Curs de Biochimie

Biochimia este o ştiinţă modernă, cu caracter complex, care are drept material de studiu materia vie şi fenomenele specifice acesteia, din punct de vedere al organizării, compoziţiei şi structurii biomoleculelor componente, precum şi al proceselor complexe de transformare a acestora, în corelaţie cu efectele energetice asociate reacţiilor metabolice.

Cunoaşterea substratului biochimic al materiei vii, şi a mecanismelor reacţiilor biochimice oferă cheia înţelegerii ştiinţifice a fenomenelor particulare lumii vii cum ar fi: procesele fiziologice normale sau patologice, formarea speciilor, variabilitatea, ereditatea, reproductibilitatea, adaptabilitatea etc., şi proiectarea posibilităţilor de intervenţie şi de aplicare a unor alternative optime.

Datorită interesului suscitat, dar mai ales a posibilităţilor fizico-chimice moderne de investigare, biochimia s-a dezvoltat în ultimii ani foarte mult, făcând posibilă evaluarea structurii moleculare a vieţii, deschizând porţi spre domenii noi de cercetare, cum ar fi: secvenţionarea ADN, obţinerea unor noi combinaţii genetice, elucidarea mecanismului de control al metabolismului şi al proceselor de transport prin membranele celulare etc.

Caracteristici biochimice ale materiei vii

Materia vie este constituită din aceleaşi elemente chimice care alcătuiesc materia lumii minerale, organizate în structuri care se supun aceloraşi legi, fizice şi chimice, care guvernează lumea nevie.

În constituţia organismele vii, vegetale şi animale, sunt reprezentate un număr de aproximativ 60 din cele peste o sută de elemente chimice cunoscute. Dintre acestea 12 elemente chimice (99,9%) se regăsesc în structura tuturor celulelor vii şi sunt denumite macrobioelemente: C, H, O, N, P, S, Cl, Si, Mg, K, Na, Ca.

Un număr de patru elemente chimice: C, O, H, N, reprezentând peste 99% din masa totală a organismelor vii se găsesc în proporţii diferite în plante, în animale şi în organismul uman.

În proporţii mai reduse, (aproximativ 1%), dar manifestând un important rol biocatalitic în procesele metabolice, se găsesc o serie de microbioelementele (oligobioelemente): B, V, Mn, Co, Ni, Mo, Cu, Zn etc.

De ordinul milionimilor de procente au fost identificate în cenuşa plantelor şi ultrabiomicroelemente: Au, Ag, Hg, Pb, Ge etc.

Deşi este constituită pornind de la molecule mici, cu compoziţie elementală simplă, (H2O, CO2, NH3, aminoacizi, monoglucide, lipide simple etc.), materia vie este total diferită prin proprietăţi de cea minerală, caracterizându-se printr-un înalt grad de complexitate şi organizare, într-o mare varietate de forme, rezultat al procesului de evoluţie îndelungat.

Cu toată varietatea şi complexitatea chimică a organismelor, materia vie este organizată după un principiu unitar. Componenţii celulari nu alcătuiesc o serie continuă, mărimea şi complexitatea biomoleculelor nu variază treptat. Majoritatea constituenţilor celulari sunt compuşi macromoleculari şi doar un număr relativ redus de biomolecule au dimensiuni mici, în timp ce speciile moleculare cu dimensiuni intermediare sunt practic absente. Această discontinuitate între mărimea şi gradul de complexitate a celor două tipuri de biomolecule este rezultatul mijloacelor pe care celulele le utilizează pentru edificarea lor. Într-o primă

etapă, printr-o mare diversitate de reacţii biochimice, organismele vii sintetizează biomolecule primordiale: câteva tipuri de monozaharide, 20 de aminoacizi, opt nucleotide, câţiva acizi graşi şi alcooli.

A doua etapă a chimiei celulare constă în policondensarea moleculelor primordiale sub formă de macromolecule: proteine, acizi nucleici, polizaharide, lipide complexe. Prin repetarea aceluiaşi gen de biosinteză, cu maximum de economie de materiale şi energie, din molecule mici se formează treptat macromolecule, proces care decurge cu randament maxim şi fără formare de compuşi intermediari.

Componenţii celulari, în afară de dimensiuni, se deosebesc şi prin caracterul lor specific sau nespecific. Unii dintre ei, cum ar fi moleculele mici, biomoleculele promordiale: monozaharidele, aminoacizii, nucleotidele, acizii graşi sunt identici în toate organismele vii, vegetale şi animale, alţii prezintă specificitate de specie, de organ şi mai ales de individ. Constituenţii celulari specifici sunt macromoleculele proteice şi acizii nucleici, care pot exista într-o varietate practic infinită, dar fiecare celulă, fiecare organism cuprinde un set distinct de proteine şi de acizi nucleici. Diversitatea structurală a celor 5 milioane de specii de proteine şi un număr corespunzător de specii acizi nucleici, se realizează prin mijloace simple, de combinarea a unui număr redus de specii moleculare, respectiv, 20 de aminoacizi pentru proteine şi câte patru tipuri de nucleotide pentru acizii nucleici.

Prin legarea unui număr mare al acestor unităţi în succesiuni variate se poate obţine un număr infinit de combinaţii. O anumită secvenţă de aminoacizi sau de nucleotide conţine o cantitate de informaţie care conferă proteinelor şi acizilor nucleici caracterul de molecule informaţionale. În contrast cu multitudinea posibilităţilor de legare a aminoacizilor în proteine sau a nucleotidelor în acizi nucleici, într-un organism dat nu se realizează decât succesiuni care îi sunt proprii, pentru care primeşte informaţie de la predecesori, prin intermediul acizilor dezoxiribonucleici ADN.

Chintesenţa materiei vii o reprezintă capacitatea de autoreplicare de la o generaţie la alta.

Structurile celulare sunt edificii complexe, cu entropii reduse, care se dezagregă şi se refac continuu; în organismele vegetale şi animale adulte cele două procese sunt echilibrate, astfel încât masa lor rămâne constantă. Refacerea structurilor celulare decurge, parţial, pe seama produşilor de degradare a componenţilor proprii, iar ceea ce se pierde este completat prin elementele preluate din mediul înconjurător, ca substanţe nutritive. Întreţinerea morfologiei proprii, creşterea şi dezvoltarea organismului implică şi un consum permanent de energie. Plantele şi câteva specii de microorganisme înmagazinează prin fotosinteză energia solară în glucide, lipide, proteine, care alcătuiesc hrana oamenilor sau a animalelor, consumate la rândul lor de către om. De fapt, organismele animale iau din mediul înconjurător o formă de energie de calitate superioară pe care o utilizează pentru îndeplinirea tuturor funcţiilor vitale şi eliberează în mediu o cantitate de energie de calitate inferioară (căldură).

Schimburile de materie şi de energie dintre organism şi mediu, care definesc însăşi viaţa, implică desfăşurarea unui număr mare de reacţii chimice, care alcătuiesc metabolismul, cu două laturi principale:

- catabolismul (degradarea constituenţilor celulari la compuşi mai simpli) implică procese exergonice, în care se produce energie;

- anabolismul (edificare şi refacerea constituenţilor celulari) decurge prin reacţii endergonice, în care se consumă energia mobilizată în procesele catabolice.

Organismele vii sunt deci sisteme deschise, aflate într-un permanent schimb de energie şi materie cu mediul înconjurător, constituind sediul unui triplu flux, de materie, de energie şi de informaţie.