Cristina C ătană

1. “Teachers are not only content providers, they are designers of learning experiences” Cristina Cătană

2. Obiectivele Biochimiei • Lippincott.Biochimie Ilustrată • Olteanu I. Biochimie Descriptivă • Atanasiu V. Biochimie Medicală • Marks. Basic Medical Biochemistry • Peter N. Campbell, • Anthony D. Smith. Biochimie Ilustrata

3. Obiectivele Biochimiei • Biochimia zilelor noastre stă la baza biologiei moleculare • explicarea şi înţelegerea organizării moleculelor precum şi a modului cum interacţionează între ele pentru a menţine viabilitatea fiinţei umane

4. Obiectivele Biochimiei • Sunt vizate trei aspecte: • Biochimia descriptivă- consituienţii biologici: glucide, lipide, proteine, acizi nucleici, vitamine • Enzimologia- Studiul mecanismelor reacţionale care necesită intervenţia catalizatorilor

5. Obiectivele Biochimiei • Biochimia metabolică- căile de formare şi degradare a macromoleculelor din celulele vii: metabolism glucidic, lipidic, al aminoacizilor, hemoglobinei, bazelor purinice, fosfocalcic, al fierului, al xenobioticelor

6. Apa, Acizii, Bazele şi Soluţiile tampon • Corpul uman este reprezentat în proporţie de aproximativ 60% de apă care acţionează ca solvent pentru substanţele de care avem nevoie • K+, glucoză, ATP şi proteine • În ea se găsesc celulele, se dizolvă şi se transportă constituienţii din sânge; oferă un mediu necesar mişcării moleculelor; prin intermediul ei este disipată căldura, participă la reacţiile chimice

7. Apa, Acizii, Bazele şi Soluţiile tampon • Apa • la copii 75% din greutatea corpului • Deoarece grăsimea se asociază cu relativ puţină apă, persoanele obeze tind să aibă un procent de apă mai mic decât cei mai slabi, femeile decât bărbaţii, persoanele în vârstă faţă de tineri.

8. APA, ACIZII, BAZELE ŞI SOLUŢIILE TAMPON • Majoritatea constituienţilor produşi în organism şi dizolvaţi în apă conţin grupări chimice ce funcţionează ca • Acizi sau Baze cedând sau acceptând ioni de hidrogen • Conţinutul de protoni şi cantitatea de apă au rol în menţinerea homeostaziei celulare, acidoza sau deshidratarea putând să afecteze viaţa

9. APA, ACIZII, BAZELE ŞI SOLUŢIILE TAMPON • Apa • Este distribuită între compartimentul intra- (40%) şi extracelular (60%), ultimul incluzând fluidele interstiţiale, sângele şi limfa • Apa transcelulară este o mică şi specializată parte a apei extracelulare care include secreţiile gastrointestinale, urina, sudoraţia, precum şi fluidul care străbate peretele capilar din cauza creşterii presiunii hidrostatice sau a inflamaţiei.

10. APA, ACIZII, BAZELE ŞI SOLUŢIILE TAMPON • Apa • Moleculă dipolară cu o distribuţie inegală a electronilor între atomii de hidrogen şi oxigen, formând legături de hidrogen cu alte molecule polare şi funcţionând ca solvent • Atomul de oxigen prezintă doi electroni nepereche care formează un nor dens de electroni în jurul ei. Acest nor este situat deasupra şi dedesubtul planului format de molecula de apă

11. APA, ACIZII, BAZELE ŞI SOLUŢIILE TAMPON • Legăturile de hidrogen ale apei • În legătura covalentă dintre atomii de oxigen şi hidrogen, electronii nepereche sunt atraşi spre oxigen, acesta fiind încărcat parţial negativ, iar atomul de hidrogen parţial pozitiv • Partea moleculară ce conţine oxigenul este mai electronegativă decât a hidrogenului, molecula fiind dipolară.

12. APA, ACIZII, BAZELE ŞI SOLUŢIILE TAMPON • Legătura de hidrogen este o interacţiune slabă necovalentă între hidrogenul unei molecule şi atomul mai electronegativ al unei molecule acceptoare • Oxigenul din apă formează legături de hidrogen cu alte două molecule de apă, fiecare moleculă de apă fiind în interacţiune prin legături de hidrogen cu aproximativ patru molecule de apă învecinate într-o reţea tridimensională de fluid

13. APA, ACIZII, BAZELE ŞI SOLUŢIILE TAMPON

14. APA, ACIZII, BAZELE ŞI SOLUŢIILE TAMPON • Moleculele organice polare şi sărurile anorganice se dizolvă în apă deoarece apa formează atât legături de hidrogen cât şi interacţiuni electrostatice cu aceste molecule • Moleculele organice conţinând în proporţie ridicată atomi electronegativi (oxigen sau azot) sunt solubile în apă deoarece aceşti atomi participă la formarea legăturii de hidrogen cu moleculele de apă

15. APA, ACIZII, BAZELE ŞI SOLUŢIILE TAMPON • Anionii de clor şi bicarbonat precum şi alţi anioni sunt încon- juraţi de de un strat de hidratare format din moleculele de apă cu atomul de hidrogen cât mai aproape de anion • Atomul de oxigen al moleculelor de apă interacţionează cu cationii anorganici Na+ şi K+, înconjurându-i cu un strat de hidratare.

16. APA, ACIZII, BAZELE ŞI SOLUŢIILE TAMPON • Deşi legăturile de hidrogen sunt suficient de puternice să dizolve moleculele polare în apă şi să separe sarcinile, sunt destul de slabe să permită mişcarea apei şi a moleculelor dizolvate • Tăria unei legături de hidrogen dintre două molecule de apă este de aproximativ 4 kcal, reprezentând 1/20 din cea a legăturii covalente O- H din molecula de apă

17. APA, ACIZII, BAZELE ŞI SOLUŢIILE TAMPON • Reţeaua de apă este dinamică având multe legături care sunt în permanenţă rupte şi refăcute. O legătură de hidrogen între moleculele de apă durează în medie 10 psec, iar fiecare moleculă de apă din stratul de hidratare a unui ion se menţine 2,4 nsec • Ca urmare, legăturile de hidrogen dintre moleculele de apă şi alte molecule polare disociază şi se formează continuu, permiţând transportul prin apă al substanţelor, iar apei să traverseze canalele membranelor celulare.

18. APA, ACIZII, BAZELE ŞI SOLUŢIILE TAMPON • pH-ul apei • Apa este neutră, nici acidă, nici bazică • Apa disociază în mică măsură pentru a forma ioni de hidrogen (H+) şi hidroxil (HO-). Concentraţia ionilor de hidrogen determină aciditatea unei soluţii, exprimată sub forma pH-ului

19. APA, ACIZII, BAZELE ŞI SOLUŢIILE TAMPON • Gradul de disociere al moleculelor de apă în H+ şi HO- este redus, concentraţia ionilor de hidrogen în apa pură fiind de numai 0, 0000001M sau 10-7 mol/L • pH-ul apei pure este de 7. Constanta de disociere a apei, Kd, stabileşte relaţia dintre concentraţia ionilor de hidrogen, [H+], concentraţia ionilor hidroxil, [HO-] şi concentraţia apei, [H2O] la echilibru

20. APA, ACIZII, BAZELE ŞI SOLUŢIILE TAMPON

21. APA, ACIZII, BAZELE ŞI SOLUŢIILE TAMPON

22. APA, ACIZII, BAZELE ŞI SOLUŢIILE TAMPON

23. APA, ACIZII, BAZELE ŞI SOLUŢIILE TAMPON

24. APA, ACIZII, BAZELE ŞI SOLUŢIILE TAMPON

25. APA, ACIZII, BAZELE ŞI SOLUŢIILE TAMPON

26. APA, ACIZII, BAZELE ŞI SOLUŢIILE TAMPON

27. APA, ACIZII, BAZELE ŞI SOLUŢIILE TAMPON • Un pH de 7 se numeşte neutru întrucât [H+] şi [HO-] sunt egale • Soluţiile acide au o concentraţie a ionilor de hidrogen mai mare şi o concentraţie de ioni hidroxid mai mică decât apa pură ( pH < 7) • Soluţiile bazice au au o concentraţie a ionilor hidroxil mai mare şi o concentraţie a ionilor de hidrogeni mai mică (pH > 7).

28. APA, ACIZII, BAZELE ŞI SOLUŢIILE TAMPON

29. APA, ACIZII, BAZELE ŞI SOLUŢIILE TAMPON

30. APA, ACIZII, BAZELE ŞI SOLUŢIILE TAMPON

31. APA, ACIZII, BAZELE ŞI SOLUŢIILE TAMPON

32. APA, ACIZII, BAZELE ŞI SOLUŢIILE TAMPON • Organismul produce prin metabolism un număr de acizi care creşte concentraţia ionilor de hidrogen a sângelui sau a altor lichide şi reduce pH-ul • Aceşti acizi importanţi din punct de vedere metabolic pot fi clasificaţi în acizi slabi şi acizi puternici, în funcţie de gradul de disociere în ioni de hidrogen şi o bază (componenta anionică) • Acizii anorganici, precum acidul sulfuric şi acidul clorhidric sunt acizi puternici care disociază complet în soluţie.

33. APA, ACIZII, BAZELE ŞI SOLUŢIILE TAMPON • Acizi şi baze • Acizii sunt substanţe care eliberează protoni, iar bazele care acceptă protoni • Dizolvate în apă, majoritatea moleculelor unui acid puternic disociază şi eliberează ioni de hidrogen, în timp ce moleculele unui acid slab disociază numai într-un procent foarte mic • Un acid slab are o constantă de disociere caracteristică şi notată cu Ka. Relaţia dintre pH-ul unei soluţii, Ka şi gradul de disociere este stabilită de ecuaţia Henderson- Hasselbalch.

34. APA, ACIZII, BAZELE ŞI SOLUŢIILE TAMPON • Acizii organici conţinând grupări carboxilice (acidul acetoacetic şi β-hidroxibutiric) sunt acizi slabi care disociază într-o anumită măsură în apă • În general, un acid slab (HA), numit acid conjugat, disociază într-un ion de hidrogen şi o componentă anionică (A-) sau baza conjugată • Numele acidului nedisociat frecvent se finalizează în „ic” (acidul acetoacetic), în timp ce numele componentei anionice disociate în „ate” (acetoacetat).

35. APA, ACIZII, BAZELE ŞI SOLUŢIILE TAMPON • Tendinţa acidului HA de a disocia şi de a elibera un ion de hidrogen în soluţie este indicată de Ka, constanta de echilibru pentru disocierea unui acid slab • Cu cât Ka este mai mare, cu atât tendinţa de a disocia un proton este mai mare • HA  A- + H+ • Ka = [A-] [ H+] / [HA]

36. APA, ACIZII, BAZELE ŞI SOLUŢIILE TAMPON • În ecuaţia Henderson- Hasselbalch, formula pentru constanta de disociere a unui acid slab este convertită într-o ecuaţie logaritmică, în care pKa reprezintă logaritmul negativ al Ka • pH = pKa + log [A-] / [HA] • Dacă se ştie pKa pentru un acid slab, ecuaţia poate fi folosită pentru a calcula raportul dintre formele neprotonată şi protonată la orice pH • La un pH egal cu pKa un acid slab este disociat în proporţie de 50%.

37. APA, ACIZII, BAZELE ŞI SOLUŢIILE TAMPON • Majoritatea acizilor carboxilici rezultaţi din metabolism au pKa cuprins între 2 şi 5, în funcţie de prezenţa altor grupări ale moleculei • Valoarea lui pKa reflectă tăria acidului. Acizii cu un pKa de 2 sunt mai puternici decât cei cu un pKa de 5 deoarece, indiferent de pH, o proporţie mai mare este disociată.

38. APA, ACIZII, BAZELE ŞI SOLUŢIILE TAMPON • Acizii şi bazele rezultate din metabolism • Metabolismul normal produce CO2, acid lactic şi corpi cetonici, precum şi acizi anorganici (acid sulfuric) • Sursa majoră de acizi o constituie CO2 care reacţionează cu apa pentru a produce acidul carbonic

39. APA, ACIZII, BAZELE ŞI SOLUŢIILE TAMPON • În vederea menţinerii pH-ului din fluidele organismului la valori compatibile cu viaţa, organismul prezintă mai multe sisteme tampon: bicarbonat, fosfat, al hemoglobinei • În cele din urmă, mecanismele respiratorii îndepărtează acidul carbonic prin expirarea CO2, iar rinichii prin excreţia acidului sub formă de ioni de amoniu (NH4+) sau alţi ioni. Producţia zilnică de acid rezultat dintr-un metabolism normal este de aproximativ 13-22 moli.

40. Exemple

41. Exemple • 1. Diana are 26 ani (studentă) şi a fost diagnosticată cu diabet zaharat tip I de la vârsta de 12 ani • Are un deficit total de insulină rezultat din distrucţia autoimună a celulelor β pancreatice , fiind dependentă de administrarea zilnică a insulinei injectabile pentru a preveni nivelul ridicat al glicemiei şi al corpilor cetonici • Diana nu s-a trezit din somnul de după-masă, iar colega de cameră s-a speriat şi a chemat o ambulanţă fiind dusă de urgenţă la spital în stare de comă. Colega ei a relatat faptul că Diana a prezentat în ultimele 24 ore stare de greaţă, somnolenţă şi vărsaturi.

42. Exemple • La examenul clinic s-a constatat că pacienta era deshidratată şi cu presiunea sangvină scăzută. Respiraţiile erau profunde şi rapide, pulsul ridicat. Respiraţia avea halenă acetoinică • Analizele probelor de sânge au constat în: măsurarea pH-ului arterial, a presiunii arteriale parţiale a CO2, PaCO2, glucozei serice, bicarbonatului seric

43. Exemple • În plus, s-a verificat prezenţa corpilor cetonici în urină şi ser şi i s-a administrat iv ser fiziologic şi insulină • Rezultatele de laborator au arătat că: • pH = 7,08 (IBR= 7,36- 7,44) • prezenţa corpilor cetonici în sânge şi urină • glicemia este de 648 mg/dL (IBR= 80-110mg/dL a jeun) • şi < 200mg/dL în orice moment al zilei

44. Exemple

45. Exemple • Prima explicaţie • În diabet există cetoacidoză • Dacă insulina nu este administrată în doză corespunzătoare ea rămâne intr-o stare similară cu perioada a jeun deşi pacienta s-a alimentat, neexistând producţie endogenă

46. Exemple • Ficatul continuă să metabolizeze acizii graşi până la corpii cetonici acidul acetoacetic şi β-hidroxibutiric • Aceştia sunt acizi slabi care vor disocia cu producere de anioni, acetoacetat şi β-hidroxibutirat şi ioni de hidrogen ce determină: • Scăderea pH-ului sangvin şi celular sub IBR.

47. APA, ACIZII, BAZELE ŞI SOLUŢIILE TAMPON • Sistemele tampon • Sunt compuse din acidul nedisociat şi baza sa conjugată (acidul care a pierdut un proton) astfel încât soluţia să reziste variaţiilor de pH cauzate de adăugarea unor cantităţi mici de acid sau de bază. Capacitatea de tamponare este maximă pe domeniul • pH= pKa ± 1 • Eficienţa capacităţii de tamponare a unui sistem tampon depinde de doi factori: pKa şi concentraţia soluţiei.

48. APA, ACIZII, BAZELE ŞI SOLUŢIILE TAMPON • Apa şi reglarea temperaturii corpului • Structura apei permite deasemenea rezistenţa la schimbările de temperatură. Este nevoie de o scădere puternică a temperaturii pentru a converti apa din starea lichidă în cea solidă a gheţii • Conductivitatea termică a apei este mare, facilitând disiparea căldurii din ariile ce folosesc multă energie precum creierul spre sânge şi rezerva totală de apă din organism.

49. APA, ACIZII, BAZELE ŞI SOLUŢIILE TAMPON • Capacitatea de încălzire şi căldura de vaporizare sunt extrem de mari; pentru ca apa lichidă să treacă în stare gazoasă şi să se evapore din piele apare senzaţia de rece • Apa răspunde la creşterea temperaturii prin reducerea extinderii legăturilor de hidrogen, în timp ce la răcirea temperaturii prin creşterea numerică a legăturilor intermoleculare

50. Apa, Acizii, Bazele şi Soluţiile tampon • Electroliţii • Atât lichidul extracelular cât şi cel intracelular conţin electroliţi, în primul rând bicarbonat, anioni anorganici şi cationi. Electroliţii sint distribuiţi inegal între cele două compartimente; • Na+ şi Cl- sunt electroliţii majori din lichidul extracelular (plasma şi lichidul interstiţial), iar K+ şi fosfaţii precum (HPO4)2- sunt electroliţii intracelulari majoritari • Distribuţia este menţinută în principal cu ajutorul transportorilor activi care pompează Na+ înafara celulelor în schimbul K+.