Începând cu anii 1800, s-a dezvoltat sinteza compușilor componenți ai structurii organismelor, de către oamenii de stiință. Friedrich Wöhler a sintetizat ureea, un produsul de degradare al metabolismului proteic, în anul 1828. Din acel moment s-a stabilit o corelație între fiziologie și chimie.
Compușii chimici sunt clasificați în organici și anorganici. Organismul uman prezintă patru tipuri principale de compuși organici, și anume: glucidele, lipidele, proteinele și acizii nucleici.
Legarea atomilor între ei pentru formarea moleculelor stă la baza formării substanțelor organice. Unitățile fundamentale din care sunt alcătuite elementele chimice sunt reprezentate de atomi, iar unitățile de bază ale compușilor sunt reprezentate de molecule.
Elementele chimice sunt cele care alcătuiesc una sau mai multe componente fundamentale, care stau la baza formării întregii materii din univers. Per total, sunt existente 92 de elemente în natură, iar multe altele au fost sintetizate de către oamenii de știință. Prin mijloce chimice, nu poate fi dezintegrat un element în alte componente mai simple. Elementele acestea sunt: oxigenul, fierul, calciul, sodiul, carbonul, hidrogenul și azotul.
Acestor elemente le sunt atribuite simboluri derivate din limba latină, cum ar fi sodiul (din latinescul natrium), care se prescurtează Na, potasiul (kalium), se prescurtează K, fierul (ferrum) se prescurtează Fe. Trebuie reținut că hidrogenul, carbonul, oxigenul și azotul alcătuiesc peste 90% din greautatea corpului omenesc.
Atomii intră în alcătuirea elementelor și reprezintă cea mai mică parte dintr-un element, care au capacitatea de a intra în combinații cu atomii altor elemente. Degradarea unui atom în subunități mai mici nu se poate efectua fără a-și pierde proprietățile elementare.
Protonii și neutronii (nucleari) intră în alcătuirea atomilor, fiind înconjurați de electroni care orbitează. Masa unui proton încărcat pozitiv diferă de masa unui electron încărcat negativ (de aproximativ 1835 ori), iar neutronul nu este încărcat din punct de vedere electric, dar are aceeași greutate ca protonul. Pentru formarea nucleului dens, încărcat pozitiv al atomului, protonii și neutronii aderă strâns în jurul acestuia, iar electronii orbitează în jurul nucleului pe straturi. Numărul de masă (masa atomică) reprezintă suma protonilor și neutronilor dintr-un atom, iar numărul atomic pentru un element reprezintă numărul protonilor dintr-un atom.
Câteva elemente chimice prezente la organismele vii, simbolurile și masele lor atomice
Câteva elemente chimice prezente la organismele vii, simbolurile și masele lor atomice
Este importantă distribuția electronilor dintr-un atom, așadar, când electronii se află în număr complet pe stratul extern, atomii sunt cel mai stabili. Numărul acestor electroni poate fi de doi (pentru hidrogen și heliu) sau de opt electroni. Până când stratul extern este complet și atomul stabil, acesta tinde să primească sau să cedeze electroni.
Există elemente, cum ar fi heliul, neonul și kryptonul, care au atomi ce prezintă straturi externe complete. Acestea se numesc elemente inerte fiindcă nu intră în reacție cu alți atomi.
Pentru reacțiile chimice ale atomilor sunt fundamentale cedarea sau primirea electronilor. Oxidarea reprezintă o reacție ce se manifestă cu pierderea de electroni. Reducerea reprezintă reacția ce se manifestă total opus față de oxidare, adică cu primire de electroni. Reacțiile acestea au loc împreună și poartă numele de reacții de oxido-reducere.
Atomii sunt considerați neîncărcați (neutri), dacă poartă același număr de electroni și protoni. Aceștia devin ioni în momentul în care pierd sau primesc electroni. Un ion ce prezintă un proton în plus are o sarcină pozitivă, iar dacă are un electron în plus are sarcină negativă. În fiziologia omului sunt importanți ionii de sodiu, de calciu, de potasiu și multe alte tipuri.
Izotopii reprezintă variația neutronilor unui element, chiar dacă numărul protonilor este același pentru toți atomii. Izotopii au masa atomică diferită și același număr atomic. Ca exemplu putem lua carbonul, care are numărul atomic 6 și numărul de masă 12. Izotopul de carbon (14C), care are doi neutroni în plus, are numărul atomic 6, dar numărul de masă 14.
Moleculele sunt combinații chimice de doi sau mai mulți atomi. Compunerea moleculelor unui element se face dintr-un singur tip de atom. De exemplu, molecula gazului hidrogen (H₂) sau oxigen (O2).
Compușii sunt alcătuiți din moleculele care sunt formate din două sau mai multe tipuri de atomi. Ca exemple avem apa (H2O) și glucoza, formată din molecule de carbon, oxigen și hidrogen (C6H12O6).
Proprietățile sunt determinate de dispoziția atomilor în moleculă. Masa moleculară este egală cu masa atomică a atomilor din moleculă, iar ca exemplu masa moleculară a apei este 18.
Daltonul este unitatea de măsură a maselor moleculare (un dalton reprezintă masa unui atom de hidrogen; așadar, un compus cu masa moleculară 18 este de 18 ori mai greu decât un atom de hidrogen). Daltonul ne sugerează o idee relativă despre mărimea unei molecule.
Legăturile chimice se formează între atomi, pentru a se lega unii de ceilalți, alcătuind moleculele. Pentru formarea acestei legături, atomii trebuie să se apropie suficient astfel încât straturile lor electronice să se suprapună. Ulterior, electronii se schimbă sau se împart pentru formarea legăturii chimice. Legăturile chimice sunt de mai multe tipuri, cum ar fi: legături ionice, covalente și de hidrogen.
Legătura ionică se realizează atunci când electronii unui atom sunt cedați unui alt atom. De aici rezultă doi atomi încărcați electric, numiți ioni. Acești ioni au sarcinile electrice opuse (pozitivă și negativă), ei atrăgându-se între ei și rezultând o legătură ionică. Ionii de sodiu și clor combinați în acest mod formează clorura de sodiu.
Legătura covalentă este al doilea tip de legătură. Această legătură se realizează în condițiile în care doi atomi pun în comun cel puțin un electron. Ca un exemplu, în formarea moleculei de metan (CH4), carbonul își împarte electronii cu patru atomi de hidrogen, iar atomii de oxigen și hidrogen împart electroni asfel încât să formeze moleculele de apă (H2O).
Legătura este simplă atunci când o singură pereche de electroni este împărțită, iar când sunt două perechi împărțite, legătura este dublă.
Carbonul are doar patru electroni în stratul extern, fiind renumit pentru că deține capacitatea de participare la o multitudine de legături covalente. În acest mod el se poate combina cu încă patru atomi sau cu grupuri de atomi. Compușii carbonilici prezintă o mare diversitate, astfel încât chimia umană și chimia organică vizează aproape exclusiv de chimia carbonului.
Legătura de hidrogen reprezintă alt tip de legătură, fiind una slabă și este compusă prin atracții între părți ale moleculelor ușor pozitive și părți ușor negative. Legăturile de hidrogen au rolul de a păstra împreună moleculele de apă și se găsesc și la componentele acizilor nucleici, având rolul de a menține structura de dublu helix a ADN-ului. În funcție de acestea depinde forma tridimensională a proteinelor.
Cele trei tipuri de legături chimice din moleculele organice
Reacția chimică reprezintă procesul prin care substanțele chimice interacționează între ele pentru formarea unor legături noi. În cadrul unei reacții chimice, reactanții pot naște diverși produși de reacție, cum ar fi o moleculă reactantă care poate fi separată în două molecule ca produs al reacției chimice.
Procesul numit hidroliză constă în introducerea apei în reacție și este un alt tip de reacție chimică, precum și cea de oxido-reducere, care implică schimbul de electroni.
Apa reprezintă unul dintre componentele importante din multe reacții chimice, atât ca moleculă rezultantă din reacție, cât și pe post de compus adăugat reactanților. Aceasta este solventul universal în organismul uman, iar toate reacțiile fiziologice au loc în apă. Peste 75% din compoziția organismului este reprezentată de apă.
Acidul este reprezentat de compusul chimic care eliberează ioni de hidrogen în momentul adăugării lui în apă. Ionii de hidrogen (protoni) sunt eliberați de către acidul clorhidric atunci când acesta este pus în apă. Atunci când acidul eliberează toți ionii de hidrogen, acesta este considerat ca fiind un acid tare (acidul clorhidric, sulfuric, azotic), iar când acidul eliberează doar câțiva ioni de hidrogen, este considerat un acid slab (acidul carbonic). Gustul acizilor este acru și au proprietatea de a reacționa cu multe metale.
Aciditatea soluției este determinată de concentrația de protoni eliberați. Pentru scrierea formulei moleculare a unui acid, hidrogenul este primul atom din formulă, de exemplu, HCl este reprezentat de acidul clorhidric și H2SO4 acidul sulfuric.
Bazele sunt reprezentate de compușii chimici care atrag hidrogenul în momentul adăugării apei, de exemplu, hidroxidul de sodiu (NaOH) și hidroxidul de potasiu (KOH). În momentul introducerii acestor compuși în apă, ionii de hidrogen sunt atrași și eliberează radicalul ionic hidroxil (-OH), rezultând o soluție bazică (alcalină). NaOH și KOH sunt baze tari, iar componentele acizilor nucleici, cum ar fi adenina și guanina, sunt baze slabe. Bazele sunt alunecoase la pipăit și au gust amar. Hidroxidul de amoniu este compusul apărut în urma reacției dintre apă și amoniac (produs de degradare al metabolismului proteic). Amoniacul formează ionul amoniu prin acceptarea unui proton.
PH-ul este un logaritm zecimal cu semn schimbat al concentrației ionilor de hidrogen care ajută la măsurarea acidității sau alcalinității unei substanțe. PH-ul substanței are valoarea 7,0 (ex: apa pură) dacă numărul ionilor de hidrogen este egal cu numărul ionilor hidroxil. În cazul scăderii valorii pH-ului, substanțele sunt acide, așadar o substanță mai acidă are un pH mai mic. În cazul valorilor pH-ului mai mari de 7, substanțele sunt alcaline, iar valoarea cea mai mare a pH-ului alcalin este de 14,0.
În cazul unei soluții cu pH 6, aceasta prezintă de 10 ori mai mulți ioni de hidrogen decât o soluție neutră, iar în cazul unei soluții cu pH 5, aceasta are de 100 de ori mai mulți ioni de hidrogen. Pentru o soluție cu pH 8, numărul de ioni de hidrogen al unei soluții neutre reprezintă 1/10 din acesta, iar în cazul uneia cu pH 9 are 1/100 din ionii de hidrogen al soluției neutre. Prin urmare, cu cât concentrația ionilor de hidrogen e mai mică, cu atât este mai mare concentrația ionilor hidroxil.
Valoarea pH-ului pentru câteva fluide ale corpului
Multitudinea tipurilor de compuși organici, atât din organismul uman, cât și din celelalte organisme vii, se împart în patru categorii. Aceste categorii sunt glucidele, lipidele, proteinele și acizii nucleici.
Glucidele au rol de sursă de energie și materie structurală pentru organismul uman. Acestea sunt alcătuite din carbon, hidrogen și oxigen, iar ponderea atomilor de hidrogen față de cei de oxigen este de 2:1. Zaharidele sunt glucidele simple care sunt clasificate în: monozaharide, dacă sunt compuse dintr-o singură unitate moleculară și dizaharide, dacă sunt compus din două unități moleculare monozaharidice legate covalent între ele.
Glucoza este cea mai des întâlnită monozaharidă din organismul uman (C6H12O6) și reprezintă combustibilul de bază al acestuia. Are loc procesul de dizolvare al glucozei în fluidele organismului și transportul în toate celulele, unde are loc degradarea chimică cu eliberare de energie.
Fructoza și galactoza sunt alte monozaharide care au aceeași formulă moleculară cu a glucozei, dar au atomii aranjați diferit. Astfel de tipuri de molecule reprezintă izomerii.
Maltoza, zaharoza și lactoza sunt trei dizaharide importante pentru organismul uman. Maltoza este o combinație de două unități glucidice și rezultă din degradarea amidonului în intestin. Zaharoza sau zahărul de masă este o sursă de energie pentru organism și se formează prin unirea glucozei cu fructoza. Lactoza este principala zaharidă din lapte și este compusă din molecula de glucoză și galactoză.
Polizaharidele sunt glucide compuse care se formează prin combinații între diverse monozaharide. Amidonul este una dintre cele mai importante polizaharide și este compus din mii de unități glucidice. Acesta, la nivelul plantelor, este forma de depozitare a glucidelor. Glucoza provenită din amidonul diverselor plante cum ar fi: orez, grâu, porumb și cartofi satisface nevoile energetice a unei părți mari din populația mondială.
Glicogenul este o altă polizaharidă importantă, care este compus din mii de unități glucidice, însă legate în alt mod față de amidon. Acesta reprezintă cea mai importantă formă de depozitare a glucozei la nivelul ficatului și mușchilor scheletici.
Celuloza este tot o polizaharidă importantă și este alcătuită din unități glucidice. Diferența dintre aceasta și celelalte polizaharide constă în faptul că doar câteva specii de microorganisme pot rupe legăturile ei covalente. Aceasta se află în pereții celulari ai plantelor și are rolul de a furniza fibrele alimentare din organism.
Macromolecule importante ale organismelor vii
Atomii de carbon, hidrogen și oxigen compun moleculele organice care stau la baza formării lipidelor. Față de glucide, raportul atomilor de hidrogen comparativ cu cel al atomilor de oxigen este mult mai mare la lipide. Acestea includ: ceruri (ex. cerumenul), grăsimi și steroizi (stă la baza formării unora dintre hormoni). Printre alte lipide menționăm fosfolipidele, care se află în membrana celulară și conțin fosfor.
Grăsimile sunt alcătuite dintr-o moleculă de glicerol și între 1 și 3 molecule de acid gras, formând astfel mono-, di- și trigliceridele. Acidul gras este compus dintr-un lanț lung de atomi de carbon, o grupare (-COOH) de acid organic asociată cu atomi de hidrogen. Din punct de vedere structural, acizii grași sunt la fel sau pot fi diferiți. Deshidratarea reprezintă reacția de eliminare de apă cu formarea unei molecule de glicerol legată de un acid gras printr-o legătură covalentă. Atomii de carbon dintr-un acid gras au numărul variabil între 4 și 24.
Acizii grași nesaturați sunt acizii grași care prezintă una sau mai multe legături duble în moleculă, cu proprietatea de a lega mai mulți atomi de hidrogen. Acizii grași mononesaturați sunt cei care au o singură legătură dublă, iar acizii polinesaturați sunt cei care prezintă două sau mai multe legături duble.
Acizii grași care nu prezintă legături duble se numesc acizi grași saturați. În diferitele afecțiuni este de preferat ca dieta să conțină în locul acizilor saturați, acizi grași nesaturați.
Depozitate în celule, grăsimile sunt păstrate sub aspectul unor picături clare. Țesutul adipos este locul de depozitare al grăsimilor intracelular, atât la animale, cât și la om. Grăsimile stocate în acest mod înmagazinează multă energie și sunt de mare ajutor organismului. Lipaza este enzima care degradează grăsimile în timpul digestiei până la acizi grași și glicerol.
Proteinele sunt structuri complexe cu mărimi considerabile care pot fi ușor de înțeles datorită aminoacizilor. Aminoacizii sunt unități aflate în componența proteinelor și conțin atomi de carbon, hidrogen, oxigen și azot. Mai pot fi prezenți câteodată atomi de sulf sau fosfor în structura proteinelor. Aminoacizii sunt de diferite tipuri, în număr de 20, iar fiecare având are atașat:
Aminoacizii diferă în funcție de gruparea radical (-R), unicitatea lor constând în aranjamentul, tipul, numărul de atomi din această grupare și totodată exprimându-se prin tipurile de legături și gradul de alcalinitate sau aciditate.
Câteva exemple de aminoacizi sunt:
Deshidratarea sau eliminarea unei molecule de apă reprezintă reacția chimică care stă la baza formării unei proteine. Aceasta constă în legarea aminoacizilor unul de celălalt prin înlăturarea atomului de hidrogen din gruparea amino a unui aminoacid și înlăturarea hidroxilului grupării acide a celui de-al doilea aminoacid. Ulterior gruparea amino se leagă de gruparea acid cu eliberarea acelei molecule de apă. Legătura peptică este legătura care se formează între cei doi aminoacizi. Peptidă este termenul folosit pentru proteinele mici.
Pentru sinteza componentelor celulare, a hormonilor și a enzimelor, corpul uman are nevoie de proteine (de ex, proteinele musculare). Hormonii au rolul de a regla chimic organismul. Enzimele sunt și ele proteine și au rolul de a cataliza majoritatea reacțiilor chimice care au loc la nivel celular. Acestea nu se consumă în reacție, ci rămân disponibile pentru catalizarea reacțiilor viitoare.
Enzimele asigură locul unde substanțele chimice pot interacționa în timpul unei reacții, așadar chimia celulară nu poate avea loc fără acestea. Ca să aibe loc, reacțiile de sinteză și de descompunere depind foarte mult de aceste enzime.
Găsite în afara celulelor, proteinele au rol de suport și întărire. Ele se găsesc în cantități mari în oase, cartilaje, tendoane și ligamente. Sunt mulți hormoni care sunt compuși din proteine, cum ar fi insulina sau hormonul de creștere.
În organism, diversele celule produc proteine unice, astfel în nucleul celulelor se găsesc informațiile pentru sinteza acestor proteine unice. Codul genetic din ADN este cel care determină secvența de aminoacizi din proteina finală. Genele sunt unități funcționale care conțin acest cod în cromozomii celulei.
O altă sursă de energie pentru celulă pot fi aminoacizii proteinelor. La nevoie, ficatul extrage gruparea amino a unui aminoacid, iar acest compus rezultat este folosit de organism pentru energie.
Acizii nucleici, asemenea proteinelor, sunt molecule foarte mari, formate din mai multe subunități. Nucleotidele sunt unitățile acizilor nucleici. Baza azotată (are proprietăți bazice) este o moleculă care conține azot și se găsește în fiecare nucleotid alături de o grupare fosfat, fiind legate de o moleculă glucidică.
Acizii nucleici din celulele organismului uman sunt de două tipuri: acidul dezoxiribonucleic sau ADN și acidul ribonucleic sau ARN. Cel care stă la baza formării genelor este ADN-ul și se găsește în cei 46 de cromozomi ai nucleului celular. În nucleol, nucleu și citoplasma celulelor se găsește ARN-ul care participă împreună cu ADN-ul la sinteza proteinelor.
ADN-ul și ARN-ul diferă ușor când vine vorba despre componentele lor, așadar diferență constă în cei 5 atomi de carbon pe care îi are glucida ADN-ului și poartă numele de dezoxiriboză, față de ARN care conține doar riboză. O asemănare între ele este faptul că amândouă conțin grupări fosfat. Aceste grupări au rolul de a lega moleculele de dezoxiriboză sau riboză una de cealaltă în lanțul nucleotidic și de a forma „scheletul” lanțului.
O altă asemănare între ele constă în componente, ambele având bazele adenină, guanină și citozină, iar altă diferență constă în baza timină conținută de ADN și baza uracil conținută de ARN. Citozina, timina și uracilul sunt molecule pirimidinice, iar adenina și guanina sunt molecule purinice.
În 1953 a fost propus de către doi biochimiști un model universal pentru structura ADN-ului. Acesta constă în ADN-ul cu două lanțuri lungi de nucleotide care au bazele îndreptate spre interior, putând fi comparate cu treptele unei scări. Pentru formarea unei trepte, se împerechează guanina și citozina și totodată adenina și timina. Bazele complementare sunt adenina și timina; guanina și citozina.
Principiul complementarității bazelor constă în acest mod de aranjare.
Dublul helix este felul în care se împletesc cele două lanțuri nucleotidice și este asemănător unei scări în spirală, numindu-se așadar „spirala vieții”. Bazele lanțurilor nucleotidice sunt menținute prin legături slabe de hidrogen.
Comparație între ADN și ARN
Ordinea corectă a aminoacizilor de la nivelul proteinelor ce urmează a fi sintetizate este dată de secvența de baze ADN. Esența codului genetic este reprezentată de această succesiune a bazelor ADN.
ADN-ul se replică înainte ca celula să se dividă, așadar în organismul uman se replică 46 de cromozomi (sau molecule de ADN). Fiecare nouă celulă conține cei 46 de cromozomi replicați.
Replicarea ADN-ului are loc din momentul ruperii sau „desfacerii” dublului helix de către enzimele specializate. Bazele purinice și pirimidinice de pe fiecare catenă sunt expuse odată cu separarea celor două catene. Nucleotidele complementare sunt atrase de baze, care le fac să stea în opoziție. Componentele nucleotidice sunt unite de către enzima ADN polimeraza și formează un șir lung de nucleotide.
Prin împerecherea bazelor complementare se sintetizează o nouă catenă de ADN, iar această sinteză are loc în fiecare catenă veche de ADN prin procesul de mai sus. Ulterior, vechea catenă se unește cu noua catenă pentru formarea dublului helix. Replicare semiconservativă este numele acestui proces fiindcă se conservă câte o catenă veche în fiecare nou dublu helix de ADN.
Când o nucleotidă din ARN are atașate grupări fosfat adiționale, aceasta are un rol special în organismul uman și poartă numele de adenozintrifosfat sau ATP. Rolul acestui ATP este de a fi sursă energetică pentru organism.
Utilizând energia din moleculele alimentare prin respirație celulară se formează ATP-ul. Acesta, prin eliberarea unei grupări fosfat, duce la alimentarea funcționării organismului.
Transportarea activă a proteinelor din organism se face cu ajutorul ATP-ului, astfel, pentru un transport primar este necesară hidroliza directă a ATP-ului.
Acest text nu poate fi copiat.
