COMPOZITIA CHIMICA A ORGANISMELOR VII

COMPOZITIA CHIMICA A ORGANISMELOR VII

Organismele vii au o compozitie chimica proprie, ce difera nu numai de la un organism la altul, ci chiar de la o celula la alta si chiar in aceasi celula poate sa varieze de la un moment dat la altul. Indiferent de planta, compozitia chimica releva prezenta constanta a 13 elemente: C, H, O, N, P, S, Cl, Si, K, Ca, Na, Mg, Fe. Dintre acestea, C reprezinta circa 50% din materia vegetala uscata, O - 40%, H - 6%, N - 2%, deci cele patru elemente reprezinta 98% din materia vegetala uscata, iar 2% reprezinta celelalte noua elemente, la care se mai adauga, in cantitati infime, Cu, Al, Zn, B, Mn, Mo, T, Co, Cr, Ni. Din cele 90 de elemente chimice ce se gasesc in scoarta terestra, materia vie utilizeaza doar 30 de elemente. In compozitia chimica a materiei vii sunt inclusi diferiti compusi: apa, care reprezinta 70-90% din greutatea proaspata, compusi minerali - 1,5% si compusi organici - 13,5%.

Apa, careia ii datoram viata, are multiple roluri in alcatuirea materiei vii datorita proprietatilor particulare pe care le are: punct de fuziune, punct de fierbere, o caldura de vaporizare, o tensiune superficiala, un dipol electric, o constanta dielectrica mult mai ridicata decat a altor lichide. Proprietatile sale electrice permit a solubiliza majoritatea sarurilor cristalizate, fiind un deosebit solvent. Proportia ei variaza cu varsta, mediul de viata, specia la care ne referim. Astfel, algele si plantele superioare acvatice contin 98% din greutatea totala. Cantitate a de apa difera in functie de sezon (vara si iarna) si dupa organ (semintele uscate contin 10-15% apa, frunzele 75% apa). In celula vegetala vie se disting cinci forme de apa celulara, prin deshidratare progresiva

- apa in exces - a carei pierdere nu provoaca nici o perturbare in celula;

- apa metabolica - a carei eliminare nu provoaca moartea celulei, dar perturba metabolismul;

- apa vitala - a carei pierdere determina moartea celulei (de obicei, o pierdere de 25-30% apa antreneaza moartea celulei);

- apa reziduala - care se mai poate extrage dupa moartea celulei;

- apa legata - ce nu poate fi extrasa deoarece face parte din moleculele proteice (3-4 % din apa celulara).

Compusii minerali din plante se gasesc indeosebi sub forma de saruri, de cele mai multe ori disociate in ionii lor. Analiza cenusii demonstreaza prezenta a noua elemente din cele 13 elemente minerale constante, dintre care C, H, O, N sunt eliminate prin ardere, dar acest procentaj poate varia dupa sezon sau dupa organ. Pe langa aceste elemente minerale s-au mai pus in evidenta, prin analize speciale, si ioni de Ca si K care joaca un rol important in mentinerea unui echilibru fiziologic, ioni de Mg²⁺ in structura moleculei de clorofila, ioni de Fe²⁺ in structura citocromilor, ioni de S si P in structura unor proteine etc.

Compusii organici au un rol important in metabolismul celular. Din greutatea uscata a plantei 90% reprezinta compusii organici constanti, numiti si principii organice imediate, din care fac parte: glucidele, lipidele si protidele. Restul formeaza produsii secundari ai metabolismului, fiind produsi organici mai putin constanti, mai speciali.

Glucidele numite si hidrati de carbon sau zaharuri, reprezinta cea mai mare parte din substantele organice existente pe Terra. In regnul vegetal constituie peste 80% din substantele ce intra in alcatuirea celulelor si tesuturilor. Ele sunt primele substante organice sintetizate in plante din compusi anorganici prin fotosinteza si chimiosinteza, constituind punctul de plecare in biosinteza altor substante din materia vie, cum sunt: aminoacizii, lipidele si proteidele. Structural, glucidele sunt substante ternare, formate din carbon, hidrogen, oxigen, majoritatea corespunzand formulei generale C_n H_2n O_n. Glucidele se impart in doua clase mari: oze (zaharuri simple, monozaharide), ce nu sunt hidrolizabile, si ozide (zaharuri complexe, di- si polizaharide), care prin hidroliza dau holozide (formate numai din oze) sau heterozide (numite si glucozide, formate din oze si o fractie neglucidica numita aglicon).

Ozele cele mal raspandite sunt trioze ( aldehida glicerica, dihidroxiacetona), tetroze (eritroza), pentoze (ribuloza, xiloza, streptoza), hexoze (glucoza, fructoza, galactoza).

Ozele au rol important in metabolismul celular, ca si in anumite reactii de biosinteza. Ele au o mare importanta alimentara deoarece sunt forme direct asimilabile de catre organism, asa cum sunt mai ales glucoza si fructoza.

Ozidele dau prin hidroliza holozide si heterozide.

Holozidele pot fi de mai multe feluri, dupa numarul de oze ce alcatuiesc molecula:

- diholozide: - zaharoza, extrasa din trestia-de-zahar sau sfecla-de-zahar. Se consuma in stare cristalina. Zaharoza provine din asocierea unei molecule de glucoza si a uneia de fructoza;

- maltoza, ce provine din asocierea a doua molecule de glucoza;

triholozide : - rafinoza, ce insoteste zaharoza in sfecla;

- gentianoza, ce se gaseste in radacina de Gentiana lutea. Ghintura;

- tetraholozide: stachioza;

- poliholozide provin din polimerizarea a peste cinci oze: 15-50 oze pentru poliholozide cu greutate moleculara mica si mai multe mii de oze pentru poliholozide cu greutate moleculara mare. Ele au structura fie in elice (amiloza din amidon), fie liniara (celuloza), sunt macromolecule cu rol de rezerva si de constitutie:

- amidonul (C₆ H₁₀ O₅)_n . H₂O; Este o substanta de rezerva acumulata in celule sub forma de granule, fiind format din doi polimeri: amiloza (30%) si amilopectina (70%);

- celuloza (C₆ H₁₀ O₅)_n . H₂O, este constituentul esential al peretilor celulelor vegetale, fiind formata din 2 000-3 000 molecule de glucoza;

- pectinele intervin in constitutia peretelui primar al celulelor vegetale;

- mucilagiile cele mai raspandite sunt xilanii, guma arabica etc.

Guma arabica se obtine din diferite specii de Acacia. Prin ranire a cojii se scurge un lichid sub forma unui suc gros, care se intareste in contact cu aerul. In stare solida pura se prezinta ca o masa transparenta incolora. Prin hidroliza totala rezulta: L-ramnoza, L-arabinoza, L-galactoza si acid D-glucuronic. Este folosita ca material de lipit, apret in industria textila, legatorii, artele grafice, la fabricarea cemelurilor si in farmacie.

Heterozidele sau glucozidele la plante sunt in majoritate materii colorante, de  secretie, de rezerva, dintre care amintim:

- antocianii (de la grec. anthos = floare, cyanos = albastru) sunt pigmentii care dau culoarea rosie sau albastra florilor si fructelor. Ei mai pot aparea temporar in plantule sau toamna in frunze. Sunt o categorie de glucozide alcatuite dintr-un component zaharat (glucoza) si un aglicon specific numit antocianidina. Se izoleaza din plante sub forma de cloruri. Se pot intalni si in frunze (varza rosie), in radacina (sfecla rosie). Culoarea lor este legata de pH-ul mediului, si anume: in mediul acid sunt rosii, iar in mediul bazic sunt albastri. Cele mai importante antocianidine sunt: pelargonidina prezenta in florile de muscata, cianidina in florile de cicoare, delfinidina din florile de nemtisor

Din punct de vedere farmaceutic, antocianii au proprietati de vitamina P, fiind recomandati in afectiuni ale capilarelor sanguine.

- flavonele sunt substante organice neazotate, sintetizate mai ales in plantele superioare. Au fost identificate in radacini, tulpini, frunze, flori, fructe, sub forma de glicozide fenolice si in stare libera. Participa in mare parte la colorarea florilor si fructelor in galben, gasindu-se in sucul vacuolar si in cromoplaste. Pigmentii flavonici au rol in respiratia celulara si in absorbtia radiatiilor ultraviolete, protejand citoplasma si cloroplastele impotriva acestor radiatii.

- heterozidele cianogenetice, oze cu acid cianhidric (responsabile de toxicitatea unor plante).

- heterozidele alcaloidice sunt oze cu alcaloizi.

Nucleozidele sunt oze cu baze azotate ce intervin in formarea nucleotidelor.

Anumite heterozide se extrag din plante, servind in terapeutica. Pot fi: cardiotonice (digitoxina), digestive (gentiopicrozida), purgative (senozidele), antimicrobiene (streptomicina), antireumatismale (salicozidele).

Lipidele sunt substante organice prezente in toate organismele vii. Celula vegetala contine lipide de structura si lipide libere.

- lipidele de structura se gasesc in membranele plasmatice, citoplasma, nucleu, reticul endoplasmatic, plastide, mitocondrii, microzomi etc.

- lipidele libere sunt acumulate in citoplasma ca substante de rezerva, in special in seminte si fructe.

In celula, lipidele au roluri multiple: rezerve de energie, vectori de vitamine, elemente de structura intracelulara, elemente de protectie a epidermei. Toate au in comun proprietatea de a fi insolubile in apa, dar solubile in solventi organici apolari: eter de petrol, benzen, ciclohexan, tetraclorura de carbon, datorita fractiei hidrocarbonate din molecula lor.

In functie de structura lor, lipidele se clasifica in: acizi grasi, lipide saponificabile si lipide nesaponificabile.

Acizii grasi sau carboxilici sunt compusi simpli ce pot fi:

-saturati, cum sunt:

-acidul lauric-extras din Laurus nobilis - Dafin;

-acidul miristic - extras din Myristica fragrans - Nucsoara;

-acidul palmitic - extras din palmierul Elais guineensis;

-acidul stearic - din care se fabrica lumanarile: stearina;

-nesaturati acid oleic, acid linoleic, acid linolenic;

Lipidele saponificabile provin din esterificarea unui alcool si a unui acid gras. Reactia inversa, de hidroliza, se numeste saponificare si se face cu ajutorul bazelor puternice (NaOH, KOH), rezultand saruri ale acizilor grasi.

Dupa natura alcoolului utilizat, se disting:

- gliceride, alcoolul se numeste glicerol;

- fosfogliceride, rezulta din esterificarea glicerolului de catre 1-2 acizi grasi si de catre acidul fosforic;

- ceride, esteri formati dintr-un acid gras si dintr-un alcool, asa sunt cerurile de pe frunze, flori si fructe;

Lipidele nesaponificabile provin din condensarea a doua -opt molecule de hidrocarbura cu cinci atomi de C, numita izopren. Dupa cum aceste lipide raman liniare sau se ciclizeaza, se deosebesc terpenele:

benzine sau uleiuri esentiale: geraniol, limonen, mentol, pimen, eucaliptol (toate dau parfumul plantelor in care se formeaza);

carotenoizi: carotenul, pigment rosu-oranj care prin oxidare da xantofila, pigment galben, iar prin hidroliza deriva vitamina A-antixeroftalmica;

chinone, vitamina E-antisterilica, vitamina K-antihemoragica, coenzima Q;

steroide: fitosterolul la plantele superioare;

ergosterolul, in cornul secarii;

O caracteristica a lipidelor este structura lor polara antipodica: o extremitate este hidrofoba si o alta hidrofila. Aceasta structura imprima lipidelor capacitatea de a se dispune la limita de separare a suprafetelor apoase de cele neapoase, unde dau nastere la lamele monomoleculare sau bimoleculare, cu gruparea hidrofila orientata spre mediul apos, iar gruparea hidrofoba indepartata de acesta. Pe aceasta proprietate se bazeaza participarea lipidelor in structura membranelor plasmatice.

Materiile grase vegetale pot fi solide (grasimi si ceruri pe anumiti pereti celulari) si lichide (picaturi de ulei sau globule lipidice in citoplasma).

Lipidele sunt deosebit de importante:

- au o mare putere energetica, fiind alimente de baza;

- ele constituie pentru planta produse de rezerva, care deseori se acumuleaza in fruct (Olea europaea - Maslin) sau in samanta (Ricinus communis - Ricin, Juglans regia - Nuc, Linum usitatissimum - In etc); - lipidele depozitate ca materii de rezerva in cotiledoane si albumen vor fi utilizate de embrion in cresterea sa;

- acizii grasi combinati cu lipide constituie alimente indispensabile metabolismului general, carenta lor provoaca dermatoze si caderea parului.

Protidele sunt cei mai complecsi constituenti ai materiei vii, in special cei din citoplasma si nucleu. Sunt compusi cuatemari, care contin: 54%-C, 22%-O, 16%-N, 8%-H si adesea mai contin 0,3-2%-S iar uneori si 0,5%-P. Greutatea lor moleculara este foarte variabila si intotdeauna foarte ridicata. Protidele se clasifica in trei categorii de substante complexe: acizi aminici, peptide si proteine.

- Acizii aminici sunt, din punct de vedere chimic, compusi amfoteri, adica se pot comporta fie ca o baza (in mediu acid), datorita grupei amino (-NH₂), fie ca un acid (in mediu alcalin) gratie grupei carboxil (-COOH). Astazi se cunoaste structura chimica pentru 20 de acizi aminici, a caror greutate moleculara variaza de la 75 (glicocolul) la 204 (triptofanul). Dintre acestia omul, nu poate sintetiza decat opt, de aceea este foarte important ca el sa-i gaseasca in alimentele pe care le consuma. Plantele sunt singurele organisme vii care pot sintetiza un mare numar de acizi aminici. Cei 20 de acizi aminici sunt: glicocol, alanina, arginina, histidina, acid aspartic, acid glutamic, asparagina, prolina, cisteina, glutamina, serina, tirozina, iar dintre cei care pot fi sintetizati si de om enumeram: valina, leucina, izoleucina, fenilalanina, lizina, triptofan, metionina si treonina.

Peptidele sunt compusi ce rezulta din condensarea a doi sau mai multi acizi aminici. Cum hidroliza unei peptide elibereaza si functii aminice si functii acide, rezulta ca inlantuirea acizilor aminici se realizeaza cu ajutorul unor legaturi existente intre cele doua functii. Efectiv, fiecare legatura antreneaza eliminarea unei molecule de apa. Apare o legatura -CO-NH numita legatura peptidica sau legatura amidica. Dipeptida (glicil-glicina) poate fixa o noua molecula de acid aminic prin radicalul sau carboxil pentru a forma o tripeptida si asa pana la obtinerea unei polipeptide. Polipeptidele sunt indispensabile in alimentatia echilibrata. Unele dintre polipeptide sunt antibiotice: Penicilina, Tirotricina, Gramicidina, altele sunt otravuri: Faloidina, Amanitina, iar unele dintre ele confera unor plante toxicitate ridicata: Ricina, Crotina. Prin hidroliza, polipeptdele elibereaza doar acizi aminici.

Proteinele sunt substante organice complexe, macromoleculare, formate din aminoacizi. Masa lor moleculara este mare, cuprinsa intre 10.000 - 60.000, ca de exemplu: Gliadina - extrasa din grau si Hordeina - extrasa din orz, ce au masa moleculara 27.500; Zeina - extrasa din porumb, are 51.000, iar Edestina, extrasa din canepa, are masa moleculara 330.000.

In grupa proteinelor se disting: holoproteinele si heteroproteinele.

- Holoproteinele sunt macromolecule formate din incatenarea a numerosi acizi aminici prin legaturi peptidice. Prin hidroliza ele elibereaza doar acizi aminici.

Diversitatea si proprietatile specifice holoproteinelor se datoreaza numarului si ordinii in care acizii aminici sunt aranjati. Majoritatea holoproteinelor sunt formate din mai multe sute de acizi aminici, iar daca modificam unul singur dintre acestia, modificam uneori complet proprietatile unei proteine. Intr-un lant polipeptidic acizii aminici se pot repeta de mai multi ori. Numarul de combinatii si deci numarul de proteine este aproape nelimita (de exemplu, pentru 10 acizi aminici exista 3.628.000).

Secventele acizilor aminici constituie baza moleculelor proteice, aceasta fiind structura primara a proteinelor.

Lanturile polipeptidice nu sunt drepte in realitate, deoarece legaturile chimice nu sunt de 1800 si lantul polipeptidic va avea o anumita conformatie in spatiu: sub forma unei elice sau sub forma unei foite intinse si plisate. Aceste doua forme caracterizeaza structura secundara a proteinei (ca si la amidon, celuloza etc.).

Structura tertiara este forma tridimensionala a proteinelor, generata de interactiunile care se realizeaza intre radicalii R ai acizilor aminici constitutivi care stabilizeaza edificiul proteic. Mai multe lanturi proteice pot sa se asocieze si sa formeze unitati functionale supramoleculare, care constituie structura cuaternara a proteinelor.

Forma macromoleculelor sufera modificari, in functie de conditiile de mediu in care se gasesc celulele. Dupa structura lor tertiara se disting doua tipuri de proteine: proteine globulare si proteine fibrilare.

Proteinele globulare au o forma compacta, mai mult sau mai putin sferica, datorita succesiunii de elice si de foite plisate. Ele sunt in general solubile in apa si in solutii de saruri. Proteinele globulare sunt reprezentate prin: albumine (in seminte), globuline (in seminte, mirosina din muschi), prolamine, gluteline, histone (constituenti ai nucleoproteinelor nucleului) si protamine (in nucleul celulei, in combinatie cu ADN-ul). Sunt sensibile la actiunea agentilor fizico-chimici. Ele au rol metabolic important, intra in alcatuirea enzimelor, a unor substante proteice cu rol activ.

Proteinele fibrilare se formeaza din cele globulare, prin denaturarea structurii lor. Sunt formate din lanturi lungi de acizi aminici rasucite in jurul aceleiasi axe. Prezinta rezistenta la actiunea hidrolizanta a factorilor chimiei si a enzimelor. Au un rol de protectie si de sustinere. In plante au fost identificate in stratul aleuronic din seminte.

Heteroproteinele sunt proteine care prin hidroliza elibereaza pe langa acizii aminici si molecule de natura diferita, neproteica, care formeaza gruparea prostetica. Dupa natura chimica a gruparii prostetice, se disting urmatoarele categorii de heteroproteine:

-fosfoproteinele: holoproteine + H3 P0₄ (vitelina, caseina);

-glicoproteinele: -holoproteine + glucide (unele mucilagii, hormoni, enzime) ;

-cromoproteinele: holoproteine + substanta organometalica colorata (flavono-proteine, catalaza, citocromi, cloroplastide etc);

- lipoproteinele: holoproteine + lipide (in membranele celulare);

-nucleoproteinele: holoproteine + acid nucleic, ADN sau ARN, (proteinele citoplasmei si ale nucleului);

Nucleoproteinele au un rol fundamental, deoarece ele reprezinta esentialul materiei vii, fiind intalnite in toate celulele vii, unde formeaza masa principala a nucleului si a cromozomilor. Sunt formate dintr-o holoproteina in general bazica, o protamina sau o histona si dintr-o grupare prostetica, care estf un acid nucleic (ADN sau ARN).