Elementele carbon, hidrogen, azot, oxigen, sulf și fosfor sunt elementele cheie ale compușilor chimici care formează componentele moleculare fundamentale ale tuturor organismelor vii: carbohidrații, lipidele, proteinele și acizii nucleici.
Blocurile de bază ale moleculelor
La nivel fundamental viața este alcătuită din materie. Materia ocupă spațiu și are masă. Toată materia este compusă din elemente, substanțe care nu pot fi descompuse sau transformate chimic în alte substanțe. Fiecare element este format din atomi, Un atom constă din protoni, neutroni și electroni, are un număr constant de protoni și prezintă proprietăți unice. Atomii sunt cele mai mici unități ale unui element care păstrează toate proprietățile acelui element. Electronii pot fi donați sau împărțiți între atomi pentru a crea legături ionice, covalente sau de hidrogen, precum și interacțiuni van der Waals.
În total au fost definite 118 de elemente, dintre care 92 apar în mod natural și 26 sunt instabile – nu există pentru foarte mult timp – sau teoretice – încă nu au fost detectate. Dintre cele 92 de elemente care apar în mod natural, mai puțin de 30 se găsesc în celulele vii. Fiecare element este desemnat prin simbolul său chimic (cum ar fi H, N, O, C și Na) și posedă proprietăți unice. Toate cele 92 de elemente au calități unice care le permit să se combine în felurite moduri pentru a crea compuși sau molecule (Figura 1.1).
Figura 1.1: Aranjate în coloane și rânduri pe baza caracteristicilor elementelor, tabelul periodic oferă informații cheie despre elemente și modul în care acestea ar putea interacționa între ele pentru a forma molecule. Majoritatea tabelelor periodice furnizează o cheie sau o legendă a informațiilor pe care le conțin.
Apa
Apa are multe proprietăți esențiale pentru menținerea vieții.
- Este polară, permițând formarea legăturilor de hidrogen, care la rândul lor permit ionilor și altor molecule polare să se dizolve în apă. Prin urmare, apa este un solvent excelent.
- Legăturile de hidrogen din moleculele de apă conferă apei capacitatea de a reține căldura mai bine decât multe alte substanțe. Pe măsură ce temperatura crește, legăturile de hidrogen din apă se rup și se refac constant, ceea ce permite temperaturii generale să rămână stabilă deși energia sistemului crește.
- Forțele de coeziune ale apei au proprietatea de tensiune superficială.
Toate aceste proprietăți unice ale apei sunt importante în chimia organismelor vii.
Moleculele biologice
Macromoleculele biologice sunt molecule mari, necesare vieții, construite din molecule organice mai mici. Există patru clase majore de macromolecule biologice: carbohidrați, lipide, proteine și acizi nucleici. Fiecare dintre aceste clase este o componentă moleculară fundamentală a celulei, pentru care îndeplinește o gamă largă de funcții. Combinate, aceste molecule constituie majoritatea masei unei celule. Macromoleculele biologice sunt organice, ceea ce înseamnă că ele conțin carbon. În plus, ele mai pot conține hidrogen, oxigen, azot, fosfor, sulf și alte elemente chimice de mai mică importanță pentru organismele vii.
Carbonul
Auzim adesea că viața este „bazată pe carbon”. Aceasta înseamnă că atomii de carbon, legați de alți atomi de carbon sau de alte elemente, formează componentele fundamentale ale multor, dacă nu chiar cele mai multe, dintre moleculele găsite numai în viețuitoare. Există și alte elemente care joacă roluri importante în moleculele biologice, dar, cu certitudine, carbonul este elementul „de bază” al acestor molecule. Rolul atât de important al carbonului se datorează proprietăților de legătură ale atomilor săi.
Legăturile de carbon
Carbonul conține patru electroni în învelișul său exterior. Cele patru legături covalente ale atomului de carbon pot da naștere la o mare diversitate de compuși cu numeroase funcții, explicând astfel importanța carbonului în ființele vii. Cea mai simplă moleculă de carbon organic este metanul (CH4), în care patru atomi de hidrogen se leagă de un atom de carbon. Există structuri complexe pe bază de carbon. Oricare dintre atomii de hidrogen din metan poate fi înlocuit cu un alt atom de carbon legat covalent de primul atom de carbon. În acest fel, se pot realiza lanțuri lungi și ramificate de compuși ai carbonului (Figura 1.2 (a)). Atomii de carbon se pot lega de atomii altor elemente, cum ar fi azotul, oxigenul și fosforul (Figura 1.2 (b)). În plus, moleculele pe bază de carbon pot forma inele, care la rândul lor se pot lega de alte inele (Figura 1.2 (c)).
Diversitatea de forme moleculare explică diversitatea funcțiilor macromoleculelor biologice și se bazează într-o mare măsură pe capacitatea carbonului de a forma multiple legături cu el însuși și cu alți atomi.
Figura 1.2: Aceste exemple prezintă trei molecule (găsite în organismele vii) care conțin atomi de carbon legați în diferite moduri de alți atomi de carbon și de atomii altor elemente. (a) Această moleculă de acid stearic are un lanț lung de atomi de carbon. (b) Glicina, o componentă a proteinelor, conține atomi de carbon, azot, oxigen și hidrogen. (c) Glucoza, un zahăr, are un inel de atomi de carbon și un atom de oxigen.
Carbohidrații
Carbohidrații sau glucidele sunt un grup de macromolecule care reprezintă o sursă vitală de energie pentru celulă. Ei oferă suport structural multor organisme și se găsesc pe suprafața celulei ca receptori sau pentru recunoașterea celulelor.
Carbohidrații sunt reprezentați prin formula (CH2O)n, unde n este numărul de atomi de carbon din moleculă. Altfel spus, în moleculele de carbohidrați raportul carbon la hidrogen la oxigen este de 1:2:1. În funcție de numărul de monomeri din moleculă, carbohidrații se clasifică în trei categorii: monozaharide, dizaharide și polizaharide.
Lipidele
Lipidele constituie un grup divers de compuși uniți de o caracteristică comună. Concret, lipidele sunt o clasă de macromolecule nepolare și hidrofobe (insolubile în apă) în natură. Acest lucru se datorează faptului că lipidele sunt hidrocarburi care au numai legături nepolare de tip carbon-carbon sau carbon-hidrogen.
Într-o celulă lipidele îndeplinesc mai multe funcții. Celulele stochează energie pentru utilizare pe termen lung sub formă de lipide numite grăsimi. Lipidele izolează plantele și animalele de mediul lor de viață. De exemplu, datorită faptului că resping apa, lipidele ajută păsările și mamiferele acvatice să se mențină uscate. Lipidele sunt, de asemenea, elementele constitutive ale mai multor hormoni și sunt un component important al membranei plasmatice.
Principalele tipuri de lipide sunt: grăsimi și uleiuri, ceruri, fosfolipide și steroizi. O moleculă de grăsime, cum este triglicerida, constă din două componente principale: glicerol și acizi grași. Glicerolul este un compus organic cu trei atomi de carbon, cinci atomi de hidrogen și trei grupări hidroxil (–OH). Acizii grași au un lanț lung de hidrocarburi de care este atașată o grupare carboxil acidă, de unde și denumirea de „acid gras”. Numărul de atomi de carbon dintr-un acid gras poate varia de la 4 la 36; cei mai des întalniți acizi grași sunt cei care conțin între 12 și 18 atomi de carbon. Într-o moleculă de grăsime, un acid gras este atașat printr-o legătură covalentă de fiecare dintre cei trei atomi de oxigen ai gruparilor (–OH) ale moleculei de glicerol (Figura 1.3).
Figura 1.3: Lipidele cuprind grăsimi precum trigliceridele (care sunt alcătuite din acizi grași și glicerol), fosfolipide și steroizi.
Proteinele
Proteinele sunt printre cele mai întâlnite molecule organice ale materiei vii și au cea mai diversă gamă de funcții dintre toate macromoleculele. Proteinele pot fi structurale, de reglare, contractile sau de protecție; pot servi în transport, depozitare sau membrane; sau pot fi toxine sau enzime. Fiecare celulă a unui sistem viu poate conține mii de proteine diferite iar fiecare dintre acestea îndeplinește o funcție unică. Deși structurile și funcțiile proteinelor variază foarte mult, toate proteinele sunt polimeri de aminoacizi care sunt asezați liniar formând lanțuri. Există 20 de aminoacizi diferiți chimic care se pot așeza în orice ordine în interiorul unui lanț lung. O consecință a acestei varietați structurale este varietatea de funcții îndeplinite de proteine. Astfel, proteinele pot funcționa ca enzime sau ca hormoni.
Enzimele, care sunt produse de celulele vii, sunt catalizatori ai reacțiilor biochimice (precum digestia) și de obicei sunt proteine. Fiecare enzimă este specifică substratului asupra căruia acționează, unde substratul este un reactant care se leagă de o enzimă. Funcțiile enzimelor cuprind ruperea legăturilor moleculare, rearanjarea legăturilor și formarea de noi legături. Un exemplu de enzimă este amilaza salivară, care descompune o componentă a amidonului numită amilază.
Hormonii sunt molecule de semnalizare chimică, de obicei proteine sau steroizi, secretate de o glandă endocrină sau de un grup de celule endocrine, care controlează sau reglează anumite procese fiziologice, printre care creșterea, dezvoltarea, metabolismul și reproducerea. De exemplu, insulina este un hormon proteic care menține nivelul glicemiei.
Proteinele au diferite forme și greutăți moleculare; unele proteine au formă globulară, în timp ce altele sunt fibroase în natură. De exemplu, hemoglobina este o proteină globulară iar colagenul, care se găsește în pielea noastră, este o proteină fibroasă. Forma unei proteine este esențială pentru funcția sa. Modificările de temperatură, pH și expunerea la substanțe chimice pot duce la modificări permanente ale formei unei proteine, care pot duce la pierderea funcției ei sau denaturare.
Toate proteinele sunt formate din aranjamente diferite ale acelorași 20 de tipuri de aminoacizi. Aminoacizii sunt monomerii care alcătuiesc proteinele. Fiecare aminoacid are aceeași structură fundamentală, care constă dintr-un atom central de carbon legat de o grupare amino (–NH2), o grupare carboxil (–COOH) și un atom de hidrogen. În plus, fiecare aminoacid are așa-numitul grup R, care este un atom variabil sau un grup de atomi legați de atomul de carbon central. Grupul R este singura diferență de structură dintre cei 20 de aminoacizi; fără grupul R toți aminoacizii sunt identici (Figura 1.4). Natura chimică a aminoacidului dintr-o proteină este determinată de natura chimică a grupului său R (care poate fi acid, bazic, polar sau nepolar). Forma, dimensiunea și funcțiile unei proteine sunt determinate de secvența și numărul ei de aminoacizi. Fiecare aminoacid este atașat de un alt aminoacid printr-o legătură covalentă numită legătură peptidică care se formează printr-o reacție de dezhidratare. Grupul carboxil al unui aminoacid se combină cu grupul amino al unui alt aminoacid și eliberează o moleculă de apă. Legătura astfel rezultată este o legătură peptidică. Compușii formați prin astfel de legături se numesc polipeptide.
Termenii polipeptidă și proteină sunt folosiți uneori interschimbabil. Dacă termenul polipeptidă este folosit în sens strict tehnic, adică polimer de aminoacizi, termenul proteină este folosit pentru a desemna una sau mai multe polipeptide combinate împreună, care au formă distinctă și funcție unică.
Figura 1.4: Aminoacizii sunt alcătuiți dintr-un carbon central legat de o grupare amino (–NH2), o grupare carboxil (–COOH) și un atom de hidrogen. A patra legătură a carbonului central variază între diferiți aminoacizi, așa cum se vede din exemplele prezentate: alanină, valină, lizină și acid aspartic.
Acizii nucleici
Acizii nucleici sunt macromolecule esențiale pentru continuitatea vieții. Ei conțin planul genetic al unei celule și instrucțiunile de funcționare a acesteia. Există două tipuri de acizi nucleici: acidul dezoxiribonucleic (ADN) și acidul ribonucleic (ARN). ADN-ul este materialul genetic care se găsește în toate organismele vii, de la bacterii unicelulare până la mamifere pluricelulare. Moleculele de ADN nu părăsesc niciodată nucleul. Ele comunică cu restul celulei folosind un intermediar, care este un acid nucleic de tip ARN. Există mai multe tipuri de ARN, care în principal sunt implicate în mecanismul de sinteză a proteinelor.
ADN-ul și ARN-ul sunt alcătuite din monomeri cunoscuți sub numele de nucleotide. Nucleotidele se combină între ele pentru a forma o polinucleotidă de tip ADN sau ARN. Fiecare nucleotidă este alcătuită din trei componente: o bază azotată, un zahăr de tip pentoză (cu cinci atomi de carbon) și un radical fosfat, care este un rest de acid fosforic (anorganic) (Figura 1.5). Fiecare bază azotată dintr-o nucleotidă este atașată de o moleculă de pentoză, care este atașată de un radical fosfat.
Figura 1.5: Structura unei nucleotide.
Macromolecula de ADN are o structură de elice dublă (Figura 1.6). Ea este compusă din două catene, sau polimeri, de nucleotide. O catenă se formează prin legarea radicalului fosfat al unei nucleotide de pentoza nucleotidei adiacente. Cele două catene sunt legate între ele prin legăturile de hidrogen dintre bazele lor azotate, care astfel formează perechi de baze. Catenele se înfășoară una în jurul celeilalte de-a lungul lungimii lor, ca două șuvițe de păr împletite, de unde și descrierea lor de spirală dublă.
La exteriorul fiecărei catene se află grupările de zahăr și radical acid fosforic, care alternează, formând astfel așa-zisa balustradă a ADN-ului. La interiorul fiecărei catene se află bazele ei azotate, care sunt cuplate cu omoloagele lor din cealaltă catenă prin așa-zisele punți de hidrogen, formând astfel treptele așa-zisei scări a ADN-ului. Cuplarea perechilor de baze azotate este făcută astfel încât distanța dintre axele celor două catene rămâne aceeași de-a lungul unei macromolecule de ADN.
Figura 1.6: Modelul elice dublă reprezintă macromolecula de ADN prin două catene sau șuvițe împletite, fiecare dintre acestea fiind formată din molecule de nucleotide (credit: Jerome Walker, Dennis Myts).
Adenozina trifosfat (ATP)
De unde provine energia din interiorul celulei care alimentează reacțiile chimice petrecute acolo? Răspunsul este de la o moleculă care furnizează energie, pe care oamenii de știință au numit-o adenozină trifosfat sau ATP, care este un precursor al ADN-ului și al ARN-ului. ATP este o moleculă mică, relativ simplă, care are potențialul de a produce, la ruperea unora din legăturile sale, o explozie rapidă, a cărei energie poate fi întrebuințată pentru activitatea celulară. Această moleculă joacă rolul de monedă în schimburile de energie celulare, în același mod în care banii sunt moneda de schimb folosită de oameni pentru a-și procura bunurile de care au nevoie. Majoritatea reacțiilor celulare care necesită aport de energie o obțin de la molecula de ATP (Figura 1.7).
Figura 1.7: Molecula de ATP are o coloană vertebrală de adenozină de care sunt atașate trei grupări fosfat.
Adenozina trifosfat este alcătuită dintr-o adenozină legată de trei grupări fosfat. Adenozina este un nucleozid format dintr-o bază azotată numită adenină și un zahăr cu cinci atomi de carbon numit riboză. Cele trei grupări fosfat, de la cea mai apropiată până la cea mai îndepărtată în raport cu zahărul ribozei, sunt: alfa, beta și gamma. Aceste grupări chimice formează împreună o centrală energetică.
Dar nu toate legăturile din cadrul moleculei de ATP există într-o stare de energie ridicată. Două din cele trei legături dintre adenozină și grupările fosfat sunt legături cu energie ridicată (legături fosfoanohidride) care, atunci când sunt rupte, eliberează suficientă energie pentru a alimenta o varietate de reacții și procese celulare. Legăturile cu energie ridicată sunt legăturile dintre prima și a doua grupare fosfat (alfa și beta) respectiv dintre a doua și a treia grupare fosfat (beta și gamma) Aceste legături au „energie ridicată” deoarece produsele unei astfel de legături – adenozină difosfat (ADP) și o grupare anorganică de fosfat (Pi) – au o energie liberă considerabil mai mică decât reactanții: o moleculă de ATP și o moleculă de apă. Această reacție este o reacție de hidroliză deoarece ea are loc folosind o moleculă de apă. Astfel, ATP se hidrolizează în ADP prin următoarea reacție:
ATP + H2O → ADP + Pi + energie liberă
Transformarea ATP în ADP prin hidroliză este reversibilă, așa cum sunt majoritatea reacțiilor chimice. Reacția inversă regenerează ATP din ADP și Pi. Celulele se bazează pe regenerarea ATP la fel cum oamenii se bazează pe un venit pentru a-și regenera banii cheltuiți. Deoarece hidroliza ATP eliberează energie, regenerarea ATP are nevoie de un aport de energie liberă. Următoarea ecuație ilustrează formarea ATP:
ADP + Pi + energie liberă → ATP + H2O
Hidroliza unei molecule de ATP eliberează 7,3 kcal / mol de energie.
Referințe:
- Fowler, Samantha, et al. Concepts of Biology. OpenStax College, Rice University, 2013. Download for free at: https://openstax.org/details/books/concepts-biology.
- Clark, Mary, Jung Choi, and Matthew Douglas. Biology 2E. 2018. Access for free at https://openstax.org/details/books/biology-2e.
- https://anatomie.romedic.ro/adn.