prin această barieră, astfel numai solventulva migra prin membrana semipermeabilă spresoluţie. Acest fenomen se numeşte osmoză.

Osmoza poate fi împiedicată, dacă acţionămasupra soluţiei cu o presiune ce determină omigrare spre exterior a solventului cu o valoareegală cu migrarea spre interior a solventului pro-dusă prin osmoză. Această presiune care deter-mină formarea unui echilibru dinamic este denu-mită presiune osmotică.


Fig. 6 Fenomenul difuziei

Fig. 7 Fenomenul osmozei

apă

zahăr

1. De ce apare hipertensiunea arterială în urmaconsumului mâncărurilor sărate exagerat?2. De ce poate fi letal dacă cineva bea apă de mare

sau apă distilată?3. Dioxidul de carbon şi amoniacul sunt molecule

anorganice. Care este rolul lor în organismele vii?Daţi câte un exemplu.

apă

zahăr


Lipidele

Denumirea de lipide este termenul generic datcompuşilor organici cu o structură chimică foar-te variată, dar cu proprietăţi de dizolvare foarteasemănătoare. Trăsătura comună a acestor compuşi este că de obicei sunt insolubili în apă,dar se dizolvă foarte bine în solvenţii organici,de exemplu în benzol sau eter. Această proprie-tate comună a lor se datorează lanţurilor sauciclurilor lungi de hidrocarburi care le alcătuiescmolecula.

Lipide cunoscute sunt grăsimile neutre (Fig.8) constituite din glicerină, trialcool şi diferiţiacizi graşi. Majoritatea grăsimilor neutre pe carele întâlnim în natură au în componenţa lor acidpalmitic, stearic sau oleic (Fig. 9). Acizii graşicu glicerinele produc o reacţie de condensare,care în urma eliminării apei dau naştere la legă-turi esterice. Molecula de grăsime rezultată estenepolară, neutră la exterior, de aici provine


Fig. 8 Modelul unei molecule lipidice neutre

Fig. 9 Elementele constitutive ale grăsimilor neutre

acid palmitic

acid stearic

acid oleic

glicerină

ALCOOL ACIZI GRAŞI

HOOC (CH2)14 CH3HOOC

HOOC (CH2)16 CH3HOOC

HOOC (CH2)7 CH CH (CH2)7 CH3HOOC

CH2 OH

CH OH

CH2 OH

Fig. 10 Grăsimile neutre – esteri

– 3 H2O

+ 3 H2O

CONDENSAREprin eliminarea apei se formează legături esterice

HIDROLIZĂprin adăugare de apă se desfac legăturile esterice

CH2 O CO (CH2)14 CH3

CH O CO (CH2)16 CH3

CH2 O CO (CH2)7 CH CH (CH2)7 CH3


denumirea de neutru. Molecula poate fi desfăcu-tă prin hidroliză la nivelul legăturii esterice. Înurma hidrolizei, grăsimile neutre se descompunîn elementele componente (Fig. 10).

Grăsimile neutre sunt lipidele cel mai frec-vent întâlnite în natură. Ele se găsesc în organis-mele vegetale şi animale, având rol de nutrienţide rezervă. O parte din hrana asimilată pestenecesităţi se transformă în grăsimi neutre şi seacumulează în ţesuturile organismului, şi vor fiutilizate ulterior, în perioade cu hrană insufi-cientă. La multe animale – de exemplu la foci,delfini, balene – stratul de grăsimi acumulate auşi rol de termoizolare şi protecţie mecanică.Grăsimile neutre pot fi şi solvenţi, de exemplu oparte a vitaminelor se dizolvă numai în grăsimi.

La temperatura camerei, starea de agregare a gră-similor neutre poate fi solidă, cum este la grăsimea deporc, sau lichidă, cum este la uleiul de floarea soare-lui. Starea de agregare a grăsimilor neutre este deter-minată în primul rând de gradul de saturaţie al lanţuri-lor de carbon ale acizilor graşi din molecula lor.Creşterea numărului de legături nesaturate în molecu-la de grăsimi neutre duce la o stare de agregare tot maiapropiată de cea lichidă. Grăsimile păstrate în aerliber pe perioade mai lungi îşi modifică structura chi-mică. Legăturile nesaturate din ele vor fixa oxigenulatmosferic. Acest proces este râncezirea grăsimilor.

Grăsimile vegetale se găsesc mai ales în parteacărnoasă a fructelor şi în seminţe. Unul din cele maifine şi gustoase uleiuri este uleiul de măsline, care sefabrică din fructele măslinilor din zonele meditera-neene. Cea mai mare parte a uleiului comestibil dinţara noastră se extrage din seminţele de floarea soare-

lui. Plante cu seminţe bogate în ulei – oleaginoase –mai sunt rapiţa, soia si inul. Grăsimi de origine ani-mală ce se pot prelucra industrial se pot obţine dinanimalele domestice sau din peşti oceanici sau mami-fere marine de talie mare – de exemplu balene.Uleiurile extrase din ficatul peştilor se caracterizeazăprintr-un conţinut ridicat de vitamine A şi D în staredizolvată. În lapte se găseşte o varietate de lipide deorigine animală.

O altă grupă specifică lipidelor este cea formatăde fosfatide (Fig. 11). Pe lângă glicerine şi aciziigraşi, în componenţa acestora intră şi acidul fosforic.Un reprezentant foarte răspândit al acestei grupe esteacidul fosfatidic, care poate fi considerat şi compusulde bază al diferitelor fosfatide. În molecula sa, legă-tura esterică se realizează între glicerină, doi acizigraşi şi un acid fosforic (Fig. 12). Din punct de vede-re chimic, partea moleculei care conţine acizii graşi


Fig. 11 Modelul unei molecule fosfatidice

Fig. 12 Acidul fosfatidic, compusul de bază al fosfatidelor

OH

O P O CH2

O

PARTE POLARĂ PARTE NEPOLARĂ

CH2 O CO (CH2)16 CH3

CH O CO (CH2)7 CH CH (CH2)7 CH3

–


este asemănătoare cu cea a grăsimilor neutre, adicăeste nepolară, din care cauză nu formează legături dehidrogen cu moleculele polare de apă. Partea molecu-lei în care acidul fosforic şi glicerina formează esterieste accentuat polară. De aici rezultă că interacţio-nează uşor cu apa, formează legături de hidrogen cumoleculele de apă.

Din cauza structurii lor, în mediu apos molecule-le de fosfatide se comportă altfel decât grăsimileneutre. Ele se aşează cu partea polară spre apă şi for-mează cu moleculele de apă, tot cu structură polară,legături de hidrogen. În schimb părţile nepolare , caresunt insolubile în apă, vor fi respinse de soluţia apoa-să, prin urmare fosfatidele în mediu apos formeazăpicături sau o peliculă subţire (Fig. 13). La realizareaacestor formaţiuni participă mai multe mii de mole-cule, astfel că dimensiunea peliculelor şi picăturilorpoate ajunge până la mai multe sute de nanometri.

Alăturarea părților apolare ale moleculelor fosfa-tidice este ajutată și de legăturile slabe care se for-mează între ele, denumite forțele van der Waals.Acestea sunt legături cu o forță de atracție mai slabădecât legăturile de hidrogen manifestate între molecu-lele sau fragmentele moleculare apolare. Din cauzaproprietăților de tip polar și apolar, fosfatidele auimportanță biologică prin participarea lor la formareadiferitelor membrane de delimitare.

Tot în grupa lipidelor se încadrează și steroizii.Din punct de vedere chimic, aceștia sunt compușiînrudiți, deoarece structura fiecăruia are la bază unnucleu sterolic (Fig. 14). Caracteristicile lor identicede dizolvare dovedesc că ele aparțin grupei lipidelor,iar în organism se integrează asemănător acizilorgrași.


Fig. 13 Aşezarea moleculelor fosfatidice în apă

Fig. 15 Compuși de tip carotinoidic

carotină

vitamina A

Fig. 14 Structura câtorva compuşi de tip steroid

nucleu sterolic

acid biliar

hormonisexuali



Importanța biologică a steroizilor este complexă.Asemănător fosfatidelor, ele participă la formareaelementelor structurale ale celulei. În organismul ani-mal, nucleul sterolic stă la baza formării vitaminei D.Tot în grupa steroizilor intră şi acizii biliari. Aceştiade fapt sunt substanţe care reduc tensiunea superfi-cială şi desfac lipidele în particule de ordinul nano-metrilor, contribuind astfel la digestia lor. Grupa ste-roizilor cuprinde şi numeroşi hormoni, cu rol impor-tant în sintetizarea hormonilor sexuali feminini şimasculini.

Carotinoidele sunt substanţe răspândite înlumea vegetală şi animală. În lanţul de carbon al fie-cărei substanţe din acest grup, legăturile carbon-car-bon simple şi duble alternează în mod regulat (Fig.15). Din cauza acestui sistem format din legături con-jugate duble, care parcurg toată lungimea moleculei,aceste substanţe sunt colorate, de obicei sunt roşii saugalbene. Ele intră în componenţa a numeroşi pigmenţivegetali. Carotina care conferă culoarea roşie-porto-calie a morcovilor, licopina care dă culoarea roşiilor,xantofilina care dă culoarea galben-pală a frunzelor,fiecare este compus de tip carotinic. În organismulanimal, carotenoidele au rol important ca precursori aivitaminei A.

Hidraţii de carbon

Cea mai mare parte a rezervelor de materie orga-nică de pe pământ sunt alcătuite din hidraţi decarbon. Hidraţii de carbon sunt sintetizaţi deplantele verzi prin utilizarea energiei luminoasesolare, prin fotosinteză, din dioxid de carbon şiapă. Cea mai mare cantitate din aceşti compuşise găseşte în pereţii celulelor vegetale şi în sche-letul de susţinere al plantelor. De asemenea, segăsesc în cantităţi mari sub formă de rezerve denutrienţi în plante. Hidraţii de carbon nu lipsescnici din celulele vegetale, unde le găsim mai alessub formă de glucide cu solubilitate ridicată.Animalele îşi acoperă necesarul de energie pro-venit din hrană în mod direct sau indirect dinhidraţii de carbon de origine vegetală. Înschimb, organismul animal, spre deosebire decel vegetal, acumulează hidraţii de carbon într-omăsură mai redusă.

Triozele din grupa monozaharidelor pot ficonsiderate produsele de oxidare ale glicerinei.Un reprezentant tipic al acestei grupe în proce-sele biochimice este glicerinaldehida, care nuapare în celule în stare liberă, ci ca un produsintermediar în transformare, în primul rând subformă de glicerinaldehid-3-fosfat ca derivatesteric format cu acidul fosforic (Fig. 16).

Din punct de vedere biologic, pentozele for-mate din cinci atomi de carbon au rol major capărţi componente ale acizilor nucleici (Fig. 17).Acest rol este îndeplinit de deoxiriboză în aciduldeoxiribonucleic sau de riboză în ceilalţi com-

1. Ce caracteristică în comun au lipidele?2. Cum se formează grăsimile neutre?3. Cum se poate desface o moleculă de grăsime

neutră?4. Daţi exemple de organe care pot acumula gră-

sime. 5. Care vitamine se dizolvă în lipide? Care este

rolul lor?6. Cum putem demonstra că lipidele sunt ameste-

curi şi nu compuşi?7. Din ce unităţi constitutive sunt alcătuite fosfa-

tidele?8. Cum influenţează structura fosfatidelor pro-

prietăţile acestora?9. Cum se comportă moleculele fosfatidice în

mediu apos?10. Ce sunt forţele van der Waals? Cât de puterni-

ce sunt aceste forţe?11. Prin ce se caracterizează structura compuşilor

de tip carotinoidic?

Fig. 16 Derivatul esteric al unei trioze cu acidul fosforic

glicerin-aldehidă

notaresimplifi-cată

glicerinaldehid-3-fosfat

CH O

CH OH

CH2 OH

CH O

CH OH

CH2 O

OH

P O

OH

1 O

2 OH

3 P



puşi de tip nucleotidic. După cum arată şi nume-le, molecula de deoxiriboză are un atom de oxi-gen mai puţin decât molecula de riboză, deoare-ce la al doilea atom de carbon din ciclul pento-zic, în locul grupării hidroxil apare doar un atomde hidrogen. În reacţie cu acidul fosforic pento-zele formează esteri, ele apar şi în structura aci-zilor nucleici sub forma combinaţiilor pentozo-fosfatice (Fig. 18).

Monozaharidele cel mai frecvent întâlnite înlumea vie sunt hexozele, formate din şase atomide carbon. Ele pot fi prezente în celule sau înmateria interstiţială şi în formă liberă. Ele au unrol primordial în formarea unor dizaharide saupolizaharide. Din punct de vedere biologic, din-tre hexoze un rol central îi revine glucozei (Fig.19). Gruparea glicozidică de hidroxil poateforma în spaţiu legătura cu primul atom de car-bon din ciclul glucozei în două feluri.Corespunzător formării acestei legături, putemdeosebi glucoze de tip α- sau β- (Fig. 20). Dincombinaţia glucozelor cu acidul fosforic rezultăesteri, care apar în procesele biochimice ca pro-duși intermediari. Apariţia lor în stare liberă este de asemenea importantă, deoarece în orga-nismele vii, transportul hidraţilor de carbon seface în primul rând sub formă de glucoză.Majoritatea polizaharidelor care apar în organis-mele vii au la bază ca element constituent glu-coza.

În urma eliminării apei prin condensare, întredouă molecule de glucoză se pot forma legăturiglicozidice. În urma reacţiei de condensareapare un dizaharid (Fig. 21). De exemplu, mal-toza se formează prin alăturarea a două molecu-le de α-glucoză. În natură acest dizaharid se pro-duce în acele părţi ale plantelor, unde a avut locanterior descompunerea moleculelor de amidon.Astfel, maltoza este un produs intermediar înprocesul de degradare a amidonului. Descompu -nerea ei se continuă prin hidroliză, dând naşterela două molecule de glucoză, deoarece legăturaglicozidică se poate desface prin adăugare deapă.

În afară de exemplele enumerate mai sus, în lumeavie apar numeroşi reprezentanţi ai hidraţilor de car-bon. Un alt monozaharid asemănător glucozei estefructoza, denumită astfel pentru că există în cantităţiînsemnate mai ales în fructe. Cantităţi mari de fructo-

Fig. 17 Modelul moleculei de riboză

Fig. 18 Derivaţi esterici ai pentozelor cu acidul fosforic

Fig. 19 Modelul moleculei de glucoză

ribozăC5H10O5

deoxiribozăC5H10O4

ribozo-5-fosfat


15

ză găsim şi în miere, aceasta fiind cea mai dulce din-tre zaharuri. Prin conectarea unei molecule de fructo-ză cu una de glucoză rezultă zaharoza, care este diza-haridul cel mai cunoscut în alimentaţia umană. Toatefelurile de zahăr alimentar sunt forme cristalizate alezaharozei, un compus răspândit în lumea vegetală.Sfecla de zahăr sau trestia de zahăr conţine acest com-pus în proporţie de 10 – 20%, din aceste plante se faceextracţia industrială a zahărului alimentar.

Din punct de vedere biologic, poliza-

haridele se împart în două grupe mai mari.Prima este cea a hidraţilor de carbon de rezervădin celule, a doua este cea a hidraţilor de carboncare intră în componenţa pereţilor celulari cu rolde consolidare a scheletului de susţinere.Rezervele de nutrienţi în plante apar cel maifrecvent sub formă de amidon. Acesta se produ-ce prin fotosinteză în plantele verzi şi se depozi-tează la nivelul celulelor sub formă de granule(Fig. 22). Granulele nu conţin numai amidon, cişi biocatalizatorii necesari pentru sinteza şidegradarea acestora. Cu ajutorul lor are lochidroliza macromoleculelor la nivelul legături-lor glicozidice dintre elementele constituente –moleculele de glucoză. În urma hidrolizei, ami-donul se descompune în maltoză, apoi în dextri-ne.

Amidonul nu este un compus uniform, este for-mat din două componente cu structuri diferite.Ambele tipuri de molecule sunt formate din maimulte sute de molecule de α-glucoză. Una dinacestea se numeşte amiloză, în care moleculele deglucoză formează lanţuri – catene – neramificate.Din cauza poziţiei spaţiale a legăturii glicozidiceîn poziţia α, catena se curbează, astfel că molecu-lele lungi de amiloză sunt în formă de spirală (Fig.


Fig. 20 Hexoze şi derivatul lor în combinaţie cu acidul fosforic

α−glucoză

grupare hidroxilglicozidică

grupare hidroxilglicozidică

β-glucoză glucozo-6-fosfat

Fig. 21 Moleculele de glucoză, ca elemente con-stituente, se conectează prin legături glicozidice

CONDENSARE

HIDROLIZĂ

formarea legăturiiglicozidice cu eliminare de apă

desfacerea legăturii glicozidice prinadăugare de apă

Fig. 22 Imaginea tridimensională la microscopul elec-tronic a amidonului din cartofi



23). Celălalt tip de moleculă este amilopectina, lacare la al şaselea atom de carbon din anumitemolecule de glucoză se formează încă o legăturăglicozidică, acesta fiind punctul de pornire al uneicatene laterale. În moleculele de amilopectină, oasemenea legătură laterală apare în medie la fieca-re a 12-a moleculă de glucoză. Astfel, molecula deamilopectină are o structură ramificată.

Glicogenul îndeplineşte acelaşi rol în organis-mele animale şi umane ca şi amidonul în orga-nismele vegetale, adică în primul rând constitu-ie rezerve de energie. Şi glicogenul este consti-tuit din molecule de α-glucoză. Structural seaseamănă cu amilopectina, dar prezintă unnumăr mai mare de ramificaţii.

Polizaharidul natural cel mai răspândit de pePământ, substanţa care formează scheletul desusţinere al plantelor, este celuloza. Câte o moleculă de celuloză este formată din mai multemii de molecule de β-glucoză (Fig. 23). Datorităpoziţiei în spaţiu a legăturii glicozidice în poziţiaβ, molecula de celuloză este formată dintr-ocatenă lungă, dreaptă şi neramificată. Catenelemoleculelor de celuloză se aşează paralel şi for-mează mănunchiuri, catenele din mănunchi fiindlegate între ele prin legături de hidrogen.Această structură conferă o rezistenţă foartemare celulozei. Hidrolizarea celulozei în ele-mentele ei constituente se face greu. Numai unnumăr redus de specii de animale erbivore (deexemplu bovinele) au capacitatea de a utilizaceluloza ca hrană. Degradarea ei biologică serealizează de către bacteriile celulozolitice (Fig. 24).

Fig. 23 Macromoleculele de amidon şi celuloză sunt construite din unităţi de glucoză

celuloză

amilopectinăamiloză

Fig. 24 Imaginea tridimensională la microscopulelectronic a celulozei din algele verzi


17

Chitina, care alcătuieşte exoscheletul insectelor,este tot un hidrat de carbon cu structura asemănătoa-re celulozei, un polizaharid care are în componenţă şinitrogen. Îl regăsim şi în pereţii celulari ai ciupercilor.

Proteinele

Proteinele au o importanţă fundamentală înstructura celulelor, în activitatea catalitică afenomenelor biochimice, transportul diferitelormolecule şi în numeroase alte funcţii vitale, deciau un rol biologic foarte variat. Materialele dincare sunt constituite sunt diferite molecule cuconţinut de nitrogen/azot. Pentru acest scop,bacteriile fixatoare de azot folosesc azotulatmosferic. Plantele autotrofe îşi sintetizeazăproteinele proprii folosind compuşi anorganicicu conţinut de nitrogen. În schimb, organismeleheterotrofe îşi pot sintetiza proteinele propriinumai din substanţe organice finite, şi în acestscop trebuie să consume hrană care conţine pro-teine vegetale sau animale.

Moleculele proteice sunt construite din unităţidenumite aminoacizi (Fig. 25). Dintre nenumă-ratele tipuri de aminoacizi, în structura proteine-lor figurează numai douăzeci. În molecula fiecă-ruia dintre aceștia, de atomul de carbon centraldin poziţia α se leagă o grupare amino, o grupa-re carboxil, un atom de hidrogen şi o gruparedenumită catenă laterală, a cărei structură diferăla diferiţii aminoacizi. Doi aminoacizi se potconecta printr-o legătură peptidică, care se for-


1. Care sunt caracteristicile principale ale triozelorşi pentozelor? 2. De ce glucoza este o hexoză atât de importantă?3. Care este diferenţa dintre α-glucoză şi β-gluco-

ză?4. Prin ce se caracterizează legătura glicozidică?5. Din ce este constituită molecula de amidon?6. Care este diferenţa dintre moleculele de amilo-

ză şi amilopectină?7. Care sunt diferenţele dintre structurile amido-

nului, glicogenului şi celulozei? 8. Ce corelaţie există între structura şi modul de

funcţionare a diferitelor polizaharide? 9. Cum putem demonstra la piaţă prezenţa făinii

în smântâna falsificată?10. Întocmiţi în caiet un tabel-rezumat cu toţihidraţii de carbon studiaţi. Criterii de clasificare:monozaharide (trioze, pentoze, hexoze), dizaharide(reducătoare, nereducătoare), polizaharide (rezervede nutrienţi, substanţe cu rol plastic) 11. Din care grupă a hidraţilor de carbon fac parteurmătoarele zaharuri, cunoscute din viaţa de zi cuzi: zahăr tos, fructoză, zahăr pudră, melasă, zahărdin trestie.

Fig. 25 Aminoacizii sunt unități constitutive ale moleculelor proteice

H2N COOH

CH

CH2

OH

atom de carbon α

catenă laterală

caracter: nepolar, polar: neutru, acid, bazic

H2N COOH

CH

H

H2N COOH

CH

CH3

H2N COOH

CH

CH2

OH

H2N COOH

CH

CH2

SH

H2N COOH

CH

CH2

COOH

H2N COOH

CH

(CH2)4

NH2

Glicinănepolar

Alaninănepolar

Serinăpo lar

Cisteinăpo lar

Acidaspartic

Lizinăbazic

Ser Cys

Gly Ala Asp Lys



mează prin eliminarea unei molecule de apă şiformarea unei legături între gruparea carboxilicăa unuia din aminoacizi cu gruparea amino aceluilalt, astfel rezultând un dipeptid legatprintr-o legătură covalentă puternică (Fig. 26).La această formaţiune se pot alătura alţi aminoa-cizi, formând lanţuri polipeptidice formate dinnumeroşi aminoacizi. În cazul proteinelor, aces-tea cuprind mai multe sute de unităţi aminoaci-dice (Fig. 27). Legăturile peptidice ale lanţurilorpolipeptidice pot fi desfăcute prin hidroliză şiastfel macromolecula poate fi descompusă înunităţile ei constitutive, în aminoacizi.

Deoarece proteinele participă în numeroasemoduri în funcţiile vitale – de exemplu au rolplastic sau efect catalitic – corespunzător acestorfuncţii au şi structuri diverse. Această diversita-te este accentuată şi de faptul că pentru realiza-rea unei anumite funcţii biologice, de multe oristructura proteinei diferă în funcţie de specie.Astfel, dacă modificăm ordinea aminoacizilorîntr-o mică secvenţă din molecula de insulină dela oaie, noul compus va fi deja insulina de la oaltă specie animală (Fig. 28). Este suficientăschimbarea unui singur aminoacid în lanţul poli-

H O

H N C OH

CH

CH3

H O

H N C O

CH

CH3

CONDENSARE

formarea legăturiipeptidice prin

eliminare de apă

HIDROLIZĂ

desfacerea legătu-rii peptidice prinadăugare de apă

– H2O

+ H2O

CH3

H2N CO CH

CH NH COOH

CH3

Fig. 26 Legătura peptidică

H O

H N C OH

CH

CH2

H O

H N C OH +

CH

CH3

Fig. 27 Secţiune a unui lanţ polipeptidic formată din patru aminoacizi

CO CH NH CO CH NH CO

NH CO CH NH CO CH NH

COOH

CH2 CH3

CH2

SH

CH2

CH2

CH2

CH2

NH2


19

peptidic şi compusul capătă alte proprietăţi. Deexemplu, efectul de catalizator al unei proteinepoate fi anihilat de schimbarea unui singur ami-noacid. Ordinea sau secvenţa aminoacizilor areimportanţă majoră în structura moleculei protei-ce şi are efect asupra proprietăţilor ei. Ordineade succesiune a aminoacizilor a fost denumităstructura primară a moleculei proteice.

Stabilirea secvenţei de aminoacizi din diferiteleproteine s-a dovedit a fi o activitate complicată, carenecesită mult timp. După o activitate de cercetare dezece ani, biochimistul britanic Frederick Sanger(1918 – 2013) a determinat primul secvenţa lanţuluipolipeptidic format din 51 de aminoacizi al insulinei.Tot în această perioadă a anilor 50, chimistul ameri-can Linus Pauling (1901 – 1994) a cercetat structuraproteinelor utilizând radiaţii Roentgen. Radiaţiile caretrec prin proteinele cristalizate sunt deviate în diferite

măsuri când trec prin punctele de intersecţie alereţelei cristaline. Astfel se poate realiza imaginea dedifracţie (deviere) a proteinei respective. Prin metodadifracţiei razelor Roentgen se poate determina aranja-mentul spaţial al moleculei proteice. Metoda comple-tă a studierii secvenţei şi aşezării spaţiale a elemente-lor constituente a fost utilizată ulterior la alte macro-molecule, de exemplu la studierea structurii acizilornucleici. Aceasta este o metodă care necesită multtimp. Pentru determinarea structurii unei proteine dinsânge, a hemoglobinei, a fost necesară munca a două-zeci şi trei de ani.

Prin rotaţia în jurul legăturii atomului de car-bon α, lanţurile polipeptidice lungi ale molecu-lelor proteice pot avea mai multe aşezări spaţia-le. Rotaţiile şi curburile în spaţiu ale secvenţelorde catene din moleculele de proteine pot formadouă feluri de structuri stabile. Una este structu-


Fig. 28 Secvenţa aminoacizilor din insulina de la oaie (denumirile şi simbolurile prescurtate ale aminoacizilorse află la pagina 48, fig. 62)

Gly

Ile Glu Cys Ala Val Ser Tyr Leu Asp

Asp

Cys

Val Glu Cys Gly Cys Leu Glu Glu Tyr

Phe

Val Glu Leu Gly His Val Ala Tyr Val Gly

Glu

Arg

Phe

Tyr

Pro

Ala

Lys

Asp His Cys Ser Leu Glu Leu Leu Cys

H N H

H N H H N H

H N H

H N HS S H N H

S

S

S

S

Gly

Phe

Thr

Alanin Tirozin Va lin

Leucin Leucin Cisteină

H H H

H C C C H

H HH C H

C

N H C

H O

H O

N H C

C

H C H

H

H O

N H C

C

H C H

OH

H H H

H C C C H

H HH C H

C

N H C

H O

H O

N H C

C

H H

H C C C HH H H

S

H C H

C

N H C

H O


1-160 8. törd roman 03 08.qxp:1-160 7. törd · Proprietăţile chimice ale elementelor şi...

Documents

Transcript of 1-160 8. törd roman 03 08.qxp:1-160 7. törd · Proprietăţile chimice ale elementelor şi...