Proteinele si alimentatia !

SUBSTANȚELE ORGANICE (proteine, glucide, lipide)

Rolul PROTEINELOR

            Proteinele sunt constituienți chimici ai organismelor vii cu cel mai înalt grad de complexitate, de varietate moleculară și care prezintă specificitate de specie, de organ. Denumirea lor provine din cuvântul grecesc ”protos” care înseamnă ”de prim rang, cel dintâi”.

            Proteinele sunt substanţe macromoleculare prezente în celulele tuturor organismelor vii unde reprezintă peste 50% din masa uscată a acestora. Toate proteinele conțin C, H, O, N și uneori S și P; unele proteine particulare conțin în molecula lor și alte elemente chimice: Fe, Zn, Cu, Co, Mn, Mg, etc.

            Proteinele îndeplinesc în organismele vii mai multe funcţii biochimice absolut indispensabile tuturor proceselor metabolice şi fiziologice:

a) Rolul plastic este jucat de proteinele structurale ce reprezintă constituenţi principali ai membranei celulare, citoplasmei, organitelor subcelulare, umorilor şi fluidelor tuturor organismelor vii.

b) Rolul energetic este asigurat prin faptul că în urma degradării lor catabolice se eliberează o mare cantitate de energie ce se înmagazinează în legăturile macroergice ale moleculelor de ATP, energie ce va fi utilizată în diferite procese vitale (efort fizic şi intelectual, procese de biosinteză etc.).

c) Rolul reglator este îndeplinit de o serie de hormoni cu structură polipeptidică (hormonii reglatori ai hipotalamusului, ai hipofizei, hormonii pancreasului, hormonii paratiroidieni, ai timusului şi cei gastrointestinali).

d) Rolul de apărare este îndeplinit de proteinele specifice din clasa imunoglobulinelor (anticorpi) care prezintă proprietăţi speciale de a interacţiona cu proteinele străine (antigene) în procesul complex de apărare a organismului faţă de agenţii patogeni din mediul extern.

e) Rolul de transport al proteinelor se referă atât la transportul activ prin membranele biologice care se efectuează cu consum energetic, contra gradientului de concentraţie al metabolitului transportat, cât şi la transportul specific al unor metaboliţi sau elemente absolut necesare vieţii. În acest din urmă caz, un exemplu concludent îl reprezintă hemoglobina al cărui rol biologic constă în transportul oxigenului de la plămani la nivelul tuturor organelor şi ţesuturilor şi a dioxidului de carbon pe calea inversă.

f) Rol în contracţia musculară. Procesul contracţiei musculare, care stă la baza efortului fizic, este un proces fiziologic şi biochimic complex realizat prin consum energetic (când se utilizează energia înmagazinată în legăturile macroergice ale moleculelor de ATP) de către o serie de proteine specifice – actina şi miozina – ce formează un complex proteic cuaternar cunoscut sub numele de complexul acto-miozinic.

g) Rolul catalitic este îndeplinit de către enzime care sunt, fără excepţie, substanţe proteice.

 În afara funcţiilor enumerate mai sus, proteinele reprezintă instrumentul molecular al expresiei informaţiei genetice conţinute în acidul deoxiribonucleic din cromozomi. De aceea, proteinele sunt componente structurale şi funcţionale intim legate de procesele vieţii, procese ce nu pot fi concepute în lipsa substanţelor proteice.

Prin hidroliza proteinelor se obţin compuşi cu greutate moleculara mică numiți aminoacizi. În alcătuirea moleculelor proteice, aminoacizii se unesc prin legături amidice numite legături peptidice, care se realizează prin eliminarea unei molecule de apă între gruparea carboxil a unui aminoacid şi gruparea amino a aminoacidului următor.

Clasificarea generală a protidelor (produși macromoleculari ce au ca unitate structurală fundamentală aminoacizii):

Protide	Monoprotide (aminoacizi)
	Poliprotide	inferioare	peptide+polipeptide
		superioare	proteine simple (holoproteine)	globulare
				fibrilare
			proteine complexe (heteroproteine)	fosfoproteine
				glicoproteine
				lipoproteine
				metaloproteine
				cromoproteine
				nucleoproteine

AMINOACIZII

            ¨ Definiție: Aminoacizii ( acizii aminici) sunt compuși cu greutate moleculară mică care conțin în molecula lor cel puțin o grupare aminică (-NH₂) și o grupare carboxilică (-COOH), legate de același atom de carbon ( C α ).

Aminoacizii naturali au formula generală:      

ei sunt α-aminoacizi. Se notează cu α atomul de C din imediata vecinătate a grupării carboxil.

            Radicalul ”R” poate avea caracter alifatic, aromatic sau heterociclic; el poate fi un radical hidrocarbonat sau poate să conțină diferite grupări funcționale:

‒OH, ‒SH,  ‒S-CH₃

În structura proteinelor intră 20 aminoacizi=aminoacizi proteinogeni, specificați prin codul genetic, prezenți în toate organismele vii, de la cele mai simple până la om (glicina, alanina, valina, leucina, izoleucina, fenilalanina, prolina, histidină, triptofan, serina, treonina, tirozina, cisteina, metionina, acid aspartic, asparagină, acid glutamic, glutamină, lizina, arginina) și câțiva ce rezultă, de fapt, prin modificări chimice ale acestora (de ex. hidroxilizina, hidroxiprolina).

¨ Nomenclatură: Aminoacizii se denumesc adăugînd prefixul amino- la numele acidului, indicându-se și poziția atomului de C la care este legată gruparea amino. Aminoacizii au și denumiri speciale, uzuale: tirozină, triptofan, prolină, etc

¨ Clasificarea aminoacizilor (AA):

a) după structura chimică:

ü  AA aciclici (alifatici)®cei la care grupările –COOH și –NH₂ sunt legate la o structură liniară

ü  AA ciclici® cei la care grupările –COOH și –NH₂ sunt legate la o structură ciclică:

·         homeociclici (aromatici)

·         heterociclici

În cadrul acestor grupe, în funcţie de natura radicalului, aminoacizii se clasifică in 7 grupe:

1. Acizi monoamino-monocarboxilici. Din această clasă fac parte 5 aminoacizi proteinogeni cu catenă normală sau ramificată: glicina (glicocolul), alanina, valina, leucina şi izoleucina:

2. Hidroxiaminoacizii sunt aminoacizi ce conţin în molecula lor, în afara grupelor –NH₂ şi –COOH şi o grupare alcoolică. Dintre aminoacizii proteinogeni, în această grupă intră serina şi treonina:

3. Tioaminoacizii (aminoacizii cu sulf) conţin în molecula lor o grupare sulfhidril (–SH), alături de grupările amino şi carboxil. Dintre aminoacizii proteinogeni, în această grupă intră cisteina şi metionina:

4. Acizii monoamino-dicarboxilici conţin în molecula lor o grupare amino şi două grupări carboxil şi au caracter acid. Din această clasă fac parte acizii glutamic şi aspartic. În structura majorităţii proteinelor naturale se întalnesc şi amidele acestora (glutamina şi respectiv asparagina).

5. Acizii diamino-monocarboxilici, conţin în moleculă două grupări amino şi au caracter bazic. Ei intră în cantităţi mari în structura proteinelor bazice (de exemplu histonele şi protaminele), iar în cazul multor enzime bicomponente au rolul de a lega cofactorul enzimatic de apoenzimă prin legături puternice, covalente. De exemplu lizina, prin gruparea sa aminică din poziţia ε poate lega cofactori de tipul biotinei, acidului lipoic, acidului folic etc.:

6. Aminoacizii aromatici conţin în molecula lor un nucleu benzenic. Dintre aminoacizii proteinogeni, din această clasă fac parte fenilalanina şi tirozina, aceasta din urmă putând fi considerată ca un derivat al fenilalaninei (p–hidroxi-fenilalanina):

7. Aminoacizii heterociclici conţin în molecula lor un heterociclu care este de regulă pentaatomic (indolic, imidazolic sau pirolic). Din această grupă fac parte 4 aminoacizi proteinogeni triptofanul, histidina, prolina şi hidroxiprolina:

Înafară de aminoacizii proteinogeni descrişi mai sus, care stau la baza structurii catenelor polipeptidice ale proteinelor native, în natură se întâlnesc şi alţi aminoacizi, atât sub formă liberă cât şi în structura unor compuşi biologic activi. Unii dintre ei îndeplinesc funcţii biochimice şi fiziologice importante, alţii reprezintă produşi intermediari în unele căi metabolice sau sunt precursori în biosinteza unor substanţe biologic active.

Acidul γ–amino-butiric (GABA) este un important mediator chimic în sistemul nervos şi se formează în organism prin decarboxilarea enzimatică a acidului glutamic:

El îndeplineşte diferite funcţii printre care, cea mai importantă este cea de mediator chimic de blocare a sinapselor.

Ornitina este un aminoacid cu caracter bazic (din clasa acizilor diamino-monocarboxilici) întâlnit în organismele mamiferelor ca produs intermediar al ciclului ureogenetic (ciclul Krebs–Henseleit). Sub formă liberă se întâlneşte numai la unele plante:

Citrulina este un intermediar al ciclului ureogenetic:

β–Alanina intră în structura unor substanţe biologic active de mare importanţă cum ar fi acidul pantotenic. Intră de asemenea în structura carnozinei şi anserinei, dipeptide izolate din ţesutul muscular al mamiferelor:

Dihidroxifenilalanina (DOPA) apare ca intermediar în biosinteza hormonilor medulosuprarenali, precum și în formarea pigmenților melaninici care au rol în pigmentarea pielii:

b) din punct de vedere  al rolului biologic:

ü  AA esențiali (indispensabili)®sunt absolut necesari pentru creșterea și dezvoltarea normală a organismului animal; nu pot fi sintetizați de organism și trebuie să fie furnizați prin alimentație: valina, leucina, izoleucina, treonina, metionina, lizina, fenilalanina, triptofan

ü  AA neesențiali®pot fi sintetizați de organismul animal, deci pot lipsi din alimentație: glicina, alanina, serina, cisteina, acidul aspartic, acidul glutamic, arginina, tirozina, prolina, hidroxiprolina, histidina.

  ¨ Proprietățile fizice ale aminoacizilor

a) Sunt substanțe optic active® cu excepţia glicinei, toţi aminoacizii conţin cel puțin un atom de carbon asimetric (are 4 substituienți diferiți), motiv pentru care prezintă activitate optică (capacitatea de a roti planul luminii polarizate); la pH = 7 unii sunt dextrogiri (+), iar alţii sunt levogiri (-). Cu toate acestea ei aparţin seriei L deoarece au configuraţia L- glicerinaldehidei:

Cu unele excepţii, aminoacizii naturali aparţin seriei L deoarece organismele vii nu sintetizează enzimele necesare metabolizării D-aminoacizilor. Cu toate acestea, în natură există aminoacizi aparţinand şi seriei D în structura unor antibiotice, în structura componenţilor pereţilor celulari ai unor bacterii, în celulele canceroase etc

b) Aminoacizii sunt substanţe cristaline, solubile în apă, puţin solubile în solvenţi organici, au gust dulce; sunt substanțe cu puncte de topire de peste 200⁰ C.

c) Au caracter amfoter® în soluţii apoase ei se găsesc sub formă de ioni bipolari:

Când un astfel de ion se dizolvă în apă, el poate acţiona fie ca un acid (donor de protoni), fie ca o bază (acceptor de protoni):

Ca un acid: H₃N⁺-CH(R)-COO^-     « H⁺  +  H₂N-CH(R)- COO^-

Ca o baza: H₃N⁺-CH(R)-COO^-  + H⁺   «  H₃N⁺-CH(R)-COOH

Substanţele care au astfel de proprietăţi se numesc amfotere sau amfoliţi. În reacție cu acizii se comportă ca baze (acceptă protoni), iar în reacție cu bazele se manifestă ca acizi (cedează protoni).

Existența ionului bipolar explică utilizarea soluţiilor de aminoacizi drept soluţii tampon. Dacă la soluţia unui aminoacid se adaugă un acid tare, protonii săi vor fi neutralizaţi de grupările carboxil ale aminoacidului, iar dacă se adaugă o baza tare, grupările hidroxil vor fi neutralizate de grupările –NH3+, astfel încât pH-ul soluţiei nu se modifică.

d) Toți aminoacizii izolați din proteine absorb slab radiațiile din domeniul ultraviolet (220 nm). Triptofanul, tirozina şi fenilalanina, datorită nucleului aromatic, dau absorbţie specifică la 280 nm, proprietate ce stă la baza dozajului spectrofotometric al  proteinelor (ce permite dozarea conținutului proteic al unei soluții).

            ¨ Proprietățile chimice ale aminoacizilor

            Aminoacizii prezintă proprietăți chimice conferite de prezența separată a grupărilor funcționale caracteristice acestor compuși, -NH₂ și –COOH, precum și de interacțiunea sau prezența lor concomitentă în moleculă. Există și unele proprietăți chimice conferite de natura radicalului R.

            Astfel, multe reacții chimice sunt comune pentru toți aminoacizii și frecvent utilizate pentru determinări calitative și cantitative ale acestora în diferite extracte, hidrolizate și în lichidele biologice (sânge, plasmă, lichid cefalo-rahidian, urină, hidrolizate proteice).

            1. Decarboxilarea®sub acțiunea unor enzime specifice (decarboxilaze) aminoacizii din organism se decarboxilează (pierd gruparea carboxil sub formă de CO₂) și  se transformă în amine.

            În urma decarboxilărilor ce au loc în celulele vii rezultă amine cu roluri fiziologice și farmacologice importante, de unde și denumirea de amine biogene ce le este atribuită:

Localizarea și rolul unor amine
Aminoacid	Amină	Localizare sau rol
cisteina	mercaptoetilamina	în coenzima A
histidină	histamina	acțiune hipotensivă
dihidroxifenilalanina	dopamina	precursor al adrenalinei
serina	etanolamina	în fosfatide
5-hidroxitriptofan	serotonina	hormon tisular, vasoconstrictor

            2. Reacţia cu acidul azotos, din care rezulta hidroxiacizi (reacţie utilizată pentru dozarea aminoacizilor prin metoda van Slyke). Azotul molecular pus în libertate se măsoară volumetric astfel putându-se determina cantitatea de aminoacizi care a reacționat.

            3. Reacţia de alchilare – atomii de H de la gruparea amino pot fi înlocuiţi cu radicali alchil (de obicei metil), cu formare de betaine (compuşi în care atomul de azot este cuaternar):

Betaina glicocolului este un important donor de grupare metil în organism.

4. Reacţia de acilare® în prezenta acizilor carboxilici, a anhidridelor sau a clorurilor acide gruparea amino poate fi acilată. De la glicocol, prin acilare la nivel hepatic se obţine acidul hipuric, compus ce reprezintă forma de eliminare a acidului benzoic din organism.

5. Formarea legăturii peptidice (amidice)® 2 AA se unesc prin eliminarea unei molecule de apă între gruparea aminică a unui aminoacid și gruparea carboxil a altui aminoacid, rezultând o dipeptidă.

6. Dezaminarea®proprietatea AA de a pierde gruparea aminică sub acțiunea unor enzime specifice (dezaminaze), formându-se acizi (cetoacizi, hidroxiacizi) și amoniac.

a. dezaminarea oxidativă®cetoacizi

b. dezaminarea hidrolitică®hidroxiacizi

7. Transaminarea®reacție enzimatică (catalizată de enzime specifice= transaminaze) prin care are loc transferul reversibil al grupării aminice a unui AA către un α-cetoacid; nu se eliberează amoniac.

Este o reacție importantă atât pentru formarea aminoacizilor, cât și pentru transformările acestora. Transaminazele sunt universal răspândite, găsindu-se la bacterii, plante și animale.

8. Reacții de culoare (pentru identificarea și dozarea AA):

ü  în prezența ninhidrinei, la cald, în soluții apoase, AA dau culoare violet (excepție fac prolina și hidroxiprolina care dau compuși galbeni).

ü  reacţia Sakaguchi – specifică pentru arginina care în prezenţa a –naftolului dă o coloraţie roşie;

ü  reacţia cu nitroprusiat – specifică cisteinei cu care dă o coloraţie roşie;

ü  reacţia Pauli (soluţie alcalină de acid sulfanilic diazotat) – reactivul dă o coloraţie roşie cu histidina şi tirozina;

ü  reacţia Folin – Ciocâlteu (acid fosfomolibdowolframic) – specifică pentru tirozina care dă o culoare roșie;

ü  reacţia xantoproteică – prin fierbere cu acid azotic concentrat, aminoacizii ciclici dau o coloraţie galbenă care trece în portocaliu la adăugarea de baze.

PEPTIDELE

            Peptidele=sunt substanțe naturale (sau sintetice) constituite dintr-un număr restrâns de aminoacizi care se condensează intermolecular la nivelul grupării α-carboxil a unui aminoacid și a grupării α-aminică a altui aminoacid, cu formarea legăturii peptidice (-CO-NH-):

Peptidele pot fi obținute din proteine prin hidroliză parțială (chimică sau enzimatică).

¨ Clasificarea peptidelor:

a) în funcţie de numărul resturilor de aminoacizi ce intră în structura lor, peptidele se clasifică în două mari grupe:

ü  oligopeptide (ce conţin in moleculă 2 – 10 resturi de aminoacizi):

– dipeptide;

– tripeptide;

– tetrapeptide

ü  polipeptide (ce conțin în moleculă între10-100 resturi de aminoacizi)

Polipeptidele care conţin mai mult de 100 de resturi de aminoacizi în moleculă poartă numele de proteine.

b) în funcție de structura lor diferită:

ü  peptide liniare®avînd o grupare -NH₂ liberă la una dintre extremități și o grupare –COOH liberă la cealaltă;

ü  peptide ramificate

ü  peptide ciclice®care nu au nici extremitate N-terminală, nici extremitate C-terminală

Nomenclatura peptidelor se face indicând numele aminoacizilor in ordinea in care se găsesc in moleculă, incepand cu aminoacidul care conţine gruparea amino terminală liberă. Denumirile aminoacizilor vor căpăta terminaţia “il”, cu excepţia ultimului care conţine gruparea carboxil-terminală liberă.

De exemplu peptidul cu secvenţa Ser-Gly-Tyr-Ala  se va citi seril-glicil-tirozil-alanină.

¨ Proprietățile fizice și chimice ale peptidelor

1. proprietăți fizice

Peptidele sunt substanțe solide și cristaline; peptidele cu greutate moleculară mică sunt solubile în apă și insolubile în solvenți organici (alcool absolut).

Peptidele manifestă un caracter amfoter (ca și AA), deoarece au în moleculă cel puțin o grupare carboxilică și una aminică, dând săruri solubile cu acizii și bazele. Soluțiile oligopeptidelor nu coagulează sub acțiunea căldurii.

Atât peptidele, cât și polipeptidele prezintă activitate optică.

2. proprietăți chimice

a. Polipeptidele superioare dau reacții de culoare asemănătoare proteinelor. Peptidele alcătuite din cel puțin 3 AA reacționează cu săruri de Cu, în mediu alcalin, producând o colorație albastră-violetă (reacția biuretului).

b. Toate peptidele hidrolizează în mediu acid, bazic sau sub acțiunea unor enzime proteolitice=peptidaze. Prin hidroliză totală dau naștere la AA din care sunt alcătuite.

¨ Peptide cu importanță biologică

În produsele finale de degradare a proteinelor și în lichidele biologice, ca de exemplu în seva plantelor, în sânge și în tesutul animal, ca și în bacterii și ciuperci, apar unele peptide în amestec cu AA. Aceste peptide naturale-componente structurale ale țesuturilor-au mare însemnătate biologică deoarece prezintă fie acțiuni hormonale (insulina, ocitocina, vasopresina), fie acțiuni toxice (faloidina), fie acțiuni antibiotice (gramicidina, tirocidinele, bacitracinele), fie acțiuni farmacodinamice de natură alcaloidă (ergotoxinele).

Carnozina şi anserina sunt dipeptide care se găsesc in ţesutul muscular al vertebratelor unde funcţionează ca sisteme tampon, stabilizează activitatea unor enzime, influenţează diferite procese biochimice din muşchi etc.

Glutationul este o tripeptidă răspandită in majoritatea ţesuturilor animale şi vegetale. Glutationul se găseşte în organism în formă redusă (GSH) şi sub formă oxidată (GSSG). Deoarece el poate trece reversibil din forma redusă în forma oxidată sub acţiunea glutation-reductazei, această peptidă joacă un rol extrem de important în procesele de oxidare biologică, participând la respirația țesuturilor.

            Angiotensina I și angiotensina II sunt oligopeptide prezente în sânge și au ca efect creșterea presiunii sangvine. Angiotensina I rezultă prin scindarea hidrolitică a α-globulinei din sânge sub acțiunea reninei- o enzimă elaborată de rinichi. Angiotensina II rezultă din angiotensina I.

            Hormoni peptidici. Există o serie de hormoni cu structură polipeptidică: insulina, glucagonul, ocitocina, vasopresina şi corticotropina.

            Peptide cu acţiune antibacteriană. Penicilinele, tirocidinele (A,B), gramicidinele (A,B,C), bacitracinele şi polimixinele au o structură polipeptidică. Penicilinele sunt polipeptide atipice care conţin acid 6-amino-penicilanic pe molecula căruia sunt grefaţi diverşi radicali. Cand radicalul este C6H5-CH2- compusul se numeşte benzil-penicilina (penicilina G).