Structura tridimensională amioglobinei, o proteină
Biochimia esteștiința care se ocupă cu studiulproceselor chimice care au loc în sau care sunt legate de existențaorganismelor vii. Complexitateavieții provine de la marea varietate a proceselor biochimice.[1]
Considerată multă vreme o ramură interdisciplinară aflată la granița dintrechimie șibiologie, biochimia s-a dezvoltat în special în ultimele decenii ca o disciplină de sine stătătoare, abordând subiecte ca structura chimică asubstanțelor din care sunt formateorganismele, interacțiunile între aceste substanțe și transformărilemetabolice pe care acestea le suferăin 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 șigenetica moleculară.[2] Biochimia se concentrează pe înțelegerea modului în carebiomoleculele dau naștere proceselor care au loc în interiorul celulelor vii și între acestea,[3] care ajută în continuare la înțelegerea funcționării țesuturilor, organelor și în final a organismelor, atât structural cât și funcțional.[4]
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 studiazăcăile 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), studiulfenomenelor de transport membranar și de transmitere a semnalelor sunt doar câteva domenii în care biochimia cunoaște un progres remarcabil în ultimii ani.
Aproximativ douăzeci din cele 92 deelemente chimice răspândite în natură sunt esențiale pentru diferiteleforme de viață existente pePământ. Majoritatea elementelor chimice mai rare nu sunt necesare pentru viață (exceptândseleniul șiiodul), în timp ce și unele foarte comune (precumaluminiul șititanul) nu sunt necesare. Majoritatea organismelor vii au aceleași cerințe în ceea ce privește necesarul de elemente, dar apar diferențe între organismelevegetale șianimale. De exemplu,algele marine au nevoie debrom, dar viețuitoarele terestre și animalele nu necesită acest element. Toate animalele necesităsodiu, dar unele plante nu. Plantele au nevoie debor șisiliciu, 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 șifosforul—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. Elemente chimice care se regăsesc în cantități extrem de mici, microelementele, reprezintă un procent de aproximativ 0,074% din materia vie.[5]
În biochimie sunt considerate patru mari clase debiomolecule, care sunt molecule cu importanță biologică. Acestea suntglucidele,lipidele,proteinele șiacizii nucleici.[6] Multe molecule biologice sunt de naturăpolimerică, putând spune cămonomerii în acest caz sunt micromolecule relativ mici legate împreună pentru a forma omacromoleculă. 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.
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 omonozaharidă, care este alcătuită din atomi de carbon, hidrogen și oxigen, în general în raport de 1:2:1 (cu formula generală CnH2nOn, unden este cel puțin 3).Glucoza (C6H12O6) este una dintre cele mai importante glucide, iar printre alte exemple importante se numărăfructoza (C6H12O6),[7][a] șidezoxiriboza (C5H10O4). Printre proprietățile ozelor se numără și aceea de a-și putea schimba forma moleculară din aciclică în ciclică și invers.
În aceste forme ciclice, ciclul este alcătuit uzual din5 sau6 atomi. Aceste forme sunt denumitefuranozice și respectivpiranozice, prin analogie cucompușii heterociclici cu oxigen denumițifuran șipiran. De exemplu, aldohexozaglucoză poate forma o legătură de tiphemiacetal între hidroxilul de la carbonul 1 și oxigenul legat de carbonul 4, obținându-se o formă moleculară cu un ciclu format din 5 atomi, denumităglucofuranoză. Aceeași reacție poate avea loc și între carbonii 1 și 5, când se obține analogul cu 6 atomi, denumitglucopiranoză.
Douămonozaharide se pot lega între ele prin intermediul uneilegături glicozidice saueterice, formând odizaharidă, 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 numeștehidroliză, și se realizează în generalenzimatic. Cea mai cunoscută dizaharidă estezaharoza, formată în urma legării dintre o moleculă deglucoză și una defructoză. Un alt exemplu cunoscut estelactoza dinlapte, formată în urma legării dintre o moleculă de glucoză și una degalactoză. Hidroliza lactozei are loc în prezența unei enzime denumitelactază, iar cantități scăzute din aceasta conduc laintoleranța la lactoză.
Când mai multe molecule de monozaharide (trei până la șase) se leagă, se obținoligozaharide, și au diverse roluri biochimice, printre care se numără cea de semnalizare celulară.[8] Mai multe monozaharide legate formează opolizaharidă, iar structura acestei molecule mari poate fi de tip liniar sau ramificat. Cele mai comune exemple suntceluloza,amidonul șiglicogenul, toate alcătuite din unități repetitive de glucoză (alfa sau beta).
Glucidele pot fi caracterizare prin capacitatea lorreducătoare sau nereducătoare. Se spune despre o anumită glucidă că este reducătoare dacă un atom de carbon se află în echilibru în forma liniară dealdehidă (aldoză) sau decetonă (cetoză). Dacă legarea monomerilor se face la acest atom de carbon, atunci grupa hidroxil a formelorpiranozice sau afuranozice va fi schimbată cu ocatenă laterală hidroxilată a unei alte zaharide, formându-se unacetal complet.
În categorialipidelor se regăsesc multe molecule din clase chimice diverse, iar câteodată termenul delipidă face referire la toți compușii de origine biologică nepolari și insolubili în apă. Printre cele mai comune exemple se numărăcerurile,acizii grașii și derivații acestora,fosfolipidele,sfingolipidele,glicolipidele șiterpenoidele (retinoidele și steroidele). Unele lipide sunt moleculealifatice liniare, în timp ce altele austructuri ciclice sau suntaromatice. Unele sunt flexibile, altele au molecule rigide.[11]
Lipidele sunt de obicei alcătuite dintr-o moleculă de glicerol, care se leagă de alte molecule. În cazultrigliceridelor, principala grupă de lipide, molecula de glicerol se combină cu trei molecule deacizi grași. În acest caz, se poate considera că acizii grași suntmonomeri, și pot fi saturați (fără legături duble) sau nesaturați (una sau mai multelegături duble între atomii de carbon).[12]
Majoritatea lipidelor prezintă și un anume caracter polar, însă sunt majoritar nepolare. În general, cea mai mare parte a structurii moleculare lipide este nepolară sau hidrofobă, ceea ce înseamnă că acestea nu pot interacționa cusolvenții polari, precum apa. O altă parte a structurii lor, cea polară sau hidrofilă, are o tendință de asociere cu solvenții polari. De aceea, se spune despre moleculele lipidelor că sunt amfifile. În cazulcolesterolului, partea polară este reprezentată de o grupăhidroxilică de tipalcool. În cazul fosfolipidelor, grupele polare sunt considerabil mai mari.[13]
Lipidele fac parte din dieta necesară zilnică. Majoritateauleiurilor și aproduselor lactate consumate sau utilizate la gătit (precumuntul saubrânza) sunt compuse dingrăsimi.Uleiurile vegetale sunt bogate în diverși acizi grași polinesaturați (PUFA). În timpul digestiei, alimentele ce conțin lipide sunt reduse la acizi grași și glicerol, care sunt produșii finali de degradare. Lipidele, în special fosfolipidele, au o importanță mare în domeniul farmaceutic, fiind folosite pe post de solubilizanți sau pentru transportul substanțelor medicamentoase (de exemplu, cu ajutorullipozomilor).
Structura generală a unui α-amino acid, cu grupaamino în partea stângă și cu grupacarboxil în partea dreaptă.
Proteinele suntmoleculemacro-biopolimerice, adică sunt alcătuite din unități repetitivemonomerice cunoscute pe larg sub denumirea deaminoacizi. Un aminoacid este alcătuit dintr-o catenă în care un atom de carbon are atașată o grupă amino, —NH2, catena se termină cu o grupăcarboxil, —COOH (totuși trebuie menționat faptul că în condiții fiziologice, aminoacizii există sub formă dezwitterion, cu grupele de forma —NH3+ și —COO−), iar grupa R reprezintă orice grupare de atomi, putând fi chiar și un atom dehidrogen (în cazulglicocolului, cel mai simplu aminoacid).Catena laterală R diferă pentru fiecare aminoacid, astfel că există 20 deaminoacizi standard, iar aceasta este responsabilă și pentru proprietățile fiecărui aminoacid în parte. Fiecare catenă laterală are o influență deosebită asupra conformației tridimensionale finale a unei proteine. Unii aminoacizi au funcții separate, liberi sau în formă modificată; de exempluglutamatul este unneurotransmițător important.
În urma uneireacții de deshidratare, are loc eliminarea unei molecule de apă și legarea a doi aminoacizi, identici sau diferiți, proces prin care se formează o legături peptidică. Molecula ce se obține se numeștedipeptidă, iar moleculele formate prin unirea mai multor aminoacizi se numesc oligopeptide și respectiv polipeptide, după caz. Astfel, proteinele sunt macromoleculele formate prin unirea unui număr foarte mare din acești aminoacizi. De exemplu, albumina serică umană conține 585 de resturi de aminoacizi.[14]
Un aminoacid generic în formă neutră (1), în forma fiziologică de zwitterion (2) și structura generală a unei dipeptide (3) formată prin unirea acestora.O reprezentare schematică a moleculei dehemoglobină. Cu culorile roșu și albastru sunt reprezentate moleculele deglobină, iar cu verde grupelehemice.
Proteinele au atât rol structural, cât și funcțional. De exemplu, proteinele contractileactină șimiozină sunt responsabile pentru contracția mușchilor scheletici. O proprietate comună a multor proteine este capacitatea acestora de a se lega specific de o anumită moleculă sau clasă de molecule, fiind astfel extrem de selective.Anticorpii sunt un bun exemplu de proteine care se leagă doar de un tip specific de molecule, fiind compuse din catene grele (mai mari) și ușoare. Cele două catene se leagă prin intermediullegăturilor disulfurice, realizate prin procese de modificare post-translaționale, iar specificitatea este datorată diferenței dintre domeniile N-terminale ale anticorpilor.[15]
TestulELISA (englezăenzyme-linked immunosorbent assay), în cadrul căruia se folosesc anticorpi, este unul dintre cele mai sensibile teste medicale moderne utilizate pentru detecția diferitelor biomolecule, iar printre cele mai importante se numărăenzimele. Practic, orice reacție biochimică ce se desfășoară într-o celulă vie necesită o anumită enzimă, care are ca scop diminuareaenergiei de activare a reacției respective. Aceste molecule proteice recunosc specific moleculele de reactant, denumite în biochimiesubstrate, șicatalizează reacția specifică dintre acestea. Prin micșorarea energiei de activare, enzimele mărescviteza unei reacții de aproximativ 1011 ori; astfel, o reacție care ar dura în mod normal peste 3.000 de ani să se desfășoare, în prezența enzimei potrivite va avea loc spontan, în mai puțin de o secundă. Este de menționat faptul că enzima nu se consumă în acest proces, și poate să catalizeze aceeași reacție de nenumărate ori, dacă are la dispoziție un noi set de substrate. Totuși, activitatea enzimatică are un control, astfel că mecanismele dereglare enzimatică au ca scop controlul metabolic total al celulei.
Structura proteinelor este descrisă, în mod tradițional, pe patru nivele. Structura primară a unei proteine descrie pur și simplu secvența liniară a aminoacizilor în catena polipeptidică, adică aranjamentul acestora. Un exemplu ar fi: "alanină-glicină-triptofan-serină-glutamat-asparagină-lizină-…". Structura secundară face referire la conformația locală a lanțului polipeptidic, și depinde de natura aminoacizilor constituenți. Unii aminoacizi au tendința de a induce catena sub formă de α-helix, iar altele sub formă de foi plisate β. Structura terțiară reprezintă aspectul tridimensional al macromoleculei proteice, și este direct determinată de secvența aminoacizilor. O simplă modificare a unui singur aminoacid din structura primară determină schimbarea întregii conformații tridimensionale. De exemplu, catena alfa a hemoglobinei conține 146 de resturi de aminoacizi; substituția unui restglutamat cu unul devalină în poziția 6 schimbă atât de mult conformația încât produce boală denumităanemie falciformă sau siclemie. În cele din urmă, structura cuaternară, prezentă doar la unele proteine, descrie acele proteine care au funcție biologică doar când sunt formate din mai multe subunități, cum este de exemplu cazul hemoglobinei, o proteină tetrameră.[16]
Elementele structurale comune ale acizilor nucleici. Deoarece fiecare monomer conține cel puțin o grupă fosfat, denumirea acestora se face sub forma: nucleozid-monofosfat,nucleozid-difosfat șinucleozid-trifosfat.
Cei mai comuni acizi nucleici suntacidul dezoxiribonucleic (ADN) șiacidul ribonucleic (ARN).[18] Grupafosfat și zaharida fiecărei nucleotide se leagă pentru a forma catena acidului nucleic, în timp ce bazele azotate au rolul de a stoca informația genetică. Cele mai comune baze azotate sunt:adenina,citozina,guanina,timina șiuracilul. Bazele azotate de pe fiecare catenă a unui acid nucleic vor formalegături de hidrogen cu bazele azotate din altă catenă complementară. Adenina se leagă de timină și de uracil, timina se leagă doar de adenină iar citozina și guanina se leagă între ele. Totuși, cele două tipuri de acizi nucleici diferă în ceea ce privește bazele azotate: cele comune sunt adenina, citozina și guanina; timina se află doar în ADN, iar uracilul se regăsește doar în ARN.
În afara rolului de material genetic celular, acizii nucleici mai au și un rol de mesager secund, formând, de asemenea, și o bază pentru molecula deadenozintrifosfat (ATP), molecula primară cu rol de transport și stocare al energiei în toate organismele vii.[19]
O ramură importantă a biochimiei este reprezentată de biochimia metabolică, care are ca scop elucidarea mecanismelor prin care funcționeazămetabolismul în organismele vii, adică altfel spus modul în care organismele își procură, transformă și își depoziteazăenergia.[20] Metabolismul este alcătuit dintr-un șir mare de reacții chimice ce au loc în interiorul celulei, iar unele dintre acestea sunt reunite în ceea ce se numește ocale metabolică.[20][21]
Căile metabolice contribuie la desfășurarea proceselorcatabolice (degradative, exergonice, oxidative) șianabolice (biosintetice, endergonice, reductive), procese care sunt interdependente și controlate de către necesitățile de moment ale celulei (de exemplu, de factori precum creșterea, necesitatea mărită de energie, digestia) și de către activitățile fiziologice specifice organismului. Cele mai importante ramuri ale metabolismului sunt cel glucidic, lipidic, proteic și energetic.
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.
Relația cu alte științe biologice „la scară moleculară”
Cercetătorii în biochimie folosesc tehnici specifice native din biochimie, dar le combină din ce în ce mai mult cu tehnicile și ideile dezvoltate în domeniilegeneticii,biologiei moleculare șibiofizicii. Nu există o linie definită între aceste discipline. Biochimia studiazăchimia necesară activității biologice a moleculelor,biologia moleculară studiază activitatea lor biologică,genetica studiază ereditatea lor, ceea ce se întâmplă să fie purtată degenomul lor. Acest lucru este arătat în următoarea schematică care prezintă o perspectivă posibilă a relațiilor dintre câmpuri:
Biochimia este studiul substanțelor chimice și al proceselor vitale care apar înorganismele vii.Biochimiștii se concentrează puternic pe rolul, funcția și structurabiomoleculelor. Studiul chimiei din spatele proceselor biologice și sinteza moleculelor biologic active sunt exemple debiochimie. Biochimia studiază viața la nivel atomic și molecular.
Genetica este studiul efectului diferențelor genetice asupra organismelor. Acest lucru poate fi adesea dedus de absența unei componente normale (de exemplu, ogenă). Studiul „mutanților” - organisme care nu au una sau mai multe componente funcționale în ceea ce privește așa-numitul „tip sălbatic” saufenotip normal. Interacțiunile genetice (epistazie) pot confunda adesea interpretări simple ale unor astfel de studii „knockout”.
Biologia moleculară este studiul bazelor moleculare ale proceselor dereplicare,transcriere,translație și funcție celulară. Dogmacentrală a biologiei moleculare unde materialul genetic este transcris în ARN și apoi tradus înproteine, în ciuda faptului că este simplificat, oferă încă un bun punct de plecare pentru înțelegerea câmpului. Imaginea a fost revizuită, având în vedere rolurile noi aparținândARN. Biologia moleculară studiază viața la nivel molecular și celular.
Biologia chimică încearcă să dezvolte noi instrumente bazate pemolecule mici care să permită perturbarea minimă a sistemelor biologice, oferind în același timp informații detaliate despre funcția lor. Mai mult, biologia chimică folosește sisteme biologice pentru a crea hibrizi non-naturali între biomolecule și dispozitive sintetice (de exemplu,capside virale golite care pot furnizaterapie genică saumolecule de medicament).
Edwards K.J.; Brown D.G.; Spink, N.; Skelly J.V.; Neidle S. (). „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.PMID1518049.
