Cum determina proprietatile fizico-chimice ale atomilor structura si functia biomoleculelor?

Viata s-a dezvoltat in mediu apos • Apa este o molecula cu

proprietati speciale

are influenta deosebita asupra biorganismelor care • ~ 70-80% din greutatea celulelor

specia moleculara cea mai abundenta

•~ 7% ioni anorganici si molecule mici (amino acizi = baza constitutiva a proteinelor), nucleotide (--acizi nucleici), lipide (--membrane), glucide (--celuloza) •Restul: macromolecule si agregate macromoleculare

- Hidrofil

Molecule care se dizolva in apa (glucide) Molecule care prefera apa

-Hidrofob

Molecule care nu se dizolva in apa (lipide, grasimi) Molecule care evita apa

Molecule amfifile (amfipatice)

Cam schizofre!

Contin regiuni hidrofobe si regiuni hidrofile Exemplu: fosfolipidele (componente de baza ale membranelor)

“Chimia” unor molecule foarte mici poate fi importanta pentru viata

 Exemplu: Ionul de hidrogen, H foarte important pentru structura/functia unei molecule cu masa de 10 11 + (1 Da) este Da (ADN din cromozomul 1)

Un numar mic de principii de baza din

chimie (fizica?) este suficient pentru intelegerea proceselor de la nivel molecular la nivel celular

Super “glue” in lumea vie?

 Interactiuni (forte) de atractie dintre atomi – molecule – ansambluri supramoleculare Forte puternice: legaturi covalente (simple, duble, triple); sunt implicate o pereche, doua, trei de electroni Forte atractive slabe: interactiuni necovalente. Determina structura/functia proteinelor, acizilor nucleici, lipidelor, glucidelor

Tipuri de interactiuni slabe

 Ionice  Legatura de hidrogen  Van de Waals  “Efectul hidrofob”

Scara energiilor in biologie 0.6 kcal/mol

Atractia dintre sarcini de semn opus

Legatura de hidrogen

http://www.northland.cc.mn.us/biology/Biology1111/animations/hydrogenbonds.html

Energia legaturii de hidrogen In procese catalitice poate ajunge si la 20 kcal/mol

Rotatie libera in jurul legaturii simple de simple

Flexibiliatea, dinamica biomoleculelor  Nu “exista” rotatie in jurul legaturii duble

Repulsia sterica

Potential Lennard-Jones



Doua obiecte nu pot ocupa in acelasi timp aceeasi regiune din spatiu

Principiul lui Pauli: doi electroni nu pot avea aceeasi stare cuantica

 Crestere rapida a energiei la intrepatrunderea norurilor electronice Exponentiala

ε

r o

• Cum se estimeaza razele Van

der Waals?

 Se considera atomii ca doua sfere rigide de anumite dimensiuni, sfere care nu se pot intrepatrunde

http://webhost.bridgew.edu/fgorga/protein s/van_der_walls.htm

La distanta mica miscarea sincronizata a electronilor se extinde la un numar foarte mare de molecule http://www.chemguide.co.uk/atoms/bonding/vdw.html

Gaz heliu T f ( ° C ) -269 neon -246 argon -186 cripton -152 xenon -108 radon -62 +δ -δ Ne +δ -δ Xe

Forma moleculelor este importanta

 CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 3  CH 3 -CH-CH 3 | CH 3

-0,5 o C -11,7 o C

Formula CH 3 (CH 2 ) 10 CO 2 H CH 3 (CH 2 ) 12 CO 2 H CH 3 (CH 2 ) 14 CO 2 H CH 3 (CH 2 ) 16 CO 2 H CH 3 (CH 2 ) 18 CO 2 H Lipide saturate Nume (acid) lauric miristic palmitic stearic arahidic T m ( 0 C) 45 55 63 69 76

http://www.cem.msu.edu/~reusch/ VirtualText/lipids.htm#lipid1b

Lipide nesaturate Formula CH 3 (CH 2 ) 5 CH=CH(CH 2 ) 7 CO 2 H Nume (acid) T m ( 0 C) palmitoleic 0 CH 3 (CH 2 ) 7 CH=CH(CH 2 ) 7 CO 2 H oleic CH 3 (CH 2 ) 4 CH=CHCH 2 CH=CH(CH 2 ) 7 CO 2 H linoleic 13 -5 CH 3 CH 2 CH=CHCH 2 CH=CHCH 2 CH=CH(C H2) 7 CO 2 H CH 3 (CH 2 ) 4 (CH=CHCH 2 ) 4 (CH 2 ) 2 CO 2 H linolenic arahidonic -11 -49

www.

sciencecar toonsplus.

com

Structuri biologice: aspecte generale

Pentru biolog: Organizarea macroscopica sau microscopica vizibila a unui organism

Exemple

Structura scheletului www.enchantedlearning.

com/.../skelcolor.GIF

Structura celulei http:// www.c

ellsaliv e.com/

Structura mitocondriei http://micro.

magnet.fsu.ed

u/cells/mitoc hondria/image s/mitochondri afigure1.jpg

In biofizica

 Termenul de structura are o definitie mai larga

Se aplica si la:

 Structura atomilor http://molaire1.club.fr/e_atomequan1.gif

Marimi dependente de timp

Electrocardiograma normala

Sonograma “radarului” la lilieci

Retele metabolice

Ecosistem

Matematica

 Sistem: agregat de elemente cu o anumita interelatie dintre ele  Structura sistemului: totalitatea interelatiilor

In biofizica

Sisteme DINAMICE Relatiile dintre elemente INTERACTIUNI

Retele metabolice

Elementele sistemului: metabolitii Interactiunile: reactiile metabolice

Ecosistem

Interactiune dintre indivizii populatiei

Macromolecule biologice ca sisteme

 Exista patru nivele de organizare

Structura primara

Secventa liniara a monomerilor elementelor) dintr-un lant monomer liniar (sistem)

Structura secundara pozitionarea in spatiu a monomerilor (elementelor) intr-o parte a moleculei (sistemului) unul relativ la celalalt

Structura tertiara

– pozitionarea in spatiu a regiunilor omogene de structuri secundare (elemente) dintr-o molecula (sistem)

Structura cuaternara

http://pqs.ebi.ac.uk/ – pozitionarea in spatiu a macromoleculelor (elemente) intr-un complex supramolecular (sistem).

Structuri periodice (cristale) Structuri neperiodice (structuri biologice)

“cristale aperiodice”: structura inalt organizata de elemente care nu se repeta periodic

Procesele de formare a structurilor biologice (dezvolare a vietii, reproducere, …)

Entropia SCADE

PARE sa fie in contradictie cu principiul al doilea al termodinamicii

Procese spontane din sisteme IZOLATE se produc cu o crestere a entropiei In sisteme IZOLATE entropia atinge maximul

 Nici un sistem biologic (chiar ecosistem!) incluzind si mediul NU poate fi considerat izolat

Pamantul NU este un sistem izolat

Primeste energie de la Soare Emite (iradiaza) energie

Flux permanent de energie (substanta)

Sistemele biologice sunt sisteme dinamice la neechilibru

Structuri la echilibru:

 Cristale de sare obtinute prin evaporarea apei  Structuri la neechilibru (disipative)

Autoasambalarea (autooraganizarea)

 Plierea spontana a proteinelor  Aranjarea in structuri supramoleculare (complexe enzimatice)

Entropie

 Masura a ordinii  Masura a dezordinii (lipsei de ordine)  Un sistem cu maxim de dezordine maximul de entropie

Entropia este un parametru extensiv

Entropiile S 1 si S 2 a doua subsisteme se pot suma S=S 1 +S 2

Rotatie libera in jurul legaturii simple de simple

Flexibiliatea, dinamica biomoleculelor  Nu “exista” rotatie in jurul legaturii duble