Biochimie

Structura tridimensională a mioglobinei, o proteină

Biochimia este știința care se ocupă cu studiul proceselor chimice care au loc în sau care sunt legate de existența organismelor vii. Complexitatea vieții provine de la marea varietate a proceselor biochimice.

Considerată multă vreme o ramură interdisciplinară aflată la granița dintre chimie și biologie, biochimia s-a dezvoltat în special în ultimele decenii ca o disciplină de sine stătătoare, abordând subiecte ca structura chimică a substanțelor din care sunt formate organismele, interacțiunile între aceste substanțe și transformările metabolice pe care acestea le suferă in vivo. În mare, se poate considera că biochimia are două ramuri: biochimia metabolică și biochimia structurală. Se mai pot considera ca și ramuri ale biochimiei și știința proteinelor și genetica moleculară. Biochimia se concentrează pe înțelegerea modului în care biomoleculele dau naștere proceselor care au loc în interiorul celulelor vii și între acestea, care ajută în continuare la înțelegerea funcționării țesuturilor, organelor și în final a organismelor, atât structural cât și funcțional.

• Biochimia structurală se ocupă cu studiul moleculelor vieții: proteine și aminoacizi, glucide, lipide, acizi nucleici. De asemenea, această ramură studiază și vitaminele și enzimele.

• Biochimia metabolică studiază căile metabolice prin care nutrienții sunt procesați în interiorul celulelor vii (anabolism și catabolism).

Biochimia acizilor nucleici și studiul codului genetic, sinteza proteinelor (transcripția și translația), studiul fenomenelor de transport membranar și de transmitere a semnalelor sunt doar câteva domenii în care biochimia cunoaște un progres remarcabil în ultimii ani.

Bioelemente

Principalele elemente componente ale corpului uman sunt indicate în imagine (după abundența în procente de masă).

Articol principal: Microelement.

Aproximativ douăzeci din cele 92 de elemente chimice răspândite în natură sunt esențiale pentru diferitele forme de viață existente pe Pământ. Majoritatea elementelor chimice mai rare nu sunt necesare pentru viață (exceptând seleniul și iodul), în timp ce și unele foarte comune (precum aluminiul și titanul) nu sunt necesare. Majoritatea organismelor vii au aceleași cerințe în ceea ce privește necesarul de elemente, dar apar diferențe între organismele vegetale și animale. De exemplu, algele marine au nevoie de brom, dar viețuitoarele terestre și animalele nu necesită acest element. Toate animalele necesită sodiu, dar unele plante nu. Plantele au nevoie de bor și siliciu, dar animalele de obicei nu le necesită (sau au nevoie de ele în cantități extrem de mici).

Doar șase elemente—carbonul, hidrogenul, azotul, oxigenul, calciul și fosforul—alcătuiesc aproximativ 99% din masa celulelor vii, incluzându-le și pe cele din corpul uman. În plus față de aceste șase bioelemente majore care compun corpul uman, mai sunt necesare în cantități mici încă 18 elemente.

Biomolecule

În biochimie sunt considerate patru mari clase de biomolecule, care sunt molecule cu importanță biologică. Acestea sunt glucidele, lipidele, proteinele și acizii nucleici. Multe molecule biologice sunt de natură polimerică, putând spune că monomerii în acest caz sunt micromolecule relativ mici legate împreună pentru a forma o macromoleculă. Când monomerii se leagă pentru a forma biopolimerul, sunt supuși unui proces de sinteză prin deshidratare. Diferitele macromolecule pot și ele să se asambleze în complecși de dimensiuni mai mari, de obicei fiind nevoie de ei pentru activitatea biologică pe care o posedă.

Glucide

Articole principale: Glucidă, Monozaharidă, Dizaharidă și Polizaharidă.

Glucide

Glucoza, o monozaharidă

O moleculă de zaharoză (glucoză + fructoză), a dizaharidă

Amiloză, o polizaharidă alcătuită din câteva mii de unități de glucoză

Glucidele sau carbohidrații au în general rolul de depozitare al energiei și rol structural. De asemenea, au implicații importante în comunicarea și semnalizarea intercelulară.

Cel mai simplu tip de glucidă este o monozaharidă, care este alcătuită din atomi de carbon, hidrogen și oxigen, în general în raport de 1:2:1 (cu formula generală C_nH_2nO_n, unde n este cel puțin 3). Glucoza (C₆H₁₂O₆) este una dintre cele mai importante glucide, iar printre alte exemple importante se numără fructoza (C₆H₁₂O₆), și dezoxiriboza (C₅H₁₀O₄). Printre proprietățile ozelor se numără și aceea de a-și putea schimba forma moleculară din aciclică în ciclică și invers.

Conversia dintre formele furanozice, aciclice și piranozice ale D-glucozei

În aceste forme ciclice, ciclul este alcătuit uzual din 5 sau 6 atomi. Aceste forme sunt denumite furanozice și respectiv piranozice, prin analogie cu compușii heterociclici cu oxigen denumiți furan și piran. De exemplu, aldohexoza glucoză poate forma o legătură de tip hemiacetal între hidroxilul de la carbonul 1 și oxigenul legat de carbonul 4, obținându-se o formă moleculară cu un ciclu format din 5 atomi, denumită glucofuranoză. Aceeași reacție poate avea loc și între carbonii 1 și 5, când se obține analogul cu 6 atomi, denumit glucopiranoză.

Două monozaharide se pot lega între ele prin intermediul unei legături glicozidice sau eterice, formând o dizaharidă, într-o reacție de deshidratare (cu eliminarea unei molecule de apă). Reacția inversă de obținere a două molecule de monozaharide dintr-o singură moleculă dizaharidică se numește hidroliză, și se realizează în general enzimatic. Cea mai cunoscută dizaharidă este zaharoza, formată în urma legării dintre o moleculă de glucoză și una de fructoză. Un alt exemplu cunoscut este lactoza din lapte, formată în urma legării dintre o moleculă de glucoză și una de galactoză. Hidroliza lactozei are loc în prezența unei enzime denumite lactază, iar cantități scăzute din aceasta conduc la intoleranța la lactoză.

Când mai multe molecule de monozaharide (trei până la șase) se leagă, se obțin oligozaharide, și au diverse roluri biochimice, printre care se numără cea de semnalizare celulară. Mai multe monozaharide legate formează o polizaharidă, iar structura acestei molecule mari poate fi de tip liniar sau ramificat. Cele mai comune exemple sunt celuloza, amidonul și glicogenul, toate alcătuite din unități repetitive de glucoză (alfa sau beta).

Glucidele pot fi caracterizare prin capacitatea lor reducătoare sau nereducătoare. Se spune despre o anumită glucidă că este reducătoare dacă un atom de carbon se află în echilibru în forma liniară de aldehidă (aldoză) sau de cetonă (cetoză). Dacă legarea monomerilor se face la acest atom de carbon, atunci grupa hidroxil a formelor piranozice sau a furanozice va fi schimbată cu o catenă laterală hidroxilată a unei alte zaharide, formându-se un acetal complet.

Importanța biochimiei

• oferă cunoștințele necesare înțelegerii stării de sănătate și a mecanismelor patogenice în orice boală;
• permite tratarea cu succes a avitaminozelor, a insuficienței sau hiperfuncțiilor endocrine;
• explică modul de acțiune al medicamentelor, ca modulatori ai activității enzimatice, oferind datele necesare pentru sinteza de substanțe cu acțiune farmacologică dorită.

Compoziția chimică a materiei vii

Ca urmare a procesului de evoluție, materia vie, vegetală și animală, are o compoziție chimică deosebit de complexă, cu forme diverse determinate de conținutul de apă și de substanță uscată constituită din:

• substanțe organice: glucide, protide, acizi nucleici, enzime, vitamine, lipide, hormoni, fitohormoni, pigmenți, lignine, taninuri, terpenoide, alcaloizi;
• substanțe anorganice (substanțe minerale) clasificate în macroelemente, oligoelemente și microelemente.

Țesuturile vegetale și animale conțin circa 60 de elemente chimice, din care un număr de 12 elemente constituie 99% din materia vie, denumite macroelemente, plastice sau de constituție, și anume: carbon, hidrogen, oxigen, azot, fosfor, sulf, clor, potasiu, sodiu, calciu, magneziu, siliciu.

Alte 20 de elemente chimice reprezintă 0,27% din substanța uscată a materiei vii, reprezintă categoria de oligoelemente, printre care: fluor, fier, zinc, cupru, mangan, cobalt, titan, bor, iod, staniu, molibden.

Elemente chimice care se regăsesc în cantități extrem de mici, microelementele, reprezintă un procent de aproximativ 0,074% din materia vie.

Elementele minerale dinorganismele vii sunt denumite bioelemente, majoritatea fiind asociate sub formă de biomolecule. În funcție de tipul elementelor chimice care reacționează între ele sau cu alte substanțe, se formează biomolecule anorganice sau organice, cu proprietăți diferite de cele ale componentelor.

Conținutul procentual al principalelor biomolecule din organismele vegetale, animale și organismul uman
Clasa de compuși		Conținut (%)
		Plante	Animale	Om
A	Biomolecule organice	77,5	64,3	64
	Apa	75	60	60
	Compuși minerali	2,5	4,3	4
B	Biomolecule organice	22,5	35,7	36
	Glucide	18	6,2	1
	Lipide	0,5	11,7	15
	Protide	4	17,8	20

Vezi și

• Glosar de biochimie

Referințe

Bibliografia citată

• Amsler, Mark (1986). The Languages of Creativity: Models, Problem-solving, Discourse. University of Delaware Press. ISBN 978-0874132809. 
• Astbury, W.T. (1961). „Molecular Biology or Ultrastructural Biology?” (PDF). Nature. 190 (4781): 1124. Bibcode:1961Natur.190.1124A. doi:10.1038/1901124a0. PMID 13684868. Accesat în 4 ianuarie 2016. 

• Ben-Menahem, Ari (2009). Historical Encyclopedia of Natural and Mathematical Sciences. Springer. p. 2982. ISBN 978-3-540-68831-0. 
• Burton, Feldman (2001). The Nobel Prize: A History of Genius, Controversy, and Prestige. Arcade Publishing. ISBN 978-1559705929. 
• Butler, John M. (2009). Fundamentals of Forensic DNA Typing. Academic Press. ISBN 978-0-08-096176-7. 
• Chandan, Sen K.; Sashwati Roy (2007). „miRNA: Licensed to kill the messenger”. DNA and Cell Biology. 26 (4): 193–4. doi:10.1089/dna.2006.0567. PMID 17465885. 
• Clarence, Peter Berg (1980). „The University of Iowa and Biochemistry from Their Beginnings”. ISBN 9780874140149. 
• Edwards K.J.; Brown D.G.; Spink, N.; Skelly J.V.; Neidle S. (1992). „Molecular structure of the B-DNA dodecamer d(CGCAAATTTGCG)2. An examination of propeller twist and minor-groove water structure at 2.2 A resolution”. J. Mol. Biol. 226: 1161–1173. doi:10.1016/0022-2836(92)91059-x. PMID 1518049. 
• Eldra P. Solomon; Linda R. Berg; Diana W. Martin (2007). Biology, 8th Edition, International Student Edition. Thomson Brooks/Cole. ISBN 978-0495317142. Arhivat din original la 4 martie 2016. 
• Fariselli, Piero; Rossi, Ivan; Capriotti, Emidio; Casadio, Rita (2007). „The WWWH of remote homolog detection: the state of the art”. Briefings in Bioinformatics. 8 (2): 78–87. doi:10.1093/bib/bbl032. PMID 17003074. 
• Fiske, John (1890). Outlines of Cosmic Philosophy Based on the Doctrines of Evolution, with Criticisms on the Positive Philosophy, Volume 1. Boston and New York: Houghton, Mifflin. Accesat în 16 februarie 2015. 
• Finkel, Richard; Cubeddu, Luigi; Clark, Michelle (2009). Lippincott's Illustrated Reviews: Pharmacology (ed. 4th). Lippincott Williams & Wilkins. ISBN 978-0-7817-7155-9. 
• Krebs, Jocelyn E.; Goldstein, Elliott S.; Lewin, Benjamin; Kilpatrick, Stephen T. (2012). Essential Genes. Jones & Bartlett Publishers. ISBN 978-1-4496-1265-8. 
• Fromm, Herbert J.; Hargrove, Mark (2012). Essentials of Biochemistry. Springer. ISBN 978-3-642-19623-2. 
• Hamblin, Jacob Darwin (2005). Science in the Early Twentieth Century: An Encyclopedia. ABC-CLIO. ISBN 978-1-85109-665-7. 
• Helvoort, Ton van (2000). Arne Hessenbruch, ed. Reader's Guide to the History of Science. Fitzroy Dearborn Publishing. ISBN 188496429X. 
• Holmes, Frederic Lawrence (1987). Lavoisier and the Chemistry of Life: An Exploration of Scientific Creativity. University of Wisconsin Press. ISBN 978-0299099848. 
• Horton, Derek, ed. (28 noiembrie 2013). Advances in Carbohydrate Chemistry and Biochemistry, Volume 70. Academic Press. ASIN B00H7E78BG. 
• Hunter, Graeme K. (2000). Vital Forces: The Discovery of the Molecular Basis of Life. Academic Press. ISBN 978-0-12-361811-5. 
• Karp, Gerald (19 octombrie 2009). Cell and Molecular Biology: Concepts and Experiments. John Wiley & Sons. ISBN 9780470483374. 
• Kauffman, G.B.; Chooljian, S.H. (2001). „Friedrich Wöhler (1800–1882), on the bicentennial of his birth”. The Chemical Educator. 6 (2): 121–133. doi:10.1007/s00897010444a. 
• Kleinkauf, Horst; Döhren, Hans von; Jaenicke Lothar (1988). The Roots of Modern Biochemistry: Fritz Lippmann's Squiggle and its Consequences. Walter de Gruyter & Co. p. 116. ISBN 9783110852455. 
• Knowles JR (1980). „Enzyme-catalyzed phosphoryl transfer reactions”. Annu. Rev. Biochem. 49: 877–919. doi:10.1146/annurev.bi.49.070180.004305. PMID 6250450. 
• Metzler, David Everett; Metzler, Carol M. (2001). Biochemistry: The Chemical Reactions of Living Cells. 1. Academic Press. ISBN 978-0-12-492540-3. 
• Miller G; Spoolman Scott (2012). Environmental Science - Biodiversity Is a Crucial Part of the Earth's Natural Capital. Cengage Learning. ISBN 1-133-70787-4. Accesat în 4 ianuarie 2016. 
• Nielsen, Forrest H. (1999). Maurice E. Shils ... et al.., ed. Ultratrace minerals; Modern nutrition in health and disease. Baltimore: Williams & Wilkins. pp. 283–303. Mentenanță CS1: Utilizează parametrul editori (link)
• Peet, Alisa (2012). Marks, Allan; Lieberman Michael A., ed. Marks' Basic Medical Biochemistry (Lieberman, Marks's Basic Medical Biochemistry) (ed. 4th). ISBN 160831572X. 
• Rayner-Canham, Marelene F.; Rayner-Canham, Marelene; Rayner-Canham, Geoffrey (2005). Women in Chemistry: Their Changing Roles from Alchemical Times to the Mid-Twentieth Century. Chemical Heritage Foundation. ISBN 978-0941901277. 
• Rojas-Ruiz, Fernando A; Vargas-Méndez, Leonor; Kouznetsov, Vladimir V (2011). „Challenges and Perspectives of Chemical Biology, a Successful Multidisciplinary Field of Natural Sciences”. Molecules. 16: 2672–2687. doi:10.3390/molecules16032672. ISSN 1420-3049. Arhivat din original la 5 decembrie 2015. 
• Saenger, Wolfram (1984). Principles of Nucleic Acid Structure. New York: Springer-Verlag. ISBN 0-387-90762-9. 
• Slabaugh, Michael R.; Seager, Spencer L. (2013). Organic and Biochemistry for Today (ed. 6th). Pacific Grove: Brooks Cole. ISBN 1133605141. 
• Sherwood, Lauralee; Klandorf, Hillar; Yancey, Paul H. (2012). Animal Physiology: From Genes to Organisms. Cengage Learning. ISBN 978-0-8400-6865-1. 
• Stryer L, Berg JM, Tymoczko JL (2007). Biochemistry (ed. 6th). San Francisco: W.H. Freeman. ISBN 978-0-7167-8724-2. 
• Tropp, Burton E. (2012). Molecular Biology (ed. 4th). Jones & Bartlett Learning. ISBN 978-1-4496-0091-4. 
• UNICEF (2010). Facts for life (PDF) (ed. 4th). New York: United Nations Children's Fund. ISBN 978-92-806-4466-1. 
• Ulveling, Damien; Francastel, Claire; Hubé, Florent (2011). „When one is better than two: RNA with dual functions”. Biochimie. 93 (4): 633–644. doi:10.1016/j.biochi.2010.11.004. PMID 21111023. 
• Varki A, Cummings R, Esko J, Jessica F, Hart G, Marth J (1999). Essentials of glycobiology. Essentials of glycobiology. Cold Spring Harbor Laboratory Press. ISBN 0-87969-560-9. 
• Voet, D; Voet, JG (2005). Biochemistry (ed. 3rd). Hoboken, NJ: John Wiley & Sons Inc. ISBN 9780471193500. Arhivat din original la 11 septembrie 2007. 
• Whiting, G.C (1970). „Sugars”. În A.C. Hulme. The Biochemistry of Fruits and their Products. Volume 1. London & New York: Academic Press. ISBN 0123612012. 
• Ziesak, Anne-Katrin; Cram Hans-Robert (18 octombrie 1999). Walter de Gruyter Publishers, 1749-1999. Walter de Gruyter & Co. ISBN 978-3110167412.