Upload
hoangthien
View
214
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
1
10. BIOMOLEKULÁK, BIOREAKCIÓK
10.1. Élő kémiai rendszerek általános tulajdonságai
Biomolekuláknak az élő rendszereketi felépítő molekulákat nevezzük. Az élő rendszerek önfenntartó
kémiai rendszerek, amelyek állandóságát a bennük végbemenő kémiai átalakulások (bioreakciók)
biztosítják. Ezt a dinamikus egyensúlyt (a folytonos kémiai változáson alapuló termodinamikai
egyensúlyt) nevezzük homeosztázisnak. A kémiai rendszereket szabályozó termodinamika törvényei
szerint a homeosztázist biztosító kémiai folyamatok nélkül egy kémiai rendszer az energiaminimum és
az entrópiamaximum irányában változik, és megfelelő idő elteltével beáll a további változást már nem
megengedő statikus termodinamikai egyensúly.ii
A továbbiakban egy sejt szintjén vizsgáljuk a homeosztázist fenntartó kémiai feltételeket. A
homeosztázis fenntartásához az önfenntartó kémiai rendszer
folyamatos és szelektív anyagcserét folytat a környezetével,
a környezetből felvett anyagokat (tápanyagok) megfelelő kémiai körfolyamatokkaliii
(bioreakciókkal) folyamatosan átalakítja,
a dinamikus egyensúly fenntartásához szükséges energiát
o egyrészt a nagy energiájú tápanyagok kis energiájú végtermékekké történő
átalakításával,
o másrészt a napfény hasznosításával (fotoszintézis) biztosítja,
a környezet változásaira megfelelően reagáló önszabályozó körfolyamatokkal rendelkezik.
Azaz összefoglalva az élő kémiai rendszer (sejt) egy a környezetével folyamatos anyag- és
energiacserét folytató, önfenntartó, önszabályozó, nagyrendezettségű (kis entrópiájú), dinamikus
egyensúlyban lévő kémiai körfolyamat-rendszer.iv
i Az élő rendszerek és alkotórészeik nem teljes hierarchikus felsorolása: Bioszféra (a teljes földi élővilág), biom (élőlények
egy adott területen élő közössége), élőlények, szervek, szövetek, sejtek, sejtszervek, szupramolekuláris rendszerek
(molekulatársulások, asszociátumok, mint pl. hártyák, enzim-komplexek, stb.); biomolekulák. Az élő rendszerek legkisebb
önállóan létképes formája a sejt. ii A statikus termodinamikai egyensúly esetén is végbemehetnek a kémiai rendszerben kémiai átalakulások, azonban ezek a
rendszer szabadentalpiájában (G) már nem okoznak változást (ΔG=ΔH-TΔS=0). Egy egyszerű kémiai egyensúly esetén ez
azt jelenti, hogy időegység alatt ugyanannyi anyagmennyiség alakul át az egyik, mint a másik irányban, azaz a rendszer
kémiai összetétele már nem változik. Ha a rendszer elérte az entrópia (S) maximális értékét (a továbbiakban már az
entrópia sem változik, ΔS=0), ez azt is jelenti, hogy a rendszer és környezete között már a hőmérséklet is kiegyenlítődött (a
továbbiakban nincs már hőátadás sem, ΔH=0). Dinamikus termodinamikai egyensúlyban akkor van egy kémiai rendszer,
ha a belső kémiai összetétele nem változik és a rendszer szabadentalpiája (G) állandó, ellenben az entrópiája (S) nem érte el
a maximális értéket. Ezt a rendezett állapotot (az entrópia a rendezetlenség mértéke) csak úgy tudja a rendszer fenntartani,
ha a környezetétől folyamatosan energiát vesz fel, és a környezetével folyamatosan anyagcserét végez. Az anyagcsere
során a dinamikus egyensúlyban lévő kémiai rendszer a környezetből felvett nagy szabadentalpiával és kis entrópiával
rendelkező tápanyagot kis szabadentalpiájú nagy entrópiájú végtermékké alakítja át, és azt kibocsátja a környezetébe. Azaz
a dinamikus egyensúlyban lévő kémiai rendszerre a környezetével együtt érvényes a termodinamika második főtétele: csak
olyan folyamat mehet végbe, amelyben az entrópia folyamatosan növekszik (a dinamikus egyensúlyban lévő kémiai
rendszer entrópiája változatlan, miközben a környezete entrópiája folyamatosan nő). Az anyagcsere egy másik formája,
amikor a dinamikus egyensúlyban lévő kémiai rendszer a környezetéből kis szabadentalpiájú és nagy entrópiájú anyagot
vesz fel, és azt a környezetből felvett energia (pl. fotoszintézis esetén a napfény) segítségével alakítja át nagy
szabadentalpiájú és kis entrópiájú termékké, aminek segítségével tovább csökkenti a rendszer saját entrópiáját, azaz növeli
belső rendezettségét. Ez esetben a környezet entrópiája annál nagyobb mértékben nő, mint amennyivel a rendszer
entrópiája csökken, azaz a dinamikus egyensúlyban lévő kémiai rendszerre a környezetével együtt (beleértve a napfény
forrását, a napot is) most is érvényes a termodinamika második főtétele. Ha az élő kémiai rendszer befejezi működését, és
megszűnnek a dinamikus egyensúlyt fenntartó anyagcsere-folyamatok és bioreakciók, a holt rendszer feltartóztathatatlanul
halad a statikus termodinamikai egyensúly felé. iii
Körfolyamatnak nevezzük azt a többlépéses kémiai reakciósorozatot, amikor a folyamat végére a rendszer visszatér a
kiindulási állapotába. iv Az életnek még nincs mindenki által elfogadott definíciója, az itt közölt meghatározás csak az élő rendszert, mint kémiai
rendszert jellemzi, és nem foglalkozik az ezen túlmutató tulajdonságokkal.
2
Az élő kémiai rendszert (sejtet) alkotó biomolekuláknak ehhez az alábbi funkciókat kell biztosítaniuk:
szelektív anyagtranszportot biztosító határfelület;
a körfolyamatok lépéseit megfelelő sebességgel „végrehajtó” biokatalizátorok (önszabályozás);
a környezetben található tápanyagforrás változó mennyiségét kiegyensúlyozó tápanyagraktár.
1. ábra: Az önfenntartó kémiai körfolyamat-rendszer egyszerűsített modellje.
A, B, C, D, E, F: körfolyamatban résztvevő biomolekulák;
S: tápanyag, T: végtermék, R: tápanyagraktár;
kettős vonal: határfelület, kék négyzetek: szelektív anyagtranszport helyei;
lila ellipszisek: biokatalizátorok (enzimek);
pirossal a tápanyag – végtermék szabadentalpia-változást jelöltük
A fenti minimumfeltételek ellenben nem nyújtanak biztosítékot a környezeti feltételek drasztikusabb
változása ellen. Ezért a bioszféra fennmaradása érdekében szükséges az alkalmazkodás lehetőségét
biztosító reprodukció.v Így az előző három funkció mellé az alábbi negyediket is fel kell sorolnunk:
a reprodukciót irányító információtár.
A földi élővilág erre a négy funkcióra általánosan négy fő biomolekulatípust alkalmaz:
lipidek,
szénhidrátok,
fehérjék,
nukleinsavak.
A négy biomolekulatípus egyes jellemző képviselőjét a 2. ábra ábrázolja, e vegyülettípusok fő
biológiai funkcióit az 1. táblázat mutatja be.
A lipidek kismolekulás vegyületek, amelyek egyrészt tápanyagraktárként kapnak szerepet
(trigliceridek), másrészt önszerveződő képességük alapján biológiai membránokat hoznak létre, azaz
határfelület-képző funkciójuk van (foszfolipidek). A membránokba más típusú lipidek (pl. a
koleszterin) és szénhidrátok, illetve fehérjék is beépülhetnek.
A szénhidrátok (mono-, oligo- és poliszacharidok) közül a poliszacharid amilóz és amilopektin (a
növényi keményítő és az állati glikogén jellemző struktúrái) funkcionálnak tápanyagraktárként, míg a
poliszacharid cellulóz a növények a kitin pedig a gombák sejtfalképző anyagai.
v A környezeti feltételek drasztikus változása hirtelen, míg a folyamatosan nem kielégítő környezeti feltételek lassabb
folyamatban okozzák az élő kémiai rendszer (sejt) diszfunkcióját, hibás működését, végső soron az elmúlását. Amennyiben
a szaporodás sebessége meghaladja az elhalás sebességét, a bioszféra (még ha más egyedekből állóan is) fennmarad. Ha a
szaporodás során nem tökéletesen azonos másolatok születnek, létrejön a változó környezethez való alkalmazkodás, a
fejlődés, az evolúció lehetősége.
S
A B
C
D
F
E
T
R
G
3
Biomolekula Határfelület-
képző
Tápanyag-raktár Biokatalizátor Reprodukciós
információtár
lipidek + + – –
szénhidrátok + + – –
fehérjék + – + –
nukleinsavak – – + + 1. táblázat: Alapvető biomolekula-típusok fő funkciói
NN
O
H
H
O R2 H
H3N
H R1 H R3
O
Polipeptid N-terminális vége
O
H
OH
HO
HOH
H
H
HO
O
H
H
HO
H
OOH
HH
OHOH
OHHO
H
OOHH
HHO
amilóz szakasza
N
NN
N
NH2
O
OHO
HH
HH
PO
O
NH
N
N
O
NH2N
O
OH
HH
HHO
PO
O
O
O
N
NH2
ON
O
OHO
HH
HH
PO
O
ONH
O
ON
O
OHO
HH
HH
PO
O
O
O
ribonukleinsav CUAG szakasza
H2C
H2C O
O
O H
C17H35
O
C17H35
O
C17H35
O
H2C
H2C O
O
O H
C17H35
O
C17H35
O
PO
O ONH3
trisztearoilglicerin disztearoilfoszfatidiletanolamin
CH3
HO
CH3
CH3
H
koleszterin
O
H
O
OH
H
H
HOHH
OH H
H
H
H
OH
O O
HHO
OH
O
H
O
OH
H
H
HOH
HO
OH
cellulóz szakasza
2. ábra: A biomolekulák négy alapvető típusa.
Felső sor: lipidek képviselői (triglicerid, foszfolipid, szteroid)
Középen: egy fehérje peptidláncának N-terminális vége
Alul baloldalt: két szénhidrát (amilóz és cellulóz) részlete
Alul jobboldalt: egy nukleinsav részlete
C: citozin, U: uracil, A: adenin, G: guanin
4
Az aminosavakból felépülő fehérjék a földi élet legfontosabb molekulái, sok egyéb funkciójuk mellett
részt vesznek a biológiai membránok felépítésében, felelősek a szelektív anyagtranszportért, továbbá e
molekulák közül kerülnek ki a jellemző biokatalizátorok, az enzimek.
A nukleotidokból felépülő nukleinsavak, a ribonukleinsav (RNS) és a dezoxiribonukleinsav (DNS) fő
funkciója a szaporodáshoz szükséges információk tárolása és szállítása, valamint a fehérjeszintézishez
szükséges aminosavak szállítása, továbbá a fehérjeszintézis katalízise. A biokatalizátor RNS
molekulákat, pl. a fehérjeszintézist végző riboszómákban helyet foglaló ribonukleinsavakat, hívjuk
ribozimeknek.
A többsejtű élőlények esetén egy további funkció jelenik meg, a szervezet szintű szabályozás, azaz az
élőlény sejtjei működésének az összehangolása. Ezt a feladatot a földi élővilág egyrészt kémiai
közvetítőmolekulákkal, másrészt a fejlettebb élőlényekben kifejlődött idegrendszerrel oldotta meg. Az
idegsejtek csatlakozásánál (szinapszis) azonban itt is kémiai ingerületközvetítő molekulák
(neurotranszmitterek) játszanak szerepet. A legtöbb neurotranszmitter speciális aminosav, illetve
aminosav-származék (lásd 3. ábra). Ebben a fejezetben az idegi ingerületvezetéssel nem foglalkozunk.
O
O
N
acetilkolin
OHHN
HO
OH
adrenalin
OH
NH2
HO
OH
noradrenalin
NH2
HO
OH
dopamin
NH
HO
NH2
szerotonin
NH3
glutaminsav
GABA
O
HO
COO
NH3
O
O
3. ábra: Legfontosabb neurotranszmitter anyagok.
acetilkolin a szerin származéka,
γ-aminovajsav (GABA) a glutaminsav származéka
adrenalin, noradrenalin és dopamin a tirozin származékai
szerotonin a triptofán származéka
Meg kell különböztetnünk az ún. normálállapotú és vészhelyzeti szabályozást. A normálállapotú
szabályozás a többsejtű élőlény normálkörülmények közötti működését szabályozza. Ebben
közvetítőmolekulákként speciális lipid és peptid vegyületek, köztük a hormonok, és egyes speciális
nukleotidok (pl. ciklikus adenozin-monofoszfát, cAMP) vesznek részt. A vészhelyzeti szabályozás
valamilyen a szervezet számára káros külső hatásra adandó választ szabályozza. Ebben ugyancsak
lipid és peptid típusú vegyületek játsszák az üzenetközvetítő szerepet. Néhány a szabályozásban
résztvevő hormont és egyéb molekulát a 4. ábra mutat be.
5
H2N
OHN
O
NH
O
N
O
H NH
S
S
OHN
O
NH2
H O
HN
O
NH2
O
HN
H
H
ONH
OH
O
H2NH
H
H
oxitocin
HO
HO
COOH
OH
PGF2
S
OH
COOH
COOH3NH
LTE4
O
H3C
H3C
H
H H
O
H
progeszteron
O
H3C
H3C
H
H H
O
OH
kortizon
O
OH
O
O
P O
N
N
N
N
NH2
OH
H
H
H
OO
cAMP
4. ábra: Néhány a szabályozásban résztvevő molekula.
prosztaglandin-F2α (PGF2α): a méhösszehúzódást szabályozó lipid;
oxitocin: az agyalapi mirigyben termelődő peptidhormon,
progeszteron: szteroid női nemi hormon;
kortizon: cukorháztartást szabályozó kortikoszteroid hormon;
leukotrién-E4 (LTE4): a gyulladásos folyamatot szabályozó lipid
ciklikus adenozin-monofoszfát (cAMP): ún. másodlagos hírvivő nukleotid
10.2. A bioreakciók általános jellemzése
A bioreakciók biokatalizátorok (enzimek) által katalizált szerves kémiai reakciók. Röviden tekintsük át
azokat a legfontosabb tulajdonságokat, amelyekkel az enzimkatalizált reakciók rendelkeznek:
szubsztrátszelektivitás;
reakciószelektivitás;
regioszelektivitás;
sztereoszelektivitás;
hőmérséklet optimum;
pH optimum.
Az élővilág által használt szerves kémiai reakciók számára biokatalizátor alkalmazása nélkül nagyon
különbözőek az optimális reakciókörülmények. Vannak olyan reakciók, amelyek számára az apoláris,
vannak, amelyek számára a poláris oldószer a kedvező. Egyes reakciók erősen savas, mások bázikus
körülmények között játszódnak le. Ismerünk olyan reakciókat, amelyek optimális hőmérséklete 0°C
alatt van, és ismerünk olyanokat, amelyek 100°C felett játszódnak le. Egyes reakcióknak a nagyobb
6
nyomás, másoknak a csökkentett nyomás a kedvező. A biológiai rendszerben mindezen kémiai
reakcióknak közel azonos körülmények között (a citoplazma közel semleges pH-val rendelkező vizes
közegében, 20–40°C – szélsőségesebb körülmények között 0–100°C – közötti hőmérséklet-
tartományban, a külsővel azonos nyomáson) kell megfelelő sebességgel lejátszódniuk.
Egy többkomponensű oldatban számtalan különböző sebességgel lejátszódó kémiai reakció mehet
végbe egymás mellett. Katalízis nélkül a reakciók sebességét a rendelkezésre álló kinetikus energia
(hőmérséklet) és az adott reakció aktiválási energiagátjának viszonyától függő k reakciósebességi
állandó, valamint a szubsztrát(ok) és reagens(ek) találkozási valószínűségét kifejező
koncentrációszorzat határozza meg. A reakciósebesség – egy szubsztrát és egy reagens ütközésével
lejátszódó reakció esetén – az alábbi módon írható fel:vi
S + R P + R'
𝑣 = 𝑘[𝑆][𝑅] (1) egyenlet
ahol [S] a szubsztrát, [R] a reagens koncentrációját jelöli.
A k reakciósebességi állandó hőmérsékletfüggésére pedig az alábbi összefüggések – Arrhenius-
egyenlet (2), illetve Eyring-egyenlet (3) – írhatóak fel:vii
𝑘 = 𝐴𝑒− 𝐸#
𝑅𝑇 (2) egyenlet
𝑘 =𝑘𝐵
ℎ𝑇𝑒−
∆𝐺#
𝑅𝑇 =𝑘𝐵
ℎ𝑇𝑒−
∆𝐻#−𝑇∆𝑆#
𝑅𝑇 (3) egyenlet
ahol A az ún. preexponenciális tag, amely arányos az összes ütközés azon hányadával, amely terméket
eredményez, és tartalmazza az aktiválási entrópiát (ΔS#), E
# pedig az aktiválási energiagát, amely az
aktiválási entalpiát (ΔH#) tartalmazza.
viii
A biológiai rendszerben ellenben csak azoknak a reakcióknak szabad meghatározott sebességgel
lejátszódnia, amelyek fenntartják a homeosztázis dinamikus egyensúlyát. Ezt az teszi lehetővé, hogy
az adott közegben biokatalizátor (enzim) jelenléte nélkül nem, vagy csak nagyon lassan lejátszódó
reakciók sebességét a biokatalizátorok gyorsítják fel a kívánt értékre. A biokatalizátorok sok esetben
koenzimként tartalmazzák a reagenst, és a reakció lejátszódása előtt enzim–szubsztrát-komplex
formájában megkötik a szubsztrát molekulát is. Ezért jelentősen megváltozik a reakció kinetikai képe.ix
S + ER P + ER'ERS ER'P
k1
k1'
k2
k2'
k
k'
5. ábra: Egyensúlyra vezető koenzimet tartalmazó enzimreakció általános modellje.
Általánosan az enzim reakciók is megfordíthatóak (5. ábra), azaz a szubsztrát megkötésével létrejön az
enzim–szubsztrát-komplex, amely az enzim katalitikus hatására átalakul enzim–termék-komplexszé,
vi S: szubsztrát, R: reagens, P: termék, R’: reagensből keletkező vegyület
vii R: egyetemes gázállandó, T: hőmérséklet, kB: Boltzmann-állandó, h: Planck-állandó, ΔG
#: aktiválási szabadentalpia,
amelyre igaz, hogy: ΔG#=ΔH
#–TΔS
#
viii Az átmeneti állapotok itt nem ismertetett elmélete alapján bimolekuláris oldatreakciók esetén: 𝐸# = 𝛥𝐻# + 𝑅𝑇, és
𝐴 =𝑘𝐵
ℎ𝑇𝑒
𝛥𝑆#+𝑅
𝑅 ahol a kB/h*T tag határozza meg az ütközések gyakoriságát, az 𝑒𝛥𝑆#+𝑅
𝑅 tag határozza meg, hogy ezen
ütközések közül mekkora hányadnak megfelelő a geometriai elrendeződése, az 𝑒−𝛥𝐻#+𝑅𝑇
𝑅𝑇 tag pedig azt határozza meg, hogy
az ütköző molekulák mekkora hányadának elégséges a kinetikus energiája az aktiválási energiagát leküzdésére. ix
ER: enzim–koenzim-addukt, ERS: enzim(koenzim)–szubsztrát-komplex, ER’P: enzim(módosult koenzim)–termék-
komplex, ER’: enzim–(módosult koenzim)-addukt
7
amely egyensúlyi reakcióban szétesik a termékké, és a módosult koenzimet tartalmazó enzimmé. Ez
esetben a három egyensúlyi állandó szorzata határozza meg a bruttó egyensúlyi állandót (Kbr).
𝐾1 =𝑘1
𝑘1′ =
[𝐸𝑅𝑆]
[𝑆][𝐸𝑅] ; 𝐾 =
𝑘
𝑘′ =[𝐸𝑅′𝑃]
[𝐸𝑅𝑆] ; 𝐾2 =
𝑘2
𝑘2′ =
[𝑃][𝐸𝑅′]
[𝐸𝑅′𝑃] (4a,b,c) egyenletek
𝐾𝑏𝑟 = 𝐾1𝐾𝐾2 =𝑘1𝑘𝑘2
𝑘1′ 𝑘′𝑘2
′ =[𝑃][𝐸𝑅′]
[𝑆][𝐸𝑅] (5) egyenlet
Nagyon sok bioreakció ellenben egyirányú, mert a termék egyáltalán nem kötődik az enzimhez, így
keletkezése pillanatában elválik az enzimtől. Ez esetben a bioreakció kinetikai képe leegyszerűsödik
egy az enzim–szubsztrát-komplexet létrehozó egyensúllyá, és az azt követő egyirányú reakcióvá (6.
ábra).
S + E P + EES
k1
k1'
k
6. ábra: Egyirányú koenzimet nem tartalmazó enzimreakció Michaelis–Menten-modellje.
Állandósult dinamikus egyensúlyi rendszerekben az [ES] enzim–szubsztrát-komplex koncentrációt
konstansnak tekinthetjük és ez alapján felírható az alábbi (6) egyenlet:x
𝑘1([𝐸]0 − [𝐸𝑆])[𝑆] = 𝑘1′ [𝐸𝑆] + 𝑘[𝐸𝑆] (6) egyenlet
azaz
([𝐸]0−[𝐸𝑆])[𝑆]
[𝐸𝑆]=
𝑘1′ +𝑘
𝑘1= 𝐾𝑀, illetve [𝐸𝑆] =
[𝐸]0[𝑆]
𝐾𝑀+[𝑆] (7a,b) egyenletek
ahol KM az enzim-működésre jellemző Michaelis–Menten-állandó. Ezen összefüggés alapján felírható
a termékképződés sebessége:
𝑣 = 𝑘[𝐸𝑆] = 𝑘[𝐸]0[𝑆]
𝐾𝑀+[𝑆] (8) egyenlet
Egyértelműen látható a klasszikus oldatreakciók (1) egyenlet, illetve az enzimreakciók (8) egyenlet
által leírt kinetikai képe közötti különbség. A Michaelis–Menten-modell alapján értelmezhető az
enzimreakciók jellemző sajátosságai.
A klasszikus oldatreakciók esetén a reakció végbemeneteléhez szükséges geometria elrendeződés az
ütközés során előálló átmeneti állapotban jön létre. Rendezett szerkezetű ütközési komplexxi
esetén az
aktiválási entrópia (ΔS#) nagy negatív értékű, így az aktiválási szabadentalpia (ΔG
#) nagy pozitív
értékű lesz, azaz a reakciósebességi állandó (k) kis értéket vesz fel (lásd (3) egyenlet). A
reakciósebesség vagy a hőmérséklet növelésével, vagy az aktiválási entalpiát (ΔH#) csökkentő
katalízissel gyorsítható. A reakciósebesség (v) az (1) egyenlet szerint függ a szubsztrát és reagens
találkozási valószínűségétől,xii
azaz koncentrációjuk szorzatától is.
Enzimreakció esetén a reakció végbemeneteléhez szükséges geometria elrendeződés az enzim–
szubsztrát-komplex képződése során jön létre. Sőt az enzim–szubsztrát-komplex koenzim formájában
tartalmazhatja a reagenst, illetve az enzim aktív centrumában foglalnak helyet a kémiai átalakulás
aktiválási entalpiáját csökkentő katalitikus hatást kifejtő szerkezeti részek. Így az enzim–szubsztrát-
komplexből kiinduló reakció (6. ábra) (8) egyenletben szereplő reakciósebességi állandójához (k)
tartozó aktiválási szabadentalpia (ΔG#) kis pozitív értéket vesz fel, és a reakciósebesség pedig a (8)
x A sejtben lévő eredeti enzimkoncentráció [E]0, az enzimmolekulák egy része azonban enzim–szubsztrát-komplexként van
jelen, ezért a pillanatnyi szabadenzim-koncentráció az [E]0–[ES] képlettel adható meg. xi
A kémiai reakció során a reagáló molekulák (pl. szubsztrát és reagens) ütközésével jön létre az ütközési komplex,
amelyhez a reakció energiadiagramja lokális maximuma, az ún. átmeneti állapot tartozik. xii
A találkozási valószínűség valamekkora 0<P<1 értéket vesz fel.
8
egyenlet szerint az enzim–szubsztrát-komplex koncentrációjától függ.xiii
Az enzim–szubsztrát-
komplexképződés egyensúlyára felírhatjuk az alábbi egyenleteket:
∆𝐺 = ∆𝐻 − 𝑇∆𝑆 = −𝑅𝑇𝑙𝑛𝐾1 (9) egyenlet
𝐾1 =𝑘1
𝑘1′ (10) egyenlet
Az enzim–szubsztrát-komplex egy nagyon rendezett szerkezet, ezért a keletkezéséhez tartozó
entrópiaváltozás (ΔS) nagy negatív értéket vesz fel. Ezért az enzim–szubsztrát-komplex képződéshez
tartozó szabadentalpia-változás (ΔG) csak akkor lehet a komplexképződésnek kedvező negatív értékű,
ha az entalpiaváltozás (ΔH) is negatív, és igaz, hogy ΔH < TΔS.xiv
Az entalpiaváltozás akkor lehet
nagy negatív érték, ha az enzim–szubsztrát-komplexképződés során jelentős mértékű stabilizáló
kölcsönhatás jön létre az enzim és a szubsztrát molekula között. Ezek a kölcsönhatások lehetnek ionos
kötések, hidrogénhidak vagy van der Waals típusú másodlagos kémiai kötések.
A termodinamikai/kinetikai és sztereokémiai megfontolások alapján:
enzimreakció csak az enzimmel stabil enzim–szubsztrát-komplexet képző szubsztráttal mehet
végbe (szubsztrátszelektivitás);
enzimreakció során a szubsztráton csak az a kémiai változás következhet be, amelyet az adott
enzim katalitikus helye (aktív centruma) katalizál (reakciószelektivitás);
az enzimek aszimmetrikus szerkezete miatt az enzimmel csak a szubsztrát megfelelő
sztereokémiájú izomere tud stabil enzim–szubsztrát-komplexet képezni (diasztereomer- és
enantiomerszelektivitás);
az enzimek aszimmetrikus szerkezete miatt az enzim a szubsztrátnak az enzim aktív
centrumába került szerkezeti részletének meghatározott pozícióján hajtja végre a kémiai
átalakítást (regioszelektivitás, valamint diasztereo- és enantioszelektivitás);
a hőmérséklet emelkedése növeli az ES → P + E reakció sebességi állandóját, ellenben
csökkenti az enzim–szubsztrát-komplex képződésének a mértékét, azaz a két hatás eredőjeként
létezik az enzimreakció hőmérséklet optimuma;
az enzim–szubsztrát-komplex képződése az enzim, illetve a szubsztrát megfelelően
protonált/deprotonált alakjai között mehet végbe, azaz létezik az enzimreakció pH optimuma.
10.3. A zsírsav-szintézis és a zsírsav-lebontás
A bioreakciók működését a zsírsav-bioszintézis és zsírsav-lebontás példáján mutatjuk be,
összehasonlítva az analóg kémiai reakciókkal.
10.3.1. Zsírsav-bioszintézis kémiai folyamata
A zsírsav-bioszintézis kulcslépése a szénlánc-kapcsolás. A földi élet a Claisen-kondenzáció (lásd
5.3.1. fejezet) biokatalizált változatát valósítja meg. A Claisen-kondenzáció során észtereket
kapcsolunk össze úgy, hogy erősen bázikus vízmentes közegben az egyik észterből enolátot képzünk.
A bio-Claisen-kondenzáció során tioészterek összekapcsolása valósul meg úgy, hogy az enolátot
képző komponens pKa értékét aktiváló segédcsoport bevezetésével 14-es érték alá transzformálja a
biokémiai rendszer.
xiii
Az enzim–szubsztrát-komplexen belül a szubsztrát és a reagens (az enzim aktív centrumában helyet foglaló aminosav-
oldallánc, vagy koenzim) találkozási valószínűsége maximális (P=1). xiv
Vizsgáljuk meg a glicerinaldehid-3-foszfát–dihidroxiaceton-3-foszfát izomerizációt katalizáló triózfoszfát-izomeráz
enzim esetét. Az enzim KM = 4,710-4
M Michaelis–Menten-állandóval és k = 4,3103 1/s katalitikus sebességi állandóval
rendelkezik. A 𝑘1
′ +𝑘
𝑘1= 𝐾𝑀 = 4,7 × 10−4 =
𝑘1′ +4,3×103
𝑘1 összefüggésből kifejezhető, hogy 𝑘1 = 2,1 × 103𝑘1
′ + 9,1 × 106,
azaz k1 több nagyságrenddel nagyobb, mint k1’. Ezen arányt a (9) és (10) egyenletekbe behelyettesítve megállapítható,
hogy: K1 >> 1; ΔG = ΔH–TΔS < 0; ΔH < TΔS.
9
H2C OEt
O
HH3C OEt
O
H3C
O
CH2
OEt
O
+NaOEt
+ EtOH
CH SQ
O
HH3C SQ
O
H3C
O
CH2
SQ
O
+enzim
+ A + QSA
7. ábra: Az acetecetészter előállítása Claisen-kondenzációval és a bio-Claisen-kondenzáció bruttó egyenlete.
QS: A biokémiai acil-carrier segédcsoport; A: aktiváló segédcsoport (CO2).
Az aktiváló segédcsoport a karboxilcsoport, ennek kiépítése során a szervezetben az ecetsavból történő
malonsav előállítás (lásd 6.2. fejezet) biokatalizált változata valósul meg. Míg az ipari szintézis nagy
nyomás és magas hőmérséklet alkalmazásával történik, addig a bioreakció a sejt hőmérsékletén,
normál nyomáson a citoplazmában játszódik le. A biotin nevű koenzim segítségével a megfelelő enzim
az acetil-KoA-ból malonil-KoA-t állít elő. A koenzim-A (KoA) egy acil-carrier segédcsoport, amely
tiol funkciós csoportja acileződik a szállítandó acilcsoporttal.
O CH3
O
O
O
CH2
O
O
+ CO2
K
K2CO3
p, T K K
S CH3
O
S
O
CH2
O
O
+ M HCO3
Biotin
enzim MKoA KoA
8. ábra: A malonsav előállítása karboxilezéssel és az acetil-koenzim-A karboxilezése.
M+: a citoplazmában oldott valamely kation
A bio-Claisen-kondenzációt egy multienzim-komplex katalizálja, amelyen több az acilcsoport
megkötésére képes ún. acil-carrier-protein (ACP) található. Ezek közül az egyikhez kapcsolódik az
acetilcsoport és egy megfelelő pozícióban levő másikhoz a malonilcsoport. Így a két reagálandó
szubsztrát molekula megfelelő geometriai pozícióban rögzül a multienzim-komplex kondenzáló
egységében.
S CH3
O
S
O
CH2
O
O
MKoAKoA
SH
ACP
HS
ACP
CH3OO CH2
OO
M
S
ACP
S
ACP
2 KoA-SH
9. ábra: Az acetil- és malonil-csoportok megkötése a multienzim-komplex ACP-segédcsoportjain.
Az ACP-hez kötött malonilcsoporthoz tartozó karbonsav és metiléncsoport pKa értéke között több
nagyságrend különbség van. A pKT tautomer egyensúlyi állandó e két pKa érték különbségeként
számítható (lásd 1.2. fejezet)
𝑝𝐾𝑇 = 𝑝𝐾𝐶𝐻2 − 𝑝𝐾𝐶𝑂𝑂𝐻
10
Ezen összefüggésből becsülhető, hogy az enolátképződés mértéke nagyon kicsi, de mivel a bio-
Claisen-kondenzáció másik komponense megfelelő helyzetben megkötve ugyanabban az aktív
centrumban található, a reakció az enolátképződés pillanatában lejátszódik.xv
CH3OO CH
OOM
S
ACP
S
ACP
CH3OO CH2
OO
M
S
ACP
S
ACP
H
OH2C
CH3
O
MS
ACP
S
ACP
O CH
OO
S
ACP
H
O
CH3
gyors reakcióCO2
10. ábra: A bio-Claisen-kondenzáció főbb lépései.
Alul baloldalt a dekarboxileződő trikarbonil-vegyület, sárgával kiemelve az acetecetsav-részt.
A bio-Claisen-kondenzáció lejátszódása során egy átmeneti trikarbonil-vegyület jön létre, amely
képződésével egyidőben dekarboxileződik. A trikarbonil-vegyület szerkezetét megvizsgálva
megállapíthatjuk, hogy a belépő acetilcsoport a malonilcsoport karboxilcsoportjával könnyen
dekarboxileződő acetecetsav-részt hoz létre. (Vö. 6.2. fejezettel)
A bioszintézis további lépéseiben az 5.5.1. fejezetben ismertetett reakciókkal analóg átalakításokkal
redukálódik a β-helyzetű karbonilcsoport. Első lépésben az oxocsoport hidridion-addícióval alkohollá
redukálódik. Kémiai szintézis során hidridion-donor lehet pl. a nátrium-[terahidrido-borát], a
bioszintézis során a hidridion-donor a redukált nikotinsavamid–adenin-dinukleotid-foszfát (NADPH)
koenzim.xvi
OH2C
EtO
O
CH3
OH2C
S
ACP
O
CH3
NaBH4
H+/H2O
OH2C
EtO
OH
CH3
racém
NADPH
H+
OH2C
S
OH
CH3
H
H
(R)
NADP+
ACP
11. ábra: Az acetecetészter kémiai redukciója és a 3-oxobutanoil-S-ACP biokémiai redukciója.
Lilával a hidridionként pirossal a protonként átkerülő hidrogént jeleztük.
xv
Klasszikus oldatreakcióban az enolarány kis mértéke miatt nem valósul meg hasonló reakció, hiszen a nagyon kis
mértékben képződő malonsav-monoészter-enolát és az ecetsav-észter találkozási valószínűsége elhanyagolhatóan kicsi. xvi
A NADPH redukált koenzim hidridion leadással NADP+ kationos koenzimmé alakul. A NADP
+ oxidált koenzim
hidridion felvétellel visszaalakul NADPH redukált koenzimmé. Azaz míg a NADPH redukáló koenzimként, addig NADP+
oxidáló koenzimként szolgál a bioreakciókban. Hasonló redox-bioreagens páros a NADH–NAD+ koenzim-pár.
11
A kémiai redukció során a [tetrahidrido-borát]-anion közelíti meg a karbonilcsoportot úgy, hogy egy
hidrogénatom a karbonil-szénatomhoz, a központi bóratom pedig az oxigénatomhoz kerül közel. Az
átmeneti állapotban lejátszódó elektronáramlások eredményeképp létrejövő bórsav-észter köztitermék
savas hidrolízisével jön létre a végtermék β-hidroxikarbonsav-észter. Mivel a [tetrahidrido-borát]-
anion ugyanolyan valószínűséggel közelítheti meg a karbonilcsoport mindkét oldalát racém termék
keletkezik. A bioredukció során az aszimmetrikus enzim aktív centrumában helyet foglaló
aszimmetrikus felépítésű NADPH koenzim az aszimmetrikus ACP által megkötött 3-oxobutanoil-
csoport keton funkciós csoportjához csak egyik oldalról fér hozzá, ezért a termék kizárólag az (R)
enantiomer lesz.
C OMeA
H BH3
C O
MeA
H BH3
C OMeA'
HN
HQ
H+
X
C O
MeA'
H
H
H+
NH Q
Xpro-R
C O
MeA
H
H
C OMeA
H BH3
C OMeA
H
H
racém elegy
A = EtOCOCH2-
A' = ACP-SCOCH2-
X = H2NCO-
(R)
12. ábra: Az acetecetészter kémiai redukciója és a 3-oxobutanoil-S-ACP biokémiai redukciója.
Felső sor: A [tetrahidrido-borát]-anion két oldalról történő közelítése, és az e reakciókból származó termékmolekulák.
A köztitermék bórsav-észter csak az egyik úton került feltüntetésre.
Alsó sor: Az enzim aktív centrumában lejátszódó, egyfajta sztereoizomer terméket eredményező folyamat.
A NADPH és a NADP+ koenzimeknek csak a reakcióban résztvevő nikotinsavamid részletét ábrázoltuk,
a további részt Q-val jelöltük.
A következő lépés a β-hidroxikarbonsav-észterből történő savkatalizált vízelimináció. Kémiai szintézis
során a katalizátor valamilyen ásványi sav, bioreakcióban a dehidratáz enzim aktív centrumában helyet
foglaló aminosav savas tulajdonságú oldallánca. Az ásványi sav katalizált reakcióban főtermékként, az
enzimatikus reakcióban kizárólag a termodinamikailag stabilabb (E)-sztereoizomer keletkezik.
OH2C
EtO
OH
CH3
OH2C
S
ACP
OH
CH3
H+O
EtO
CH3
racém
H+O
S
H
H
ACP
H
CH3
H
H
enzim
13. ábra: Az etil-[(E)-but-2-enoát] előállítása etil-(3-hidroxibutanoát)-ból, illetve az (R)-3-hidroxibutanoil-S-ACP
biokémiai dehidratálása.
Az utolsó lépés az α,β-telítetlen karbonsav-észter szénláncának a redukciója. A redukció megvalósítása
újra hidridion-donor reagenst igényel, hiszen az α,β-telítetlen karbonsav-észter négy atomra kiterjedő
delokalizált π-rendszere a β-szénatomon δ+ töltést létrehozva erősen polarizált. (Vö. 5.5. fejezettel)
12
O
EtO
CH3
H
O
S
ACP
CH3
H
NaBH4
H+/H2O
O
EtO
CH3
H
NADPH
H+
O
S
CH3
H
H
H
NADP+
ACP
H HH
HH
H
14. ábra: Az etil-[(E)-but-2-enoát] kémiai redukciója és az (E)-but-2-enoil-S-ACP biokémiai redukciója.
Lilával a hidridionként pirossal a protonként átkerülő hidrogént jeleztük.
Az így elkészült telített szénláncú karbonsav acilcsoportja végül átkerül arra az ACP-re, amelyhez
eredetileg az acetilcsoport kapcsolódott, és a másik ACP-hez malonilcsoportot kapcsolva újra indul a
ciklus.
CH2OO CH
OOM
S
ACP
S
ACP
CH2OO CH2
OO
M
S
ACP
S
ACP
H
OH2C
H2C
O
MS
ACP
S
ACP
gyors reakcióCO2
Ri Ri
Ri
Ri = (CH2)xH
x = (i-1)*2
3) NADPH/H+
1) NADPH/H+
2) -H2O
15. ábra: A szénlánc kapcsolási ciklus lépései.
Színes ellipszisekkel a ciklusban résztvevő enzimeket jelölve.
piros: β-ketoacil-szintáz, rózsaszín: β-ketoacil-reduktáz, zöld: dehidratáz, kék: enoil-reduktáz
A bioszintézis további részleteivel itt nem foglalkozunk.
10.3.2. Zsírsav-lebontás kémiai folyamata
A zsírsavlebontás lépései ellenkező sorrendben megfeleltethetőek a zsírsav-bioszintézis lépéseinek. A
zsírsavlebontás során az acil-carrier segédcsoport a koenzim-A (KoA).
Első lépésben a karbonilcsoporthoz képest α,β-helyzetben hoz létre az enzimrendszer (E)-
sztereokémiájú kettőskötést. A telített szénlánc apoláris tulajdonságú, ezért a dehidrogénezéhez a
poláris csoportokkal hidridion-transzporttal reagáló NAD+ nem megfelelő reagens. Az alkalmazott
dehidrogénező koenzim ez esetben a flavin-adenin-dinukleotid (FAD), mely két hidrogénatom
felvételével FADH2-vé alakul.
13
FADO
S
C2n+1H4n+3
H
H
KoA
HH
O
S
C2n+1H4n+3
H
KoA
H
FADH2
N
N
N
NH
O
O
Q
FAD
N
N
N
NH
O
O
Q
FADH2
H
H
16. ábra: Az acil-S-KoA dehidrogénezése FAD koenzimmel.
Kékkel a hidrogénatomként átkerülő hidrogéneket jeleztük.
A FAD és a FADH2 koenzimeknek csak a reakcióban résztvevő flavin részletét ábrázoltuk,
a további részt Q-val jelöltük.
Hasonló kémiai dehidrogénezéshez dehidrogénező katalizátorokat, mint pl. Pt vagy Raney-Ni, lehet
használni.
A következő lépésben a létrejövő α,β-telítetlen karbonsav-tioészter funkciós csoporton játszódik le egy
enzimkatalizált vízaddíció. A nukelofil hidroxidion az 5.5. fejezeben ismertetetteknek megfelelően a β-
helyzetű szénatomra kerül. Az enzimkatalizált folyamat az enzim sztereoszelektivitása miatt kizárólag
(S)-izomert szolgáltat.xvii
O
EtO
CH3
H
O
S
KoA
C2n+1H4n+3
H
H+/H2O OH2C
EtO
OH
racém
OH2C
S
CH3
KoA
OH
C2n+1H4n+3enzim
H
H2OH
H
(S)
17. ábra: Az etil-[(E)-but-2-enoát] savkatalizált vízaddíciója, illetve az (S)-3-hidroxiacil-S-KoA-t eredményező biokémiai
vízaddíció.
A harmadik lépés a hidroxiszármazék oxidációja. Az oxidálószer a hidridion-transzporttal reagáló
NAD+. Az enzimatikus oxidáció során az alkoholos hidroxilcsoportról protonként leváló hidrogén a
közegbe, míg a β-helyzetű szénatomról hidridionként leváló hidrogén a NAD+ kationra kerül. Az
enzim, aktív centrumának aszimmetrikus felépítése miatt, csak az (S)-3-hidroxi-karbonsav-tioészter
enantiomert fogadja el szubsztrátként, amelyről leváló hidridion a NAD+ kation ún. pro-R pozíciójába
kerül.
xvii
A zsírsav-bioszintézis során az (R)-3-hidroxikarbonsav-tioészter, míg a zsírsavlebontás során az (S)-3-hidroxi-
karbonsav-tioészter a bioreakciósor köztiterméke.
14
C OAR
HN
HQ
H+
X
C O
A
R
H
H
NH Q
X pro-R R = C2n+1H4n+3-
A = KoA-SCOCH2-
X = H2NCO-
(S)
18. ábra: Az (S)-3-hidoxiacil-S-ACP biokémiai oxidációja.
Az enzim aktív centrumában lejátszódó, egyfajta sztereoizomerből kiinduló folyamat.
A NAD+ és a NADH koenzimeknek csak a reakcióban résztvevő nikotinsavamid részletét ábrázoltuk,
a további részt Q-val jelöltük.
Az így elkészült β-oxokarbonsav-tioészter bio-retro-Claisen-reakció alkalmas szubsztrátja. A retro-
Claisen-reakció során (lásd 6.2. fejezetet) egy megfelelő nukleofil reagens támad a β-helyzetű
karbonilcsoport szénatomjára, amely támadás az α- és β-helyzetű szénatomok közötti kötés hasadását
eredményezi. Míg a kémiai retro-Claisen-reakció erősen bázikus közegben játszódik le (pl. az amid-
anion a támadó nukleofil és az észter enolátja a távozó csoport), addig a bioreakció során a koenzim-A
tiolát anionjaxviii
a támadó nukleofil és az enzim aktív centrumában megfelelő pozícióban lévő
aminosav savas karakterű oldallánca protont átadva segíti a folyamatot. Így a bio-retro-Claisen-reakció
a sejt közel semleges pH-jú közegében is könnyen végbemegy.
H2C OEt
O
H
H2C OEt
O
H3C NH2
O
H3C
O
NH2
O
O
EtH3C
O
NH2
CH2
O
O
Et
NaNa
Na
H+
H2C S
O
H
H2C S
O
R S
O
R
O
SS
O
KoAR
O
S
CH2
S
O
KoA
H
M
KoA
KoA
H
KoA
KoAKoA
R = C2n+1H4n+3
19. ábra: Az etil-acetoacetát nátrium-amiddal kiváltott retro-Claisen-reakciója, illetve a 3-oxoacil-S-KoA KoA-S–
anionnal kiváltott bio- retro-Claisen-reakciója.
A folyamat eredményeként képződött acetil-KoA más biokémiai reakcióknak a kiinduló alapanyaga,
míg a két szénatommal lerövidült zsírsav-tioészter visszakerül a folyamat elejére, és az ismertetett
lépésekkel újabb két szénatommal rövidül.
xviii
A tiolok savas karakterük miatt vizes közegben is deprotonálhatóak. (Lásd 4.3. fejezetet)
15
OH2C
H2C
O
MS
KoA
S
KoARi
Ri = (CH2)xH
x = (n-4)-(i-1)*2
3) NAD+
1) FAD
2) +H2O
O CH3
S
KoA
OH2C
CH2
H2CS
KoARi
HOOC Cn-1H2n-1
20. ábra: A szénlánc lebontási ciklus lépései.
Színes ellipszisekkel a ciklusban résztvevő enzimeket jelölve.
piros: tioláz, rózsaszín: acil-dehidrogenáz, zöld: hidratáz, kék: L-β-hidroxiacil-dehidrogenáz
A zsírsavlebontás további részleteivel itt nem foglalkozunk.