Portal:Chimie
De la Wikipedia, enciclopedia liberă
Chimia este ştiinţa materiei care studiază compoziţia, structura şi proprietăţile substanţelor şi transformările la care se supun acestea. În studiul materiei, chimia investighează de asemenea şi interacţiile cu energia (vezi fizică, biologie). Datorită diversităţii materiei, care este în principal formată din atomi, chimiştii studiază de cele mai multe ori felul în care atomii interacţionează pentru a forma molecule şi cum moleculele interacţionează între ele.
Acid ascorbic · Acid carboxilic · Alcooli · Azot · Colecalciferol · Ergocalciferol · Glucoză · Magneziu · Retinol
Alfred Nobel (n. 21 octombrie 1833 - d. 10 decembrie 1896), chimist, inventator, om de afaceri suedez, inventatorul dinamitei şi creatorul fundaţiei ce oferă faimoasele Premii Nobel.
Cercetătorul a descoperit că prin amestecarea nitroglicerinei cu cuarţ se formează o pastă care putea fi modelată în diferite forme şi dimensiuni. În 1867 îşi brevetează invenţia sub denumirea de dinamită. Pentru a putea determina apariţiei exploziei, Alfred brevetează o altă invenţie, un detonator care permite activarea dinamitei prin aprinderea unui fitil.
Până la moartea sa, în 1896, Alfred Nobel a brevetat peste 355 de invenţii, printre care cauciucul sintetic, pielea artificială şi mătasea sintetică. (vezi articolul)
- ...că Aqua regia este unul din puţinii reactivi care pot dizolva aur şi platină?
- ...că în 1933, Ernest Rutherford a afirmat "Energia produsă prin sfărâmarea atomului este o treabă caraghioasă. Oricine se aşteaptă la o sursă de energie din transformările acestor atomi vorbeşte aiureli."
Prezentare rezumat
PREMIUL NOBEL PENTRU CHIMIE 2003
Este acordat unor personalităţi în domeniul fizicii, chimiei, biologiei şi medicinei - PETER AGRE şi RODERICK MACKINNON - pentru descoperirile privind structura canalelor la nivelul membranei celulare: canale de apă,respectiv de ioni şi a mecanismului canalelor de ioni. Explorarea acestui subiect de cercetare îşi are începuturile încă din sec. XIX , când era evidentă existenţa şi necesitatea unui transfer selectiv de apă şi săruri la nivelul membranei celulare. Ca orice temă de cercetare munca celor doi cercetători s-a bazat pe cunoştinţele cumulate ale domeniilor: fizică, chimie, biologie şi medicină. CANALELE DE APĂ În soluţionarea problemei canalelor de apă s-a intrat pe linie dreaptă în anul 1980, când Peter Agre, realizând faptul că este vorba de o proteină, a studiat membranele proteice din celulele roşii din sânge şi a constatat existenţa uneia identice în rinichi. Cele două aveau aceeaşi secvenţă peptidică şi respectiv aceeaşi secvenţă ADN, astfel realizând că a găsit proteina căutată: canalul celular de apă. Verificarea acestei observaţii a fost efectuată cu un experiment, constând în studiul comparativ al lipozomilor (celule artificiale) cu proteina implantată în membrană, cu cei fără implant şi prin obţinerea unei imagini tridimensionale a canalului de apă în anul 2000.
IMPORTANTA MEDICALĂ A CANALELOR DE APĂ Porii de apă s-au dovedit a fi o mare familie proteică. Ele există în bacterii, plante şi animale. Într-un sigur corp uman au fost descoperite cel puţin unsprezece variante diferite. Canalele de apă joacă un rol important în rinichi. Rinichiul este un aparat ingenios pentru eliminarea subsanţelor ce nu mai sunt necesare corpului. La nivelul capilarelor glomerulare, care funcţionează ca o membrană ultrafiltrantă, apa, ionii şi alte molecule mici părăsesc sângele sub formă de urină primară (cu o compoziţie electrolitică identică cu a plasmei dar lipsită de proteine-plasmă deproteinizată). După 24 de ore sunt produşi aprox. 170 de litri de urină primară. Cea mai mare parte a acesteia este reabsorbită printr-o serie de mecanisme specifice, astfel încât numai aproximativ un litru de urină părăseşte corpul într-o zi.
De la glomeruli, urina primară este trecută direct printr-un tub capilar unde cca.70% din apă este reabsorbită în sânge prin porii de apă (acuaporina1)AQP1. La sfârşitul tubului, încă 10% din apă este reabsorbită printr-un por de apă similar, (acuaporina2)AQP2. Separat de aceştia , ionii de sodiu,potasiu şi clor sunt de asemenea resorbiţi în sânge. Hormonul antidiuretic (vasopresina) stimulează transportul AQP2 spre membranele celulelor din pereţii tubului şi prin urmare creşte reabsorbţia apei din urină. Oamenii cu deficiente ale acestui hormon pot fi afectaţi de o boală infecţioasă numită diabet insipid cu o producţie urinară zilnică de 10-15 litri.
CANALE DE IONI Semnalele electrice măsurate în ţesutul viu au fost primele observaţii sugestive asupra existenţei transferului de ioni la nivelul membranei celulare (fizician-chimist german Wilhem Ostwald -1890).
În anul 1970 s-a admis faptul că acest canal ionic este capabil să selecteze tipul de ioni, fiind echipat cu un fel de “filtru ionic”. De interes particular a fost găsirea unor canale care admit ionii de potasiu dar nu şi pe cei de sodium, chiar dacă Na+ sunt mai mici ca K+. De asemenea se bănuia rolul atomilor de oxigen în acest proces biochimic.
Progresul în acest domeniu de cercetare a devenit posibil doar după ce biochimistul,medicul şi apoi fizicianul MacKinnon a reuşit să obţină o imagine cu o rezoluţie avansată , prin îmbunătăţirea metodei de analiză cristalografică cu raze X , a canalului de ioni în aprilie 1998,numit KcsA. Cu această imagine putem înţelege modul de filtrare a ionilor la nivelul membranelor celulare, vizualizând structura cristalografică a ionilor înconjuraţi de apă înainte şi în spatele filtrului ionic al canalul de ioni. În imaginea prezentată se observă că ionii de K+ , fiind mai mari, îşi păstrează legăturile cu atomii de oxigen în interiorul canalului ionic, pe când ionii de Na+, din cauza volumului mic nu-şi poate păstra legăturile cu atomii de oxigen,ceea ce le face imposibilă înaintarea prin canalul ionic.Acest proces de filtrare, ce permite trecerea ionilor de potasiu fără consum de energie, este un fel de transport selectiv catalizat de ioni. Celula trebuie de asemenea să fie în stare să controleze deschiderea şi închiderea canalelor de ioni.MacKinnon a arătat că acest lucru este realizat de un « senzor » molecular,care închide şi deschide o poartă de trecere (gate) aflată la capătul inferior al canalului. Senzorii sunt specifici tipului de semnal.Prin conectarea diferiţilor senzori la canalele de ioni,natura a creat canale care corespund la un număr larg de semnale diferite. ÎNŢELEGEREA BOLILOR Deoarece întreaga materie vie este alcătuită din celule,înţelegem că este importantă cunoaşterea funcţionării acestora,ele dând detalii asupra stării de boală. Deshidratările în diferite moduri şi sensibilitatea la căldură sunt legate de eficienţa acuaporinilor.Valurile de căldură din Europa în anul 2003,de exemplu,au generat multe decese,care se explică prin imposibilitatea menţinerii echilibrului fluidelor în corp.În aceste procese o importanţă deosebită o au acuaporinii. Dereglări în funcţionarea canalelor de ioni pot conduce la boli serioase ale sistemului nervos şi a celui muscular,de exemplu muşchii inimii. Aceasta face din canalele de ioni ţinte importante pentru industria farmaceutică în producerea unor medicamente.
Prezentare detailată
PREMIUL NOBEL PENTRU CHIMIE 2003
Întreaga materia vie este alcătuită din celule. O singură fiinţă umană o putem imagina ca o galaxie cu o sută de mii de milioane de stele. Diferitele cellule (musculare, nervoase, ale rinichilor, etc.) acţionează împreună într-un complicat sistem ,în care fiecare acţiune a unei celule implică acţiunea tuturor celulelor sistemului.
Prin intermediul descoperirilor privitor la canalele de ioni şi canalele de apă ale membranelor celulare, în acest an laureaţii Premiului Nobel,PETER AGRE ŞI MACKINNON,au contribuit la cunoaşterea legilor fundamentale din chimie privind funcţionarea celulelor.Ei ne-au deschis ochii spre o fantastică familie a maşinii celulare: canale,pereţi şi valve, toate fiind necesare în funcţionarea celulei.
Orice presiune asupra celulei se rezolvă dacă pereţii acesteia permit trecerea lichidului apos.Aspectul şi funcţionarea la nivelul porilor,a rămas multă vreme necunoscută biochimiştilor. În jurul anului 1990 Peter Agre a descoperit primul canal al lichidului apos.La fel ca multe altele, în interiorul celulelor vii a fost vorba de o proteină. Moleculele de apă nu sunt singurele entităţi ce intră sau ies din celulă.Pentru sute de milioane de celule dintr-o zonă , trebuie să fie posibilă comunicarea pentru a acţiona una la fel cu cealaltă. Semnalul trimis în şi între celule constă în ioni sau mici molecule. Acestea pornesc o reacţie chimică în lanţ care cauzează, tensionarea muşchilor ,umezirea ochilor -într-adevăr, controlând toate funcţiile corpului nostru. Semnalul în creierul nostru crează deasemenea astfel de reacţii chimice. Era în 1998 când MacKinnon reuşeşte să arate pentru prima dată canalele de ioni la nivel atomic şi împreună cu Peter Agre descoperă canalele de apă,o descoperire care deschide un nou domeniu de cercetare pentru biochimişti. Consecinţele medicale ale descoperirilor lui Agre şi MacKinnon au deasemenea o mare importanţă. Un număr mare de boli pot fi atribuite slabei funcţionări în apă a canalelor de ioni din corpul uman.Cu ajutorul cunoştinţelor legate de aspectul şi funcţionalitatea celulei, se pot obţine noi produse farmaceutice.
Fig.1 Pereţii celulari sunt pe departe de a fi impenetrabili,ei sunt străbătuţi de multe canale .Canalele sunt special adaptate pentru a permite trcerea unui anumit tip de ion sau moleculă. CANALELE DE APA Încă din secolul IXX era cunoscută necesitatea transferului de apă şi săruri prin membranele celulelor.Din 1950,când era evidentă existenţa acestui transfer, au trecut 30 de ani până când să se realizeze că acei “pori celulari” acţionează ca filter selective nepermiţând trecerea ionilor dar lăsând liberă trecerea moleculelor de apă. Sute de milioane de molecule trec într-o secundă printr-un singur canal. Totuşi,până în anul 1992 nu s-a putut explica modul în care aceste canale funcţionează şi nici cum arată.Începând cu anul 1980, Agre, a intrat pe linia dreaptă studiind mai multe membrane proteice din celulele roşii din sânge,găsind una asemănătoare în rinichi .Determinând că ambele au aceeaşi sevenţă peptidică şi secvenţă corespunzătoare ADN,a realizat că aceasta este proteina căutată:canalul celular de apă. Ipoteza şi-a demonstrat-o printr-un experiment simplu în care testa comportarea ,într-o soluţie de apă, a celulelor cu proteină şi a celor fără proteină.Aşa cum s-a aşteptat, celulele cu proteină admit moleculele de apă ,prin procesul de osmoză,iar celelalte nu sunt afectate în nici un fel.De asemenea a testat ipoteza pe lipozomi(celule artificiale) implantând în membranele unora proteina şi a costatat aceeaşi diferenţă de comportament.
Ce este osmoza?
Presiunea lichidului în celulele plantelor şi animalelor este menţinută prin osmoză. În osmoză, mici molecule (la fel ca apa) trec printr-o membrană semi-permeabilă. Dacă membrana nu admite macromolecule sau sărurile care sunt în concentraţii mari pe o parte a membranei,micile molecule (apa) vor trece de această parte încercând să ‘diluieze’ substanţele ce nu pot trece prin membrane. Presiunea osmotică aparută astfel este motivul pentru care celulele sunt adesea umflate şi tari, într-o tulpină de floare spre exemplu.
Fig.2 Experimentul lui Peter Agre cu celule conţinând sau nu acuaporină.Acuaporina este necesară pentru a face celulele să absoarbă apă şi să se umfle. Deasemenea Peter Agre ştia că ionii de mercur împiedică celulele să primească şi să cedeze apa şi a arătat că transportul de apă prin noua sa proteină, a fost împiedicat în acelaşi mod de mercur. Aceasta l-a facut chiar şi mai sigur că a descoperit ceea ce actual numim canalul de apă. Agre a numit proteina ‘por de apă’. Cum lucrează un canal de apă ? O problemă de aspect şi funcţionare. În anul 2000 Agre ,împreună cu o echipă de cercetători, anunţă prima imagine de rezoluţie înaltă a structurii tridimensionale a acuaporinei.Cu această dată,a fost posibilă determinarea modului de funcţionare a canalelor de apă.Cum pot acestea să admită moleculele de apă şi să nu admită ionii sau alte molecule ? Membrana este,pentru început, permeabilă transferului de protoni. Acest lucru este deosebit de important pentru că diferenţa între concentratia de protoni din interiorul şi exteriorul celulei este baza sistemului celular de stocare a energiei. Selectivitatea este proprietatea centrală a canalului. Moleculele de apă îşi croiesc drumul prin canalul strâmt orientându-se în câmpul electric local format de atomii peretelui canalului. Protonii (mai bine zis ionii de hidroniu H3o+) sunt opriţi din drum şi respinşi din cauza sarcinii lor pozitive.
Fig.3 Trecerea moleculelor de apă prin acuaporina1- AQP1.Datorită încărcării pozitive la centrul canalului, ionii încărcaţi pozitiv, cum ar fi ionii de hidroniu(H3O+), sunt respinşi. Acest lucru previne trecerea de protoni prin canal.
IMPORTANŢA MEDICALĂ A CANALELOR DE APĂ De-alungul ultimilor 10 ani, cunoştinţele relativ la canalele de apă s-au dezvoltatat într-un subiect de cercetare de mare actualitate. Porii de apă s-au dovedit a fi o mare familie proteică. Ele există în bacterii, plante şi animale. Într-un sigur corp uman au fost descoperite cel puţin unsprezece variante diferite. Funcţionalilatea acestor proteine a fost aratată în bacterii, în plante şi în animale, cu focalizare pe rolul lor fiziologic. În fiinţele umane, canalele de apă joacă un rol important în rinichi. Rinichiul este un aparat ingenios pentru eliminarea subsanţelor ce nu mai sunt necesare în corp. La nivelul capilarelor glomerulare, care funcţionează ca o membrană ultrafiltrantă, apa, ionii şi alte molecule mici părăsesc sângele sub formă de URINĂ PRIMARĂ (cu o compoziţie electrolitică identică cu a plasmei dar lipsită de proteine-PLASMĂ DEPROTEINIZATĂ). După 24 de ore,este produsă cam 170 de litri de urină primară. Cea mai mare parte a acesteia este reabsorbită printr-o serie de mecanisme specifice, astfel încât numai aproximativ un litru de urină părăseşte corpul într-o zi. De la glomeruli, urina primară este trecută direct printr-un tub capilar unde cca.70% din apă este reabsorbită în sânge prin porii de apă (acvaporina1)AQP1. La sfârşitul tubului, încă 10% din apă este reabsorbită printr-un por de apă similar, (acvaporina2)AQP2. Separat de aceştia , ionii de sodiu,potasiu şi clor sunt de asemenea resorbiţi în sânge. Hormonul antidiuretic (vasopresina) stimulează transportul AQP2 spre membranele celulelor din pereţii tubului şi prin urmare creşte reabsorpţia apei din urină. Oamenii cu deficienţe ale acestui hormon pot fi afectaţi de o boală infecţioasă numită diabet insipid cu o producţie urinară zilnică de 10-15 litri. CANALE DE IONI Primul fizician-chimist german Wilhem Ostwald (Premiul Nobel pentru chimie 1909) în 1890 a propus teoria conform căreia semnalele electrice măsurate în ţesutul viu pot fi cauzate de traversarea membranei celulei de către ioni , idee care a fost repede acceptată. Noţiuni despre existenţa unor tipuri de canale strâmte au apărut în 1920. Doi oameni de ştiinţă britanici, Alan Hodgkin şi Andrew Huxely au făcut o descoperire majoră la începutul anului 1950 si ca urmare au obţinut Premiul Nobel în Fiziologie sau Medicină în 1963. Ei au arătat că transportul ionilor prin membranele celulelor nervoase, produce un semnal care converge de la o celulă nervoasă la alta ca într-o întrecere cu ştafetă. În primul rând ionii de sodiu şi potasiu Na+ si Ka+ , care sunt activi în aceste reacţii. Astfel cu mai bine de 50 de ani în urmă au fost bine dezvoltate cunoştinţele despre rolul central al canalelor de ioni. În acest sens,era evident rolul selectiv al canalului la trecerea ionilor prin canal. La fel, trebuie să fie posibilă deschiderea şi închiderea canalului şi uneori să conducă ionii doar înr-o singură direcţie. Dar modul în care funcţionează acest aparat molecular a rămas pentru mult timp un mister.
CANALUL DE SELECŢIE AL IONILOR
În cursul anului 1970 a fost arăt că acest canal de ioni este capabil să admită doar un singur tip de ioni, pentru că acesta este echipat cu un fel de “filtru ioni”. De interes particular a fost găsirea unor canale care admit ionii de potasiu dar nu şi pe cei de sodiu- chiar dacă ionii de sodiu sunt mai mici ca ionii de potasiu. A fost suspectat faptul că atomii de oxigen au jucat un rol important în proteine ca substituient pentru moleculele de apă cu care ionii de potasiu se înconjoară în solutia de apă şi de care trebuie să se elibereze în timp ce intră în canal. Dar progresul care a urmat cu aceasta ipoteză a fost dificil- ceea ce era necesar acum obţinerea unei imagini de rezoluţie înaltă care la acel moment se putea obţine numai prin cristalografia de raze X . Problema a fost dificultatea de a determina structura membranei proteice şi a canalelor de ioni cu această metodă. Membrana proteinei din plante şi animale este prea complicată şi dificil de a lucra cu ea în comparaţie cu cea din bacterii. Folosind canalul proteic bacterian, care seamănă parţial cu canalele ionice umane, s-a încercat înaintarea pe această direcţie de cercetare,mulţi cercetători lucrând fără rezultatul scontat. Rezultate pozitive au venit dintr-o direcţie neaşteptată. Roderick MacKinnon, după ce a studiat biochimia, s-a întors la medicină şi s-a calificat ca doctor în medicină. După ce a lucrat ca fizician câţiva ani, a devenit din ce în ce mai interesat de canalele de ioni şi a început să facă cercetări în domeniu: « Cariera mea a început efectiv la vârsta de 30 de ani », a recunoscut el. Dar cariera lui s-a terminat repede. Realizând faptul că obţinerea unei imagini de rezoluţie mai bună reprezintă punctul forte al soluţionării problemei legate de cunoaşterea modului de funcţionare a canalului de ioni, el decide să înveţe fundamentele cristalografiei de raze X pentru a reuşi să îmbunătăţească acurateţea imaginii. Au trecut doar câţiva ani până când toată comunitatea de cercetători să poată vizualiza o structură a unui canal de ioni. Aceasta a fost în aprilie 1998.
PRIMUL CANAL DE IONI TRASAT ATOM CU ATOM În 1998 MacKinnon a determinat prima structură de rezoluţie ridicată a unui canal de ioni numit KcsA. MacKinnon a descoperit pentru prima dată cum funcţionează canalele de ioni la nivel atomic. Filtrul de ioni, care admite ionii de potasiu şi îi stopează pe cei de sodiu ,putând fi studiat acum în detaliu. Nu numai că a fost posibil după mult timp să înţelegem cum ionii trec prin canal,dar pot fi de asemenea văzuţi în structura cristalină- înconjuraţi de molecule de apă chiar înainte să intre în filtrul de ioni, direct în filtru, şi când ei întâlnesc apa în cealaltă parte a filtrului. MacKinnon poate explica de ce ionii de potasiu sunt admişi în filtru iar cei de sodiu nu: pentru că distanţa între ionii de potasiu şi atomii de oxigen în filtru este aceeaşi cu distanţa dintre ionii de potasiu şi atimii de oxigen în moleculele de apă din jurul ionilor de potasiu când aceştia sunt în afara filtrului. Astfel ionul de potasiu poate aluneca în filtru fără rezistenţă. Oricum ionul de sodiu care este mai mic decât cel de potasiu nu poate trece prin canal. Aceasta din cauză că nu se potriveşte printre atomii de oxigen în filtru şi în consecinţă rămâne în soluţia de apă. Abilitatea canalului de a permite ionului de potasiu să părăsească apa şi să-i dea voie fără nici o schimbare să treacă, fără consum de energie ,este un fel de transport selectiv catalizat de ioni. Celula trebuie de asemenea să fie capabilă să controleze deschiderea şi închiderea canalelor de ioni. MacKinnon a arătat că aceasta este înfăptuită printr-o poartă la capătul canalului care este deschisă şi închisă de un « senzor molecular ». Acest senzor este situat aproape de poartă. Fiecare senzor reactionează un tip de semnal, de exemplu : o creştere în concentraţie a ionilor de calciu, o tensiune electrică pe membrana celulei sau producerea unui semnal molecular de un anumit tip. Prin conectarea de senzori diferiţi la canalele de ioni, natura a creat canale care răspund la un număr mare de semnale diferite.
Fig.4 Canalele de ioni permit trecerea ionilor de K+ dar nu şi de Na+. Atomii de oxigen ai filtrului de ioni formează un mediu asemănător mediului apos din afara filtrului. Celula poate cotrola astfel deschiderea şi închiderea canalului.
În exteriorul filtrului de ioni (A) În exteriorul membranei celulare ionii sunt legaţi de moleculele de apă prin intermediul atomilor de oxigen la distanţe identice .
În interiorul filtrului de apă (B) Pentru ionii de potasiu, distanţa faţă de ionii de oxigen în filtrul de ioni este aceeaşi ca şi în cazul apei. Ionii de sodiu, care sunt mai mici, nu se potrivesc între atomii de oxigen în filtru. Acest lucru previne intrarea lor în canal.
ÎNŢELEGEREA BOLILOR
Deoarece întreaga materie vie este alcătuită din celule,înţelegem că este importantă cunoaşterea funcţionării acestora,ele dând detalii asupra stării de boală. Deshidratările în diferite moduri şi sensibilitatea la căldură sunt legate de eficienţa acuaporinilor.Valurile de căldură din Europa în anul 2003,de exemplu,au generat multe decese,care se explică prin imposibilitatea menţinerii echilibrului fluidelor în corp.În aceste procese o importanţă deosebită o au acuaporinii. Dereglări în funcţionarea canalelor de ioni pot conduce la boli serioase ale sistemului nervos şi a celui muscular,de exemplu muşchii inimii. Aceasta face din canalele de ioni ţinte importante pentru industria farmaceutică în producerea unor medicamente.Reabsorbtia apei este stimulată de vasopresină, despre care se stie, actualmente, că acţionează prin inserţia unui canal de apa - acvaporina 2 - în membrana celulelor de la nivelul tubului colector. Diabetul insipid nefrogenic congenital este produs de mutaţii la nivelul receptorului pentru vasopresină sau al genei pentru acvaporina 2. Unele forme de diabet insipid nefrogenic dobândit sunt asociate cu o exprimare slabă a acvaporinei 2. Invers, exprimarea puternică a acvaporinei 2 conduce la o reabsorbţie crescută de apă. Determinarea concentraţiilor urinare de acvaporina 2 se poate dovedi utilă în diagnosticarea tulburărilor concentraţiilor sodiului, iar medicamentele care interferă cu axul vasopresina - acvaporina 2 sunt utile, probabil, în tratamentul acestor afectiuni.
Portal:Chimie/Portale asemănătoare
Portal:Chimie/Chimie ştiri
Portal:Chimie/Imagine selectată
Portal:Chimie/Citate
Portal:Chimie/WikiProiecte
Portal:Chimie/Lucruri pe care le poţi face
Portal:Chimie/Legături externe
