M.Cooper, R.Hausman - Stanica - Molekularni pristup, 3. izdanje, Ostalo' predlog Molekularna hemija. University of Zagreb
tena_zovko
tena_zovko28 October 2017

M.Cooper, R.Hausman - Stanica - Molekularni pristup, 3. izdanje, Ostalo' predlog Molekularna hemija. University of Zagreb

PDF (12 MB)
48 str.
46broj poseta
Opis
Poglavlje 2., stanicna kemija, molekularna biologija
20 poeni
poeni preuzimanja potrebni da se preuzme
ovaj dokument
preuzmi dokument
pregled3 str. / 48

ovo je samo pregled

3 prikazano na 48 str.

preuzmi dokument

ovo je samo pregled

3 prikazano na 48 str.

preuzmi dokument

ovo je samo pregled

3 prikazano na 48 str.

preuzmi dokument

ovo je samo pregled

3 prikazano na 48 str.

preuzmi dokument
02-pogl.indd

Poglavlje 2 Stani~na kemija

Mo le ku lar ni sas tav sta ni ca 41

Sre di{ nja ulo ga en zi ma kao biolo{ kih ka ta li za to ra 56

Me ta bo li~ ka ener gi ja 63

Bio sin te za sta ni~ nih sastojaka 74

Sta ni~ ne mem bra ne 80

KLJU^ NI PO KUS: Sma ta nje polipep tid nih la na ca 53

MO LE KU LAR NA ME DI CI NA: Fenilketo nu ri ja 79

S TA NI CE SU NEV JE RO JAT NO SLO @E NE I RAZ NO LI KE TVO RE VI NE. Uz sa mo rep li ka ci- ju, ko ja je bit `i vo ta, spo sob ne su obav lja ti naj raz li ~i ti je spe ci ja li zi ra ne za- da }e u vi {es ta ni~ nom or ga niz mu. Sta ni ce se pri to me po ko ra va ju is tim ke-

mij skim i fi zi~ kim za ko ni ma ko ji od re |u ju po na {a nje ne ̀ i vih sus ta va. Sto ga mo der na sta ni~ na bio lo gi ja nas to ji ra zum je ti sta ni~ ne pro ce se u obliku ke mij- skih i fi zi~ kih reak ci ja.

Ovo pog lav lje raz mat ra te melj na na ~e la bio lo{ ke ke mi je ko ja up rav lja ju `i vo- tom sta ni ca. Ne nam je ra va ras pra vi ti sva pi ta nja bio ke mi je, ni ti is pi sa ti sve me ta- bo li~ ke reak ci je unu tar sta ni ca. Pog lav lje us mje ra va po zor no st na pet glav nih te ma: (1) ti po ve sta ni~ nih mo le ku la, (2) sre di{ nju ulo gu pro tei na kao bio lo{ kih ka ta li za to ra, (3) stva ra nje i ko ri{ te nje me ta bo li~ ke ener gi je, (4) bio sin te zu glav- nih sta ni~ nih sas to ja ka i (5) struk tu ru bio lo{ kih mem bra na. Poz na va nje ovih ke- mij skih te me lja ~i ni os no vi cu za ra zu mi je va nje raz no li kos ti sta ni~ nih struk tu ra i fun kci ja, o ko ji ma ras prav lja os ta tak tek sta.

Mo le ku lar ni sas tav sta ni ca Sta ni ce su sas tav lje ne od vo de, anor gan skih io na i (or gan skih) mo le ku la ko je sad r ̀ avaju ug ljik. U sta ni ca ma ima naj vi {e mo le ku la vo de. Vo da ~i ni naj ma nje 70% ukup ne sta ni~ ne ma se. Sto ga su u bio lo{ koj ke mi ji oso bi to va` ne in te rak ci- je iz me |u vo de i dru gih sta ni~ nih sas to ja ka. U tom smis lu klju~ no je svoj stvo vo de da je ona po lar na mo le ku la u ko joj su vo di ko vi ato mi bla go po zi tiv no na bi- je ni, dok su ki si ko vi ato mi bla go ne ga tiv ni (sli ka 2-1). Zbog svo je po lar ne na ra vi mo le ku le vo de mo gu me |u sob no i s dru gim po lar nim mo le ku la ma stva ra ti vo- di ko ve ve ze. Ta ko |er mo gu stu pi ti u in te rak ci ju s po zi tiv no ili ne ga tiv no na bi je- nim io ni ma. Pos lje di ca tak vih in te rak ci ja je st da su io ni i po lar ne mo le ku le top lji- vi u vo di (hid ro fil ni). Sup rot no to mu, ne po lar ne mo le ku le ko je ne mo gu stu pi ti u in te rak ci ju s vo dom sla bo su top lji ve u vo de nom oko li {u (hid ro fob ne). Ne po- lar ne mo le ku le nas to je sto ga sma nji ti do dir s vo dom pa se zdru ̀ u ju me |u sob- no. Kas ni je u pog lav lju po ka zat }e mo da tak ve in te rak ci je po lar nih i ne po lar nih mo le ku la, bi lo s vo dom, bi lo me |u sob ne, ima ju klju~ nu ulo gu u ob li ko va nju bio lo {kih struk tu ra kao {to su sta ni~ ne mem bra ne.

42 Poglavlje 2

2 d

d+ d+

(A)

(B)

(C)

O

H

Vodikova veza

H

C

Na+

Slika 2-1. Svojstva vode. Voda je polarna molekula (A), djelomice negativnog naboja (d–) na kisikovu atomu, a djelomice pozitivnog naboja (d+) na vodikovim atomima. Zbog svoje polarnosti molekule vode mogu se povezati vodikovim mostovima me|usobno ili s drugim polarnim molekulama (B) i, dakako, ostvaruju interakcije s nabijenim ionima (C).

Naj vi {e 1% sta ni~ ne ma se ~i ne anor gan ski io ni: nat ri jev (Na+), ka li jev (K+), mag ne zi jev (Mg2+) i kal ci jev (Ca2+) ion te fos fat (HPO4

2–), klo rid (Cl–) i bi kar bo nat (HCO3

–). Ti su io ni uk lju ~e ni na raz li ~i te na ~i ne u sta ni~ ni me- ta bo li zam pa su bit ni za sta ni~ nu fun kci ju. Da ka ko, sta ni ci svoj stve ne mo le- ku le su or gan ski spo je vi. Ve }i na njih pri pa da jed nom od ~e ti ri ju mo le ku lar- nih ti po va: ug lji ko hid ra ti ma, li pi di ma, pro tei ni ma ili nuk lein skim ki se li na- ma. Pro tei ni, nuk lein ske ki se li ne i ve }i na ug lji ko hid ra ta (po li sa ha ri di) su mak ro mo le ku le ob li ko va ne po ve zi va njem sto ti na ili ti su }a mo le ku la-pre te- ~a ma le mo le kul arne ma se. Mak ro mo le ku le ~i ne 80 do 90% su he tva ri u ve- }i ni sta ni ca. Li pi di ta ko |er pri pa da ju glav nim sas toj ci ma sta ni ce. Os ta tak sta ni~ ne ma se sas to ji se od raz li ~i tih ma lih or gan skih mo le ku la, uk lju ~u ju }i i mak ro mo le ku lar ne pre te ~e.

Pre ma to me struk tu ra i fun kci ja ~e ti ri ju glav nih sku pi na or gan skih mo le- ku la omo gu }u je na ~el no ra zu mi je va nje sta ni~ ne ke mi je.

Ug lji ko hid ra ti Ug lji ko hid ra ti obuh va }a ju jed nos tav ne {e }e re i po li sa ha ri de. Jed nos tav ni {e }e ri po put glu ko ze glav na su sta ni~ na hra na. Nji ho va raz grad nja is tov re- me no osi gu ra va sta ni~ nu ener gi ju i is hod ne tva ri za sin te zu dru gih sta ni- ~nih sas to ja ka, o ~e mu se ras prav lja da lje u pog lav lju. Po li sa ha ri di su skla- di{ ni ob li ci {e }e ra ili osi gu ra va ju struk tur nu ~vr sto }u sta ni ce. Uz to po li sa ha ri di i kra }i {e }er ni po li me ri dje lu ju kao oz na ke u raz nim pro ce si ma sta ni~ nog pre poz na va nja, uk lju ~u ju }i ad he zi ju sta ni ca na sus je de i trans- port pro tei na do pred vi |e nog unu tar sta ni~ nog od re di{ ta.

Sli ka 2-2. pri ka zu je struk tu re rep re zen ta tiv nih jed nos tav nih {e }e ra (mo- no sa ha ri da). Os nov na for mu la tih mo le ku la je (CH2O)n i od nje pot je ~e na ziv ug ljiko hid rat (C = »ug lji ko« i H2O = »hid ra t«). U sta ni ca ma je oso bi- to va ̀ an 6C-atomni {e }er (n=6) glu ko za, jer je glav ni iz vor sta ni~ ne ener gi- je. Dru gi jed nos tav ni {e }e ri ima ju od tri do se dam ug lji ka. Me |u nji ma su na ju ~es ta li ji 3C-atomni i 5C-atomni {e }e ri. [e }e ri ko ji sad r ̀ e pet ili vi {e ato- ma mo gu ci kli za ci jom tvo ri ti pr ste nas te struk tu re ko je su u sta ni ci pre te ̀ i ti obli ci tih mo le ku la. Sli ka 2-2 po ka zu je da cik li~ ki {e }e ri mo gu pos to ja ti u dva ob li ka (a i b), ovis no o kon fi gu ra ci ji na ato mu C1.

Mo no sa ha ri di se mo gu po ve za ti reak ci jom de hid ra ci je, pri ko joj se od va- ja H2O, a {e }e ri se ve ̀ u gli ko zid nom ve zom iz me |u nji ho va dva ug lji ka (sli ka 2-3). Po ve ̀ e li se sa mo ne ko li ko mo le ku la {e }e ra, nas ta li oli go mer na- zi va se oli go sa ha ri dom. Kad se po ve zu je mno{ tvo (sto ti ne i ti su }e) {e }e ra, nas ta li mak ro mo le ku lar ni po li me ri na zi va ju se po li sa ha ri di ma.

Po li sa ha ri di gli ko gen i {krob dva su skla di{ na ob li ka ug lji ko hid ra ta, prvi u `i vo tinj skim, a dru gi u bilj nim sta ni ca ma. Gli ko gen i {krob iz gra |e ni su is klju ~i vo od mo le ku la glu ko ze u a-konfiguraciji (sli ka 2-4). Glav na se ve za us po stav lja iz me |u ug lji ka 1 jed ne glu ko ze i ug lji ka 4 dru ge glu ko ze. Uz to gli ko gen i je dan ob lik {kro ba (ami lo pek tin) sad r ̀ avaju po neg dje ve ze a(1→6), u ko ji ma je ug ljik 1 jed ne glu ko ze po ve zan s ug lji kom 6 dru ge glu- ko ze. Iz pri ka za na sli ci 2-4. o~i to je da te ve ze do vo de do gra na nja, jer po ve-

Stani~na kemija 43

dihidroksiacetongliceraldehid

Trioze (C3H6O3)

Pentoze (C5H10O5)

Heksoze (C6H12O6)

CH2OH

C

H

H

C

O

OH

OH

H

H

C

1

2

4

4

5

5

C

C

H

OHH

H O

C OHH

C

C

H

OHH

H O

C OHH

C OHH

C OHH

riboza lan~ani oblik

prstenasti oblici

O

C C

C

H

OH a

OH

H

H 23

OH CH2OH

4

O

C C

C

OH b

H

OH

HH 23

5

11

CH2OH

1

2

3

4

5

6

H

OH

H O

OH 6

C OHH

glukoza lan~ani oblik

prstenasti obliciOH

ba

OC

C

CC

H HH

HO

OH

H

H

OH

1

23

4

5

CH2OH 6

OC

H

HHO

H

H

OH

14

5

23

Slika 2-2. Struktura jednostavnih {e}era. Prikazani su primjeri {e}era (trioza, pentoza, heksoza) koji sadr`avaju tri, pet i {est C-atoma. [e}eri s pet ili vi{e ugljikovih atoma mogu ciklizirati. Oblikovani prsteni postoje u dvama oblicima ovisno o konfiguraciji na prvom C-atomu (C1).

OC

C C + CC

CH2OH

H H

OH

H

HO

OH

H

H OH H

OH

OC

C C

CC

CH2OH

H H

OH

H

H OH

a(1 4) glikozidna veza

HO

OC

C

C

CH2OH

H H

O

H

H OH

OH

OC

C C

CC

CH2OH

H H

OH

H OH

H2O

Slika 2-3. Oblikovanje glikozidne veze. Dva se jednostavna {e}era povezuju reakcijom dehi- dracije (uklanjanjem molekule vode). Primjer prikazuje povezivanje dviju molekula glukoze u a-konfiguraciji vezom izme|u atoma C1 i C4, koja se stoga naziva a (1→4) glikozidnom vezom.

zu ju dva za seb na lan ca iz gra |e na ve za ma a(1→4). Raz gra- na to st pos to ji sa mo u gli ko ge nu i ami lo pek ti nu, dok dru gi ob lik {kro ba (ami lo za) ni je raz gra nat.

Gli ko gen i {krob ima ju osim na ~el no sli~ ne struk tu re i sli- ~nu fun kci ju – da us kla di{ te glu ko zu. Na sup rot to mu funk- ci ja ce lu lo ze bit no je raz li ~i ta. Ce lu lo za je glav ni grad be ni sas to jak sta ni~ ne sti jen ke u bi lju. Mo` da iz ne na |u je da je i ce lu lo za saz da na sa mo od mo le ku la glu ko ze. Me |u tim, ce lu- lo za je ne raz gra na ni po li sa ha rid, a glu koz ne je di ni ce u ce lu- lo zi ni su a-, ne go su b-kon fi gu ra ci je. Za raz li ku od ve za a(1→4), ve za b(1→4) iz me |u glu koz nih je di ni ca uv je tu je stva ra nje is pru ̀ e nih la na ca ce lu lo ze ko ji se za tim bo~ no zdru ̀ u ju i ob li ku ju vlak na ve li ke me ha ni~ ke ~vr sto }e. Oli go- sa ha ri di i po li sa ha ri di sta ni ~ni su ob li ci ener get skih za li ha, ima ju kon struk tiv nu ulo gu, ali pov rh to ga su i va` ni su dio- ni ci u broj nim in for ma cij skim pro ce si ma. Prim je ri ce, oli go sa- ha ri di su ~es to ve za ni na pro tei ne, gdje ima ju zna ~aj nu ulo- gu u pro tein skom sma ta nju ili obi lje ̀ a va nju i us mje ra va nju pro tei na pri tran spor tu na pov r {i nu sta ni ce ili za ug rad bu u raz li ~i te sta ni~ ne or ga ne le. Oli go sa ha ri di i po li sa ha ri di ta ko- |er obi lje ̀ a va ju sta ni~ nu pov r {i nu, pa sto ga ima ju va` nu ulo gu u sta ni~ nom pre poz na va nju i sta ni~ nim in te rak ci ja- ma u tki vi ma vi{es ta ni~ nih or ga ni za ma.

44 Poglavlje 2

amilopektin ({krob)

CH2OH

H H

OH

H

H

OH

O

CH2OH

H H

OH

H

H

OH

O

CH2OH CH2OH

H H

OH

H

H

OH

O

H H

OH

H

H

OH

O

O O

H H H

OO H

glikogen

O

O

CH 2 OH

H

H

H

OH

H H

OH

O

O H

H OH

H H

OH

O

CH2O H

H

H

H

OH

O O

H CH2

H

H

CH2O H

H

H

O

H

H

OH

O H OH

H

OH

H OH

H

H

OH

O

a(1 6) veze povezuju dva lanca u to~ku grananja.

je a 4) vezama.

O

O

Jedinice su povezane b(1 4) vezama.

Slika 2-4. Struktura polisaharida. Polisaharidi su makromolekule koje se sastoje od stotina ili tisu}a jednostavnih {e}era. Glikogen, {krob i celuloza iz gra- |eni su isklju~ivo od glukoza poveza- nih a(1→4) glikozidnim vezama u gli kogenu i {krobu, a b(1→4) vezama u celulozi. Glikogen i jedan oblik {kroba (amilopektin) sadr`avaju tako|er ponegdje a(1→6) veze, koje slu`e kao mjesta gra nanja pri povezivanju dvaju odvojenih a(1→4) lanaca.

Li pi di Li pi di ima ju tri iz ra zi te ulo ge u sta ni ca ma: (1) osi gu ra va ju va ̀ an ob lik uskla di{ te ne ener gi je, (2) li pi di su glav ni sas toj ci sta ni~ nih mem bra na, {to je u sta ni~ noj bio lo gi ji oso bi to va` no, i (3) li pi di su vr lo va` ni u sta ni~ noj si- gna li za ci ji, bi lo kao ste roid ni hor mo ni (npr. es tro gen i tes tos te ron), bi lo kao glas ni~ ke mo le ku le ko je pre no se sig nal od re cep to ra na sta ni~ noj pov r {i ni do od re di{ ta unu tar sta ni ce.

Naj jed nos tav ni ji li pi di su mas ne ki se li ne. Sas to je se od du gih ug lji ko vo- di~ nih la na ca, ko ji na jed nom kra ju zav r {a va ju kar bok sil nom sku pi nom (COO–) (sli ka 2-5). Ug lji ko vo di~ ni lan ci naj ~e{ }e sad r ̀ avaju 16 ili 18 ug lji ko- vih ato ma. Ne za si }e ne mas ne ki se li ne ima ju jed nu ili vi {e dvos tru kih ve za me |u ug lji ko vim ato mi ma. U za si }e nim mas nim ki se li na ma svi ato mi ug lji- ka ve ̀ u mak si mal ni broj vo di ko vih ato ma. Du gi ug lji ko vo di~ni lan ci ma- snih ki se li na ima ju sa mo ne po lar ne ve ze C–H ko je ne ula ze u in te rak ci ju s vo dom. Hid ro fob na na rav mas no ki se lin skih la na ca od go vor na je za mno- ge oso bi tos ti u po na {a nju kom plek snih li pi da pri stva ra nju bio lo{ kih mem- bra na.

Mas ne se ki se li ne poh ra nju ju u ob li ku tria cil gli ce ro la ili mas ti. Tria cil gli- ce ro li sad r ̀ avaju tri mas ne ki se li ne po ve za ne s mo le ku lom gli ce ro la (sli ka 2-6). Ne top lji vi su u vo di pa se u ci top laz mi go mi la ju kao mas ne na ku pi ne. Zat re ba li, one se ki da ju za ko ri{ te nje u reak ci ja ma ko je proiz vo de ener gi ju,

Stani~na kemija 45

palmitat (C16) stearat (C18)

CH2

CH2

O–O O O

C

CH2

CH

CH2

2

CH2 CH2

2

CH2

CH2

O–

C

CH2

CH

CH2

2

CH2 CH2

CH

CH2

2

oleat (C18)

CH2

CH2

O–

C

CH2

HC

HC

CH2 CH2

CH2

2

CH2 CH2

CH

CH2 CH2

CH2

CH2 CH2

CH2 CH2

CH2 CH3

2

CH3 CH3

Slika 2-5. Struktura masnih kiselina. Masne se kiseline sastoje od du gih ugljikovodi~nih lanaca koji zavr- {a vaju karboksilnom skupinom (COO–). Palmitat i stearat su zasi}ene masne kiseline koje imaju 16 odno- sno 18 C-atoma. Oleat je nezasi}ena masna kiselina s 18 C-atoma koja ima dvostruku vezu izme|u C9 i C10. Valja uo~iti da dvostruka veza lomi ugljikovodikov lanac.

glicerol

masne kiseline

glicerol

masne kiseline

CH2

CH3

O

C

H2C CH CH2

CH2 CH2

CH3 CH3

O

C O

O

C O

Slika 2-6. Struktura triacilglicerola. Triacilgliceroli (masti) sadr`avaju tri masne kiseline vezane na glicerol. U pri ka za- nom primjeru tri masne kiseline su palmitat, ali triacilgliceroli ~esto sadr`avaju smjesu razli~itih masnih kiselina.

o ~e mu }emo ras prav lja ti da lje u pog lav lju. Vri jed no je na po me nu ti da su mas ti u~in ko vi ti ji ob lik za li he ener gi je od ug lji ko hid ra ta, jer da ju vi {e no dvos tru ko ener gi je po ma si raz gra |e ne tva ri. Sto ga mas ti omo gu }u ju skla- di{ te nje ener gi je u upo la ma nje tje les ne ma se ne go {to bi zah ti je va li ug lji ko- hid ra ti. To je oso bi to va` no kad se ima na umu pok ret lji vo st `i vo ti nja.

Fos fo li pi di, glav ni sas toj ci sta ni~ nih mem bra na, sad r ̀ avaju dvi je mas ne ki se li ne ve za ne na jed nu po lar nu ~eo nu sku pi nu (sli ka 2-7.). U gli ce rol nim fos fo li pi di ma dvi je su mas ne ki se li ne ve za ne na ug lji ko ve ato me gli ce ro la, kao u trig li ce ri di ma. Me |u tim, tre }i ug lji kov atom gli ce ro la ve zan je na fos- fat nu sku pi nu, ko ja je pak ~es to pri po je na na ne ku dru gu ma lu po lar nu mo le ku lu kao {to su ko lin, se rin, ino zi tol ili eta no la min. Sfin go mi je lin, je di- ni neg li ce rol ni fos fo li pid sta ni~ nih mem bra na, sad r ̀ ava dva ug lji ko vo di- ~na lan ca ve za na na ~eo nu po lar nu sku pi nu ko ju tvo ri se rin, a ne gli ce rol. Svi fos fo li pi di ima ju ne po lar ne »re po ve« ko ji se sas to je od dva ug lji ko vo di- ~na lan ca, jed ne hid ro fil ne ~eo ne sku pi ne ko ja sad r ̀ ava fos fat nu sku pi nu i nje zi ne po lar ne priv jes ke. Sto ga su fos fo li pi di am fi pa ti~ ne mo le ku le, dje lo- mi ce top lji ve, a dje lo mi ce ne top lji ve u vo di. Na tom se svoj stvu fos fo li pi da te me lji stva ra nje bio lo{ kih mem bra na, o ~e mu }e mo ras prav lja ti dalje u pog lav lju.

Uz fos fo li pi de mno ge sta ni~ ne mem bra ne sad r ̀ avaju gli ko li pi de i ko le- ste rol. Gli ko li pi di se sas to je od dva ju ug lji ko vo di~ nih la na ca ve za nih na po lar ne ~eo ne sku pi ne ko je sad r ̀ avaju ug lji ko hid ra te (sli ka 2-8.). Bu du }i

46 Poglavlje 2

R1 R2

CH CH2

CH2

CH2 CH2

R1 R2

CH2

R1 R2

O

C O

O

C O

P O–O

O

O

fosfatidilkolinfosfatidiletanolamin

etanolamin

inozitol

fosfat

fosfatidilserin

serin

OH OH

HO OH

OH

fosfatidilinozitol

CH CH2

2

CH2 CH2

O

C O

O

C O

P O–O

–O

O

glicerol

CH CH2

CH2

CH2

O

C O

O

C O

P O–O

O

CH CH2

CH2

CH2 CH2

R1 R2

O

C O

O

C O

P O–O

O

O

CH CH2

CH2

CH2 CH2

R1 R2

O

C O

O

C O

P O–O

NH3 +fosfatidna kiselina

kolinCH2

CH2

(CH )

CH CH

CH

HC

CH2

CH2

R1

R2

HN

C O

CH2

P O–O

OH

kolin2

2

+

CH2

CH2

serin

O

O– H

2

C C

3 +

sfingomijelin

Stani~na kemija 47

Slika 2-7. Struktura fosfolipida. Glicerolni fosfolipidi sadr`avaju dvije masne kiseline vezane na glicerol. Masne se kiseline mogu razlikovati pa ih obilje`ujemo kao R1 i R2. Tre}i ugljikov atom gli- cerola povezan je s fosfatnom skupinom (oblikuju}i fosfatidnu kiselinu). Ta fosfatna skupina zatim je ~esto povezana s nekom malom polarnom molekulom (pri ~emu nastaju fosfatidiletanolamin, fosfatidilkolin, fosfatidilserin ili fosfatidilinozitol). U sfingomijelinu dva ugljikovodikova lanca vezana su na polarnu ~eonu skupinu koja pripada serinu umjesto glicerolu.



CH2

HO

OH

OH

O O

glukoza (ugljikohidrat)

serin CH CH

CH

HC

CH2

CH2

R1

R2

HN

C O

CH2

OH

kolesterol

estradiol

C C

C

CC

C

C

CCC

C

C

CC

C

C

C

3 CH3

H3C CH2C

CH3

C

HH

CH2 CH2 CH3

HO

OH OH

C C

C

CC

C

C

CCC

C

C

CC

C

C

C

CH3

testosteron

C C

C

CC

C

C

CCC

C

C

CC

C

C

C

CH3

CH3

O

HO

Slika 2-9. Kolesterol i steroidni hormoni. Kolesterol, va`an sastojak stani~nih mem brana, amfipati~na je molekula zbog svoje polarne hidroksilne skupine. Kolesterol je tako|er prete~a steroidnih hormona kao {to su testosteron i estra- diol (oblik estrogena). Slika ne prikazuje vodikove atome vezane na ugljike u prstenu.

Slika 2-8. Struktura glikolipida. Dva ugljikovodi~na lanca vezana su na polarnu ~eonu skupinu koja potje~e od serina i sadr`ava ugljikohidrate (prim- jerice glukozu).

da su am fi pa ti~ ne mo le ku le uglavnom su na~elno sli~ni fos fo li pi di ma. Za raz li ku od fos fo li pi da, ko les te rol se sas to ji od ~e ti ri ug lji ko vo di~ na pr ste na, a ne od li near nih ug lji ko vo di~ nih la na ca (sli ka 2-9.). Ug lji ko vo di~ ni su pr ste- ni iz ra zi to hid ro fob ni, ali je hid rok sil na sku pi na (OH), ve za na na jed nom kra ju ko les te ro la, sla bo hid ro fil na, pa je i ko les te rol am fi pa ti ~an.

Osim ulo ge u iz grad nji sta ni~ nih mem bra na, li pi di dje lu ju kao sig nal ne mo le ku le unu tar i iz me |u sta ni ca. Ste roid ni hor mo ni (prim je ri ce es tro gen i tes tos te ron) de ri va ti su ko les te ro la (vi di sli ku 2-9). Ti hor mo ni ~i ne raz no- rod nu sku pi nu ke mij skih glas ni ka. Svi ima ju ~e ti ri ug lji ko vo di~ na pr ste na na ko je su pri po je ne raz li ~i te fun kcio nal ne sku pi ne. De ri va ti fos fo li pi da slu- `e ta ko |er kao glas ni~ ke mo le ku le unu tar sta ni ca pros lje |u ju }i sig na le od re cep to ra na sta ni~ noj pov r {i ni do unu tar sta ni~ nih od re di{ ta ko ja re gu li ra- ju mno ge sta ni~ ne pro ce se, uk lju ~u ju }i sta ni~ nu pro li fe ra ci ju, kre ta nje, op- sta nak i di fe ren ci ja ci ju (vi di 13. pog lav lje).

Nuk lein ske ki se li ne Nuk lein ske ki se li ne – DNA i RNA – glav ne su in for ma cij ske mo le ku le u sta- ni ca ma. Deok si ri bo nuk lein ska ki se li na (DNA) ima je din catu ulo gu kao ge-

48 Poglavlje 2

adenin (A)

purini

pirimidini

{e}eri

nukleozid nukleotid

HC

N

N H

N C

C

CHC N

1

2

3

4

5 67

8

9

gvanin (G)

HC

N

N H

C C

C

NH

C N

NH2

NH2

C

ON

N C

HC

CHC

HC

HC

N H

NH2

O

O

O

O

O

citozin (C)

riboza

NH

NH

CH3C

C

C

HC N H

O

timin (T)

NH C

HC

CHC N H

O

uracil (U)

O

C C

CC

H H

OH

OH

HH

uridin

baza

{e}er

O

C C

CC

H H

OHOH

HH

2'-deoksiriboza

O

C C

CC

H H

HOH

OH

H

HOCH2HOCH2

H

C

C

ON

HC

HC

O

NH

uridin-5'-monofosfat (UMP)

O

C C

CC

H H

OHOH

H

CH2

H

C

OH

O

O

–O

–O P

1

2

3

4

5 6

3

2

1

1'4'

5'

2'3'

1'

1

4

2

3

6

5

4'

5'

2'3'

6

5 4

7

8

9

HOCH2

Slika 2-10. Sastojci nukleinskih kiselina. Nukleinske kiseline sadr`avaju pu rin- ske i pirimidinske baze vezane na fosfori- li rane {e}ere. Baza nukleinske kiseline ve zana samo na {e}er je nukleozid. Nuk leotidi dodatno sadr`avaju jednu ili vi {e fosfatnih skupina.

ne ti~ ka tvar ko ja je u eu ka riot skim sta ni ca ma smje{ te na u jez gri. Raz li ~i ti ti- po vi ri bo nuk lein skih ki se li na (RNA) sud je lu ju u ne ko li ko sta ni~ nih ak tiv nos ti. Glas ni~ ka RNA (mR NA) no si in for ma ci ju od DNA do ri bo so ma, gdje slu ̀ i kao ka lup za sin te zu pro tei na. Dru ga dva ti pa RNA (ribosomna RNA i tran spor tna RNA) sud je lu ju u sin te zi pro tei na. Os ta li ti po vi RNA uklju ~e ni su u do ra du i pri je nos ri bo nuk lein skih ki se li na i pro tei na. Osim {to dje lu je kao in for ma cij ska mo le ku la, RNA je ta ko |er spo sob na ka ta li zi ra- ti ne ke ke mij ske reak ci je. U da na{ njim sta ni ca ma tak ve su reak ci je uk lju ~e- ne u sin te zu pro tei na i do ra du RNA.

DNA i RNA su nuk leo tid ni po li me ri ko ji sad r ̀ avaju pu rin ske i pi ri mi din- ske ba ze ve za ne na fos fo ri li ra ne {e }e re (sli ka 2-10). DNA sad r ̀ ava dva pu ri- na (ade nin i gva nin) i dva pi ri mi di na (ci to zin i ti min). Ade nin, gva nin i ci to-

Stani~na kemija 49

+

OH

O

O

–O

–O P O

C C

baza

{e}er

CC

OH

CH2

O

O

–O

P

5'-kraj

3'-kraj

O

C C

baza

{e}er

CC

OH OH

CH2

O

O

–O

–O P

O

O

O

–O P

O

C C

baza

{e}er

CC

OH

CH2

O

C C

baza

{e}er

CC

OHOH

CH2

H +

–O

H 2O

C

C

O

O

C

CGN

C

N

C C

C N

N

N H

N

N

N

H

H

CH3H

CH H

C C

C

O

O

C

CAN

N

C C

T N

N

NH

N

N

H

H

CH H

C

H

H

C H

Slika 2-11. Polimerizacija nukleotida. Fosfodiesterska se veza oblikuje izme|u 3'-hidroksilne skupine jednoga nukleotida i 5'-fosfatne skupine drugoga. Polinukleotidni lanac je usmjerena molekula: jedan kraj zavr{ava 5'-fosfatnom skupinom (5'-kraj), a drugi 3'-hidroksilnom skupinom (3’-kraj).

Slika 2-12. Komplementarno sparivanje baza nukleinskih kiselina. Stvaranje vodikovih veza izme|u baza suprotno usmjerenih lanaca DNA omogu}uje specifi~no sparivanje gvanina (G) s citozinom (C) i adenin (A) s timinom (T).

zin ta ko |er su pri sut ni u RNA, ali RNA sad r ̀ ava ura cil um jes to ti mi na. Ba- ze se ve ̀ u na {e }e re (2'-deok si ri bo zu u DNA, ili ri bo zu u RNA) da nas ta nu nuk leo zi di. Nuk leo ti di do dat no sad r ̀ e jed nu ili vi {e fos fat nih sku pi na ve- za nih na 5'-ugljik nuk leo zid nog {e }e ra.

Po li me ri za ci ja nuk leo ti da, ko jom se ob li ku ju nuk lein ske ki se li ne, uk lju- ~u je stva ra nje fos fo dies ter skih ve za iz me |u 5'-fosfata jed no ga nuk leo ti da i 3'-hidroksila dru gog nuk leo ti da (sli ka 2-11.). Oli go nuk leo ti di su oli go me ri ko ji sad r ̀ avaju sa mo ne ko li ko nuk leo ti da. Ve li ki po li nuk leo ti di ko ji ob li ku- ju sta ni~ ne RNA i DNA mo gu sad r ̀ a ti ti su }e i mi li ju ne nuk leo ti da. Vri jed- no je is tak nu ti da je po li nuk leo tid ni la nac us mje re na mo le ku la ko joj je na jed nom kra ju 5'-fosfat, a na dru gom 3'-hidroksilna sku pi na. Po li nuk leo ti di se uvi jek sin te ti zi ra ju u smje ru od 5' pre ma 3', ta ko da se slo bod ni nuk leo- tid do da je na 3'-OH-skupinu ras tu }e ga lan ca. Do go vor no sli jed ba za u DNA i RNA ta ko |er se is pi su je u smje ru od 5' pre ma 3'.

In for ma ci ja u DNA i RNA priop }u je se sli je dom ba za u po li nuk leo ti du. DNA je dvos tru ka mo le ku la ko ja se sas to ji od dva ju sup rot no us mje re nih po li nuk leo tid nih la na ca (vi di 3. pog lav lje). Ba ze su na unut ra{ njoj stra ni mo le ku le pa vo di ko ve ve ze iz me |u kom ple men tar nih pa ro va ba za po ve zu- ju dva lan ca. Ade nin se spa ru je s ti mi nom, a gva nin s ci to zi nom (sli ka 2-12). Bit na pos lje di ca tak va kom ple men tar na po ve zi va nja ba za je st da je dan la- nac DNA (ili RNA) mo ̀ e dje lo va ti kao ka lup ko ji us mje ru je sin te zu kom ple- men tar no ga lan ca. Nuk lein ske ki se li ne ima ju, dak le, je din ca tu spo sob no st sa mo rep li ka ci je. Up ra vo zbog to ga dje lu ju kao os nov ne in for ma cij ske mo le- ku le u sta ni ci. In for ma cij ski sad r ̀ aj u DNA i RNA us mje ru je sin te zu spe ci- fi~ nih pro tei na ko ji nad zi ru ve }i nu sta ni~ nih ak tiv nos ti.

Osim {to su gra |ev ne je di ni ce nuk lein skih ki se li na, nuk leo ti di ima ju i dru ge klju~ ne ulo ge u sta ni~ nim pro ce si ma. Na jis tak nu ti ji prim jer je ade no- zi n-5'-tri fos fat (ATP), ko ji je glav ni ob lik ke mij ske ener gi je unu tar sta ni ca.

50 Poglavlje 2

karboksilna skupina

amino- -skupina

bo~ni ogranak

H

R

COO–H3N +

Ca

Slika 2-13. Struktura aminokiselina. Svaka se aminokiselina sastoji od sre di{njeg atoma ugljika (a-ugljik) ve- zanog na vodikov atom, karboksilnu sku pinu, amino-skupinu i specifi~ni bo ~ni ogranak (ozna~en kao R). Kod fi ziolo{koga pH karboksilna skupina i amino-skupina su ionizirane kako je prikazano.

Sli~ no dje lu ju i dru gi nuk leo ti di, ko ji u broj nim me ta bo li~ kim reak ci ja ma do- no se ener gi ju ili ak ti vi ra ne ke mij ske sku pi ne. Ne ki nuk leo ti di (prim je ri ce ci- kli~ ki AMP) va` ne su sig nal ne mo le ku le unu tar sta ni ca (vi di 13. pog la vlje).

Pro tei ni Dok nuk lein ske ki se li ne no se ge ne ti~ ku in for ma ci ju sta ni ce, pri mar na je du ̀ no st pro tei na da iz ve du za da }e pre ma upu ta ma te in for ma ci je. Pro tei ni su naj raz no li ki je od svih mak ro mo le ku la. Sva ka sta ni ca sad r ̀ ava ti su }e raz- li ~i tih pro tei na ko ji iz vo de naj raz li ~i ti je za da }e. Pro tei ni slu ̀ e kao kon struk- tiv ne sas tav ni ce sta ni ca i tki va, pre no se i poh ra nju ju ma le mo le ku le (pri- mje ri ce he mog lo bin pre no si ki sik), pre no se ta ko |er in for ma ci je iz me |u sta ni ca (pri m je ri ce hor mo ni) te osi gu ra va ju ob ra nu od in fek ci je (prim je ri ce pro tu ti je la). Me |u tim, klju~ na je ulo ga pro tei na da dje lu ju kao en zi mi ko ji ka ta li zi ra ju go to vo sve ke mij ske reak ci je u bio lo{ kim sus ta vi ma, {to }e mo po ka za ti da lje u pog lav lju. Na taj na ~in pro tei ni up rav lja ju go to vo svim ak- tiv nos ti ma sta ni ce. Sre di{ nja ulo ga pro tei na u bio lo{ koj ke mi ji is ka za na je nji ho vim na zi vom, ko ji pot je ~e od gr ~ke ri je ~i prwteion, {to zna ~i »pr vo mjes to«, »pr vi re d«.

Pro tei ni su po li me ri sas tav lje ni od dva de set raz li ~i tih ami no ki se li na. Sva- ka se ami no ki se li na sas to ji od ug lji ko vog ato ma (naz va nog a-ug ljik) po ve- za no ga s kar bok sil nom sku pi nom (COO–), ami no-sku pi nom (NH3+), vo di- ko vim ato mom i pre poz nat lji vim bo~ nim og ran kom (sli ka 2-13). Spe ci fi~ na ke mij ska svoj stva ami no ki se lin skih bo~ nih og ra na ka od re |u ju ulo ge sva ke po je di ne ami no ki se li ne u pro tein skoj struk tu ri i fun kci ji.

Ami no ki se li ne se mo gu razvr sta ti pre ma svoj stvi ma bo~ nih og ra na ka u ~e ti ri vr ste (sli ka 2-14). De set ami no ki se li na ima ju ne po lar ne bo~ ne og ran- ke ko ji ne stu pa ju u in te rak ci ju s vo dom. Gli cin je naj jed nos tav ni ja ami no ki- se li na – nje gov bo~ ni og ra nak ima sa mo vo di kov atom. Ala nin, va lin, leu cin i izo leu cin ima ju ug lji ko vo di~ ne bo~ ne og ran ke ko ji imaju do ~e ti ri ug lji ko- va ato ma. Bo~ ni og ran ci tih ami no ki se li na su hid ro fob ni, pa se zbog to ga nas to je smjes ti ti u sre di{ te pro tei na, gdje ni su u do di ru s vo dom. Sli~ no i pro lin ima ug lji ko vo di~ ni bo~ ni og ra nak, ali pro lin je je din cat po to me {to je nje gov bo~ ni og ra nak s jed ne stra ne ve zan na du {i kov atom ami no sku pi- ne, a s dru ge na a-ugljik ta ko da ob li ku je pr ste nas tu struk tu ru. Bo~ ni og ran- ci dvi ju ami no ki se li na, cis tei na i me tio ni na, sad r ̀ avaju ato me sum po ra. Me tio nin je pri li~ no hid ro fo ban za raz li ku od cis tei na ko ji zbog svo je sul- fhid ril ne sku pi ne (SH) ni je hid ro fo ban. Cis tein ska sul fhid ril na sku pi na ima va` nu ulo gu u pro tein skoj struk tu ri, jer omo gu }u je stva ra nje di sul fid nih ve za iz me |u bo~ nih cis tein skih og ra na ka, ali o to me }e mo ras prav lja ti kas- ni je. Ko na~ no, dvi je ne po lar ne ami no ki se li ne, fe ni la la nin i trip to fan, imaju u svo jim bo~ nim og ran ci ma iz ra zi to hid ro fob ne aro mat ske pr ste ne.

Pet ami no ki se li na ima ju po lar ne, ali ne na bi je ne bo~ ne og ran ke. To su se- rin, treo nin i ti ro zin, ko ji pos je du ju hid rok sil nu sku pi nu u bo~ nom lan cu, te as pa ra gin i glu ta min, ko ji sad r ̀ avaju po lar ne amid ne sku pi ne (O=C– NH2). Bu du }i da po lar ni bo~ ni og ran ci mo gu stva ra ti vo di ko ve ve ze s vo- dom, ove su ami no ki se li ne hid ro fil ne i nas to je se smjes ti ti na pov r {i ni pro- tei na.

Ami no ki se li ne li zin, ar gi nin i his ti din u bo~ nom og ran ku ima ju na bi je ne ba zi~ ne sku pi ne. Li zin i ar gi nin su vr lo ba zi~ ne ami no ki se li ne. U sta ni ci nji- ho vi bo~ ni og ran ci no se po zi tiv ni na boj. Zbog to ga su vr lo hid ro fil ni i sto ga naj ~e{ }e smje{ te ni na pov r {i ni pro tei na gdje os tva ru ju do dir s vo dom. Hi- sti din mo ̀ e bi ti ne na bi jen ili po zi tiv no na bi jen kod fi zio lo{ ko ga pH. ^es to aktiv no sud je lu je u en zim skim reak ci ja ma ko je uk lju ~u ju raz mje nu vo di ko- vih io na kao {to po ka zu je prim jer, ko ji }e mo opi sa ti u slje de }em od jelj ku.

Stani~na kemija 51

H CH3

H

glicin (Gly) G

nepolarne aminokiseline

polarne aminokiseline

bazi~ne aminokiseline kisele aminokiseline

COO–C

H

alanin (Ala) A

COO–C

CH2

SH

H

cistein (Cys) C

CH2

CH2

S

CH3

COO–C

H

metionin (Met) M

COO–C

CH2

CH2

CH2

CH2

H

lizin (Lys) K

COO–

NH3

C

CH2

CH2

NH

CH2

C

H

arginin (Arg) R

COO–

NH2

NH2

C

CH2

H

histidin (His) H

COO–C

CH

CH3H3C

H

valin (Val) V

COO–C

CH

CH3

CH2

CH2

CH3H3C

H3C

H

leucin (Leu) L

COO–C

C

NH2

CH2

O

H

fenilalanin (Phe) F

COO–C

CH2CH2

H

triptofan (Trp) W

COO–C

CH

H

izoleucin (Ile) I

COO–C

CH2

CH2

H

prolin (Pro) P

COO–H2N +

H3NH3N + +

H3N +

H3N +

H3N +

H3N +

H3N +

H3N +

H3N +

H3N +

H3N +

H3N +

H3N +

H3N +

C

H2C

N

NH

H

CH2

OH

H

serin (Ser) S

HCOH

CH3

COO–C

H

treonin (Thr) T

COO–C

H

tirozin (Tyr) Y

COO–C

H

asparagin (Asn) N

COO–C

C

NH2

CH2

CH2

O

H

glutamin (Gln) Q

COO–C

CH2

OH

HN

CH2

H

asparaginska kiselina (Asp) D

COO–

COO–

C

CH2

H

glutaminska kiseline (Glu) E

COO–

CH2

COO–

C

+

+ +

H3N +

H3N +

H3N +

H3N +

H3N +

Slika 2-14. Aminokiseline. Nazna~ene su troslovna i jednoslovna kratica za svaku aminokiselinu. Amino- kiseline su razvrstane na temelju svoj- stava bo~nih ogranaka u ~etiri kategori- je: nepolarne, polarne, bazi~ne i kisele.

Ko na~ no, dvi je ami no ki se li ne, as pa ra gin ska i glu ta min ska ki se li na, ima- ju ki se le bo~ ne og ran ke ko ji zav r {a va ju kar bok sil nim sku pi na ma. Te su ami- no ki se li ne ne ga tiv no na bi je ne unu tar sta ni ce i za to ih se ~es to spo mi nje kao as par tat i glu ta mat. Sli~ no ba zi~ nim ami no ki se li na ma i ki se le su ami no- ki se li ne iz ra zi to hid ro fil ne te su naj ~e{ }e smje{ te ne na pov r {i ni pro tei na.

Ami no ki se li ne su me |u sob no po ve za ne pep tid nim ve za ma iz me |u a- a mi no-sku pi ne jed ne ami no ki se li ne i a-karboksilne sku pi ne dru ge (sli ka 2- 15). Po li pep ti di su du gi li near ni lan ci ko ji sad r ̀ avaju sto ti ne ili ti su }e ami no- ki se li na. Sva ki po li pep tid ni la nac ima dva raz li ~i ta kra ja, je dan ko ji zav r {a- va a-a mi no-sku pi nom (ami no- ili N-kraj ili N-ter mi nus) i dru gi, ko ji zav r {a-

52 Poglavlje 2

Smatanje po li pep tid nih la na ca

Reductive Cleavage of Disulfide Bridges in Ribonucleaze

Michael Sela, Frederick H. White, Jr., and Christian B. Anfinsen National Institutes of Health, Bethesda, MD Science, Volume 125, 1957, pages 691–692

KLJU^NI POKUS

ak ti vn

o st

75

100

50

25

0 0 2

SH grupe

864

Sa`etak eksperimentalnih rezultata renatu- ra cije. Enzimska aktivnost ribonukleaze pri kazana je kao funkcija prisutnih sulfhid- rilnih skupina nakon razli~itih postupaka. Aktivnost je izra`ena kao postotak aktiv- nosti nativnoga enzima.

H

C C

O

O–

H

C

H

C

H

H

NH

H

O

C

H

NC

+ +

peptidna veza

R1 R2

R1 R2

COO–

COO–

H3N +

H3N +

H2O

Slika 2-15. Stvaranje peptidne veze. Karboksilna skupine jedne aminokise- line povezana je s amino-skupinom dru ge aminokiseline.

va a-karboksilnom sku pi nom (kar bok si- ili C-kraj ili C-ter mi nus). Po li pep ti- di se sin te ti zi ra ju do da va njem ami no ki se li na na C-kraj. Sli jed ami no ki se li- na u po li pep ti du is pi su je se (pre ma do go vo ru) is tim re dos li je dom. Ka rak te- ris ti~ na svoj stva pro tei na od re |e na su spe ci fi~ nim sli je dom ami no ki se li na. Go di ne 1953. Fre de ri ck San ger od re dio je pr vi pot pu ni sli jed ami no ki se li na u pro tei nu. Bio je to sli jed u hor mo nu in zu li nu. Po ka za lo se da se in zu lin sas to ji od dva ju po li pep tid nih la na ca ko ji su me |u sob no po ve za ni di sul fid- nim ve zama iz me |u cis tein skih og ra na ka (sli ka 2-16). Naj va` ni ja spoz na ja u San ge ro vom ek spe ri men tu je st da se sva ki pro tein sas to ji od svo ga spe ci- fi~ no ga sli je da ami no ki se li na. Da nas se slje do vi ami no ki se li na ne kog pro tei- na od re |u ju de duk ci jom iz slijeda nuk leo ti da u mR NA. Do da nas su poz na- ti pot pu ni slje do vi ami no ki se li na u vi {e od 100.000 pro tei na. Sva ki pro tein ima je din stven ami no ki se lin ski sli jed ko ji je od re |en re dos li je dom nuk leo ti- da u ge nu (vi di 3. pog lav lje). Ami no ki se lin ski sli jed pro tei na tek je pr vi ele- me nt pro tein ske struk tu re. Pro tei ni ni su iz du ̀ e ni lan ci ami no ki se li na. Oni

Kontekst

Fun kcio nal ni su pro tei ni znat no slo ̀ e- ni ji od li near nih la na ca ami no ki se li na. Stva ra nje ak tiv nih en zi ma ili dru gih pro tei na zah ti je va sma ta nje po li pep tid- nih la na ca u pre ciz nu tro di men zialnu kon for ma ci ju. Ta raz li ka iz me |u pro- tei na i po li pep tid nih la na ca pos tav lja klju~ na pi ta nja pri ra zu mi je va nju od no sa pro tein ske struk tu re i fun kci je. Ka ko je odab ra na pra va kon for ma ci ja od mno gih mo gu }ih kon for ma ci ja ko je bi mo gao pop ri mi ti po li pep tid ni la nac? Odak le in for ma ci ja ko ja us mje ru je pro- tein sko sma ta nje?

Kla si~ ni po kus Chris tia na An fin se na i nje go vih su rad ni ka od go va ra na ta pi ta nja. Prou ~a va ju }i en zim ri bo nu- klea zu, An fin sen i su rad ni ci us pje li su po ka za ti da se de na tu ri ra ni pro tei ni mo gu spon ta no po nov no smo ta ti u ak tiv nu kon for ma ci ju. Pre ma to me pri mar ni ami no ki se lin ski sli jed sad r-

`ava svu pot reb nu in for ma ci ju ko ja od re |u je pra vil nu pros tor nu kon for- ma ci ju pro tei na. Niz ek spe ri me na ta na veo je An fin se na na zak lju ~ak da na tiv na trodi men zionalna struk tu ra pro tei na od go va ra ter mo di na mi~ ki naj sta bil ni joj kon for ma ci ji ko ju od re- |u ju in te rak ci je sas tav nih ami no ki- se li na. Ori gi nal na opa ̀ a nja, koja su do ve la do ovo ga klju~ nog na ~e la, au to ri Mic hael Se la, Fre de ri ck H. Whi te, Jr. i Chris tian B. An fin sen ob ja- vi li su u ci ti ra nom ra du 1957. go di ne.

Eksperimenti

Se la, Whi te i An fin sen prou ~a va li su go ve |u ri bo nuk lea zu, ma li pro tein od 124 ami no ki se li ne ko ji ima ~e ti ri di sul- fid ne (S-S) ve ze iz me |u bo~ nih og ra- na ka cis tei na. En zim sku ak tiv no st ri bo- nuk lea ze mo gu }e je pra ti ti is pi ti va njem spo sob nos ti en zi ma da po ki da RNA u nuk leo ti de, {to omo gu }uje jed no-

stav no od re |i va nje fun kci je na tiv no ga pro tei na. En zim ska je ak tiv no st pot- pu no nes ta la uko li ko je en zim iz lo ̀ en tret ma nu ko ji ki da ne ko va len tne ve ze i re du ci ra di sul fid ne ve ze u sul fhid ril ne

Stani~na kemija 53

30

A C

CH2

CH2

H

G I V E Q C A S

S

S S

S L Y Q L E N Y C

S

S

S

S

S

N

H

C

N 1

1

21

O

C

C

H

C

N

H

H H

NC

C

O

O O

NC

F V N Q H L G S H L V E A L Y L G E R G F F Y T P KN

C

C C

Disulfidni most izme|u cisteinskih ogranaka.

Slika 2-16. Aminokiselinski slijed inzulina. Inzulin se sastoji od dvaju polipeptidnih lanaca od kojih jedan sadr`ava 21, a drugi 30 aminokiselina (nazna~enih odgovaraju}im jednoslovnim simbolom)

pop ri ma ju svoj stve nu tro di men zio nal nu kon for ma ci ju ko ja je bit na za nji- ho vu fun kci ju. Tro di men zio nal ne (pros tor ne) kon for ma ci je pro tei na pos lje- di ca su me |u sob ne in te rak ci je sas tav nih ami no ki se li na ta ko da su i pros tor- ni ob li ci pro tei na od re |e ni ami no ki se lin skim sli je dom. Pr vi je to po ka zao Chris tian An fin sen ek spe ri men tom u ko jem je zag ri ja va njem po ki dao tro di- men zio nal nu pro tein sku struk tu ru. Po pu ca le su sa mo ne ko va len tne ve ze. Taj pro ces na zi va mo de na tu ra ci jom (sli ka 2-17). Pro tei ni de na tu ri ra ni na ta- kav na ~in ~es to se na kon in ku ba ci je u bla gim uv je ti ma spon ta no vra }a ju u

(SH) sku pi ne. ^i ni lo se da na taj na ~in de na tu ri ra ni pro tein zau zi ma slu ~aj nu neak tiv nu kon for ma ci ju.

Oso bi to je va` no da su Se la, Whi te i An fin sen opa zi li da se en zim ska ak tiv- no st vra }a, ako se de na tu ri ra ni pro tein in ku bi ra u uv je ti ma ko ji omo gu }u ju da se po li pep tid ni la nac po nov no smo ta i di sul fid ne ve ze po nov no us pos ta ve. U tim po ku si ma uk lo nje no je de na tu ri ra- ju }e sred stvo, a za tim je inak ti vi ra ni en zim in ku bi ran u fi zio lo{ kom pu fe ru u pri sut nos ti O2. Taj pos tu pak do veo je do ok si da ci je sul fhid ril nih sku pi na i po nov ne us pos ta ve di sul fid nih ve za. Tim pro ce som en zi mu se vra ti la ka ta- li ti~ ka ak tiv no st, {to do ka zu je da se en zim po nov no smo tao u na tiv nu kon for ma ci ju. Bu du }i da ni su bi le pri- sut ne dru ge sta ni~ ne kom po nen te, sva po treb na in for ma ci ja za pro tein sko sma ta nje o~i to je pot je ca la od pri mar- no ga sli je da ami no ki se li na u po li pep- tid nom lan cu.

Utjecaj

Dalj nji su po ku si od re di li uv je te u ko ji ma de na tu ri ra na ri bo nuk lea za pot- pu no vra }a svo ju na tiv nu struk tu ru i en zim sku ak tiv no st pot vr |u ju }i »ter- mo di na mi~ ku hi po te zu« pro tein skog sma ta nja, ko ja ka ̀ e da na tiv na tro di- men zionalna struk tu ra pro tei na od go- va ra ter mo di na mi~ ki naj sta bil ni jem sta nju u fi zio lo{ kim uv je ti ma. Ter mo di- na mi~ ka sta bil no st od re |e na je in te rak- ci ja ma me |u ami no ki se li na ma ko je ga sa ~i nja va ju, te je sto ga tro di men zio- nal na kon for ma ci ja pro tei na iz rav no od re |e na pri mar nim sli je dom ami no ki- se li na. Bu du }i da re dos li jed nuk leo ti da u DNA od re |u je sli jed ami no ki se li na u po li pep ti du, proiz la zi da re dos li jed nuk leo ti da u ge nu sad r ̀ ava svu in for- ma ci ju po treb nu za tro di men zionalnu struk tu ru svo je ga pro tein sko ga pro- duk ta.

Prem da je An fin se nov rad po sta vio ter mo di na mi~ ki te melj za pro tein sko

sma ta nje, ra zu mi je va nje me ha niz ma to ga pro ce sa jo{ je ak tiv no pod ru~ je is tra ̀ i va nja. Sma ta nje pro tei na iz nim no je slo ̀ e no i jo{ uvi jek je ne mo gu }e pred vid je ti tro di men zionalnu struk- tu ru pro tei na iz rav no iz sli je da ami no- ki se li na. Ta ko |er je va` no na po me nu ti da je spon ta no sma ta nje pro tei na in vit ro mno go spo ri je ne go pro tein sko sma ta nje u sta ni ci, gdje po ma ̀ u en zi mi (vi di 7. pog lav lje). Sma ta nje pro tei na os ta je sre di{ nji iza zov bio lo{ ke ke mi je.

Christian Anfinsen

54 Poglavlje 2

4

C Grijanjem i obradbom reduktivnim reagensom radi kidanja disulfidnih veza raspada se nativna konformacija - protein se denaturira.

Ako denaturiranu ribonukleazu vratimo u nativne uvjete, spontano }e se smotati u svoju nativnu konformaciju.

denaturirana ribonukleazanativna ribonukleaza

disulfidni mostovi

10

40

58

nativna ribonukleaza

0

Slika 2-17. Denaturacija i ponovno smatanje proteina. Ribonukleaza je protein sazdan od 124 aminokiseline (nazna~ene brojevima). Normalno se protein smata u svoju na- tivnu konformaciju koja sadr`ava ~etiri disulfidne veze (nazna~ene kao spareni kru`i}i koji predstavljaju cisteine).

hem-skupina

C-kraj

N-kraj Slika 2-18. Trodimenzionalna struktura mioglobina. Mioglobin je protein izgra|en od 153 aminokiseline koji sudjeluje u transportu kisika. Polipeptidni lanac se smata oko hem-skupine koja slu`i kao vezno mjesto za kisik.

na tiv nu kon for ma ci ju, {to je po ka za telj da su pros tor ne kon for ma ci je iz rav- no od re |e ne ami no ki se lin skim sli je dom.

Tro di men zio nal na struk tu ra pro tei na naj ~e{ }e se ana li zi ra dif rak ci jom X-zra ka (kris ta log ra fi jom), {to je teh ni ka vi so ke re zo lu ci je ko ja ra zot kri va raz mje{ taj po je di na~ nih ato ma unu tar mo le ku le. Snop X-zra ka us mje ru je se na kris tal ana li zi ra nog pro tei na. X-zra ke ko je pro |u kroz pro tein ski kri- stal de tek ti ra ju se fil mom os jet lji vim na X-zra ke. Kad X-zra ke uda re kris tal, ras pr {u ju se na ka rak te ris ti ~an na ~in ko ji je od re |en ras po re dom ato ma u mo le ku li. Sto ga je mo gu }e iz ves ti struk tu ru mo le ku le na te me lju sli ke ras pr- {e nih X-zra ka (dif rak cij ski uzo rak).

Go di ne 1958. Jo hn Ken drew pr vi je od re dio tro di men zio nal nu struk tu- ru pro tei na miog lo bi na, jed nos tav no ga pro tei na saz da nog od 153 ami no ki- se li ne (sli ka 2-18.). Od ta da su ana li zi ra ne ti su }e pro tei na. Ve }i na tih pro tei- na su glo bu lar ni pro tei ni, kao {to je i miog lo bin. Po li pep tid ni lan ci glo bu lar- nih pro tei na smo ta ni su u kom pak tne struk tu re. Ne ki pro tei ni (prim je ri ce kon struk tiv ni pro tei ni ve ziv nih tki va) du ga~ ke su vlak nas te struk tu re. Is pi- ti va nje tro di men zio nal nih struk tu ra pro tei na raz jas ni lo je ne ko li ko te melj- nih prin ci pa ko ji up rav lja ju pro ce som sma ta nja, no struk tu ra pro tei na to li- ko je slo ̀ e na da iz poz na va nja sli je da ami no ki se li na jo{ uvi jek ni je mo gu }e od re di ti tro di men zio nal nu struk tu ru pro tei na.

Op }e ni to se pro tein ska struk tu ra opi su je na ~e ti ri ra zi ne. Pri mar na stru- k tu ra pro tei na je sli jed ami no ki se li na u pro tein skom lan cu. Sekun dar na struk tu ra je pra vil ni lo kal ni ras po red ami no ki se li na unu tar od re |e ne re gi- je po li pep ti da. Go di ne 1951. Li nus Pau li ng i Ro be rt Co rey uo ~i li su dva naj- ~e{ }a ti pa se kun dar ne struk tu re: a-uz voj ni cu i b-nab ra nu plo ~u. Ob je su te se kun dar ne struk tu re u~vr {}e ne vo di ko vim ve za ma iz me |u sku pi na CO i NH u pe ptid nim ve za ma. a-uzvojnica nas ta je kad se dio po li pep tid nog lan- ca ovi ja oko svo je osi, ta ko da CO sku pi na jed ne pep tid ne ve ze us pos ta vi

Stani~na kemija 55

N-kraj

podru~je petlje

b-plo~a

a-uzvojnica

C-kraj

vodikova veza

b-plo~a

vodikova veza

a-uzvojnica

C C

C

C C CC

O

O

H

N

N

N

N

N

N

H

H

H

O

O

OO

H

H H

C

N

H

C

C C C

C C

C

O

N

C

O

C C N

H

C C N

H

O

C C

O

C

C C C

C

C

C C

C

O O

O O

H

H

H

H

H

H

H

H

H

N

N

N

N

N

N N

N

N

N

N C

C

O

C

C

O

C

C

O

C

C

C C

O

O

C

C

O

H

Slika 2-19. Sekundarna struktura proteina. Naj~e{}i oblici sekundarne strukture su a-uzvojnica i b-nabrana plo~a. U α-uzvojnici oblikuju se vodikove veze izme|u skupina CO i NH u peptidnim vezama udaljenim za ~etiri aminokise- line. U β-plo~i vodikove veze povezuju dva prilegnuta dijela polipeptidnog lanca. Nisu prikazani bo~ni ogranci aminokiselina.

Slika 2-20. Tercijarna struktura ribonukleaze. Podru~ja sekundarne strukture, a-uzvojnice i b-plo~e, povezana podru~jima petlji smataju se u nativnu kon- formaciju proteina. U shematskom prikazu vrp~astoga modela polipeptidnog lanca prikazane su a-uzvojnice kao spirale, a b-plo~e kao {iroke strjelice.

vo di ko vu ve zu s NH-sku pi nom pep tid ne ve ze ~et vr te ami no ki se li ne u ami- no ki se lin skom ni zu po li pep ti da (sli ka 2-19). Na sup rot to me b-nab ra na plo- ~a nas ta ne kad se dva di je la po li pep tid nog lan ca, ko ji le ̀ e je dan do dru go- ga, po ve ̀ u vo di ko vim ve za ma. Tak ve se b-plo ~e mo gu ob li ko va ti iz me |u vi {e di je lo va po li pep tid nog lan ca ko ji mo gu bi ti me |u sob no pa ra lel no ili an ti pa ra lel no us mje re ni.

Ter ci jar na struk tu ra je smo ta no st po li pep tid nog lan ca ko ja nas ta je kao pos lje di ca in te rak ci ja iz me |u bo~ nih og ra na ka ami no ki se li na iz raz li ~i tih re gi ja u pri mar nom sli je du (sli ka 2-20.). U ve }i ni se pro tei na a-uz voj ni ce i b-nab ra ne plo ~e, po ve- za ne re gi ja ma pet lji, sma ta ju u kom pak tne glo bu- lar ne struk tu re naz va ne do me na ma i ~i ne os nov- ne je di ni ce ter ci jar ne struk tu re. Ma li pro tei ni, kao {to su ri bo nuk lea za ili miog lo bin, imaju sa mo jed nu do me nu; ve }i pro tei ni mo gu ima ti vi {e raz- li ~i tih do me na ko je su ~es to po ve za ne s raz li ~i tim fun kci ja ma.

Kri ti~ na od red ni ca ter ci jar ne struk tu re je st po lo ̀ aj hid ro fob nih ami no ki se li na u unut ra - {njos ti pro tei na i hid ro fil nih ami no ki se li na na pov r {i ni, gdje mo gu stu pi ti u in te rak ci ju

56 Poglavlje 2

a-lanci

b-lancihem-skupina

Slika 2-21. Kvarterna struktura hemoglobina. Hemoglobin se sastoji od ~etiriju po li- peptidnih lanca od kojih je svaki pove- zan sa hem-skupinom. Identi~na su dva a-lanca i dva b-lanca.

s vo dom. Unut ra{ njo st smo ta nih pro tei na sas to ji se, dak le, pre te ̀ i to od hi- dro fob nih ami no ki se li na pos tro je nih u a-uz voj ni ce i b-plo ~e. Te se kun dar- ne struk tu re na la ze se u hid ro fob nim je zgra ma pro tei na, jer vo di ko ve ve ze neut ra li zi ra ju po lar ni ka rak ter sku pi na CO i NH u po li pep tid nom kos tu ru. Re gi je pet lji, ko je po ve zu ju pra vil ne ele men te se kun dar ne struk tu re, na la- ze se na pov r {i ni smo ta nih pro tei na, gdje po lar ne kom po nen te pep tid nih ve za us pos tav lja ju vo di ko ve ve ze s vo dom ili s po lar nim bo~ nim og ran ci- ma hid ro fil nih ami no ki se li na. In te rak ci je iz me |u po lar nih bo~ nih og ra na- ka (vo di ko ve i ion ske ve ze) na pro tein skoj pov r {i ni ta ko |er su va` ne od red- ni ce u ter ci jar noj struk tu ri. Pov rh to ga, ko va len tne di sul fid ne ve ze iz me |u sul fhid ril nih sku pi na cis tein skih og ra na ka sta bi li zi ra ju smo ta ne stru ktu re mno gih sek re tor nih pro tei na i pro tei na na sta ni~ noj pov r {i ni.

^et vr ta ra zi na pro tein ske struk tu re je kvar ter na struk tu ra. Sas to ji se od in te rak ci ja iz me |u raz li ~i tih po li pep tid nih la na ca u pro tei ni ma ko ji sad r- `avaju vi {e od jed no ga po li pep ti da. He mog lo bin je, prim je ri ce, sas tav ljen od ~e ti ri po li pep tid na lan ca. Ti su lan ci me |u sob no po ve za ni is tim vr sta ma in te rak ci ja ko je od r ̀ a va ju ter ci jar nu struk tu ru (sli ka 2-21).

Raz li ~i ta ke mij ska svoj stva dva de set raz li ~i tih ami no ki se li na do vo de do znat nih va ri ja ci ja u tro di men zio nal noj kon for ma ci ji smo ta nih pro tei na. Sto- ga pro tei ni ~i ne ek strem no slo ̀ e nu i raz no li ku sku pi nu mak ro mo le ku la, prik lad nu za mno{ tvo za da }a ko je pro tei ni obav lja ju u sta ni~ noj bio lo gi ji.

Sre di{ nja ulo ga en zi ma kao bio lo{ kih ka ta li za to ra Os nov na za da }a pro tei na je st da dje lu ju kao en zi mi – ka ta li za to ri ko ji ub r- za va ju prak ti~ ki sve ke mij ske reak ci je u sta ni ci. Prem da su ri bo nuk lein ske ki se li ne spo sob ne ka ta li zi ra ti od re |e ne reak ci je, ve }i nu bio lo{ kih reak ci ja ka ta li zi ra ju pro tei ni. Bez en zim ske ka ta li ze ve }i na bio ke mij skih reak ci ja bi- la bi ta ko spo ra da se reak ci je ne bi mog le do go di ti u bla gim uv je ti ma tem- pe ra tu re i pri tis ka u ko ji ma se od vi ja `i vot. En zi mi ub r za va ju tak ve reak ci je znat no vi {e od mi li jun pu ta. Reak ci je, ko je bi u od sut nos ti en zi ma tra ja le go di na ma, do go de se u dje li }u se kun de, ako ih ka ta li zi ra od go va ra ju }i en- zim. Sta ni ce sad r ̀ avaju ti su }e raz li ~i tih en zi ma. En zim ske ak tiv nos ti od re- |u ju ko je }e se reak ci je dois ta do go di ti unu tar sta ni ce.

Ka ta li ti~ ka ak tiv no st en zi ma

En zi mi ima ju dva te melj na svoj stva, bit na i za dru ge ka ta li za to re: (1) oni ub r za va ju ke mij ske reak ci je, a da se tim reak ci ja ma ne tro {e ni ti traj no mi je- nja ju, (2) en zi mi ub r za va ju reak ci je ne mi je nja ju }i po lo ̀ aj rav no te ̀ e iz me- |u reak ta na ta i pro du ka ta.

Ta na ~e la en zim ske ka ta li ze pre do ~u je slje de }i prim jer. Mo le ku la na ko ju dje lu je en zim (ko ju na zi va mo sup strat S) pre vo di se reak ci jom u pro du kt P. U od sut nos ti en zi ma reak ci ja te ~e na slje de }i na ~in:

S P

Ke mij sku rav no te ̀ u iz me |u S i P od re |u ju ter mo di na mi~ ki za ko ni (o ~e mu }e mo ras prav lja ti da lje u pog lav lju), a pred stav lja je om jer specifi~nih br zi na po laz ne i pov rat ne reak ci je (S→P i P→S). U pri sut nos ti od go va ra ju- }eg en zi ma ub r za va se pret vor ba S u P, ali rav no te ̀ a iz me |u S i P os ta je nep ro mi je nje na. Sto ga en zim mo ra jed na ko ub r za ti ob je reak ci je, po laz nu i pov rat nu. Od go va ra ju }i pri kaz te reak ci je je st

S E

P.

Stani~na kemija 57

energija aktivacije

produkt (P )

napredovanje reakcije

S )

prijelazno stanje

en er

gi ja

nekatalizirana reakcija

katalizirana reakcija

Slika 2-22. Energijske promjene tijekom katalizirane i nekatalizirane reakcije. Prikazana reakcija je jednostavna pre- tvorba supstrata S u produkt P. Bu du}i da je kona~no energijsko sta nje P ni`e od stanja S, reakcija te~e udesno. Me- |utim, da bi do{lo do reakcije, S mora najprije pro}i preko vi{ega prijelaznog stanja. Potrebna energija za postizanje prijelaznoga stanja (ener gija aktivacije) predstavlja prepreku pri odvijanju re- akcije i stoga odre|uje brzinu kojom }e reakcija napredovati. U prisutnosti ka- talizatora (primjerice enzima) smanjuje se aktivacijska energije pa reakcija te~e br`e.

Va lja uo ~i ti da se en zim reak ci jom ne mi je nja pa ke mij ska rav no te ̀ a os ta- je nep ro mi je nje na, jer je od re |e na is klju ~i vo ter mo di na mi~ kim svoj stvi ma S i P.

Prom je ne ener gi je ko je se mo ra ju do go di ti ti je kom kon ver zi je S u P (sli- ka 2-22) naj bo lje pre do ~u ju u~i nak en zi ma u tak voj reak ci ji. Reak cij ska rav- no te ̀ a od re |e na je ko na~ nim ener gij skim sta nji ma S i P. Na ta sta nja ne utje ~e en zim ska ka ta li za. Me |u tim, da bi mog lo do }i do reak ci je, supstrat se naj pri je mo ra do ves ti u vi {e ener gij sko sta nje, ta koz va no pri je laz no sta- nje. Ener gi ja ko ja je pot reb na da se do seg ne pri je laz no sta nje (ener gi ja ak ti- va ci je) pred stav lja prep re ku za nap re do va nje reak ci je i ona og ra ni ~u je br zi- nu reak ci je. En zi mi (i dru gi ka ta li za to ri) dje lu ju ta ko da sma nju ju ener gi ju ak ti va ci je i na taj na ~in po ve }a va ju br zi nu reak ci je. Ub r za nje je jed na ko u oba smje ra, u po laz nom i u pov rat nom, jer oba pu ta pro la ze pre ko is to ga pri je laz no ga sta nja.

Ka ta li ti~ ka ak tiv no st en zi ma uk lju ~u je ve za nje sup stra ta da nas ta ne kom ple ks en zi m-supstrat (ES). Sup strat se ve ̀ e na spe ci fi~ no mjes to en zi- ma, ta koz va no ak tiv no sre di{ te (mjes to). Supstrat ve zan na ak tiv no sre di- {te pre vo di se u reak cij ski pro du kt, ko ji za tim na pu{ ta en zim. En zim ski ka- ta li zi ra noj reak ci ji od go va ra sto ga slje de }i pri kaz:

S + E ES E + P. Va lja uo ~i ti da se E po jav lju je nep ro mi je njen na ob je stra ne jed nad ̀ be,

ta ko da rav no te ̀ a os ta je ne dir nu ta. Me |u tim en zim osi gu ra va ok ru ̀ e nje u ko jem reak ci je pret vor be S u P te ku sprem ni je. To je pos lje di ca in te rak ci je iz me |u en zi ma i supstra ta ko jom se sma nju je ener gi ja ak ti va ci je i po ti ~e stva ra nje pri je laz no ga sta nja.

Me ha niz mi en zim ske ka ta li ze Ve za nje sup stra ta na ak tiv no mjes to en zi ma vr lo je spe ci fi~ na in te rak ci ja. Ak tiv na mjes ta su udub lje nja ili uto ri na pov r {i ni en zi ma i obi~ no su saz da- na od ami no ki se li na iz raz li ~i tih di je lo va po li pep tid nog lan ca ko je je ter ci- jar na struk tu ra prib li ̀ i la u smo ta nom pro tei nu. Sup stra ti se naj pri je ve ̀ u na ak tiv no mjes to ne ko va len tnim in te rak ci ja ma ko je uk lju ~u ju vo di ko ve ve ze, ion ske ve ze i hid ro fob ne in te rak ci je. Jed nom kad je sup strat ve zan na ak tiv no mjes to en zi ma, mo gu }i su raz li ~i ti me ha niz mi ko ji }e ub r za ti pre- tvor bu supstra ta u reak cij ski pro du kt.

Jed nos ta van prim jer, o ko jem je ras prav lja no, od no sio se na jed no sup- strat nu reak ci ju, prem da ve }i na bio ke mij skih reak ci ja uk lju ~u je in te rak ci ju dva ju ili vi {e sup stra ta. Prim je ri ce stva ra nje pep tid ne ve ze uk lju ~u je po ve- zi va nje dvi ju ami no ki se li na. U reak ci ja ma to ga ti pa od vi ja nje reak ci je po- spje {u je ve za nje dva ju ili vi {e supstra ta na ak tiv no sre di{ te u pra vom po lo- `a ju i u pra voj ori jen ta ci ji (sli ka 2-23). En zim osi gu ra va ka lup ko ji okup lja reak tan te us mje re ne na pra vi na ~in da se pos pje {i stva ra nje pri je laz no ga sta nja pu tem ko je ga }e stu pi ti u me |u sob nu in te rak ci ju.

En zi mi ub r za va ju reak ci je i ti me {to mi je nja ju kon for ma ci ju svo jih sup- stra ta ra di prib li ̀ e nja kon for ma ci ji pri je laz no ga sta nja. Naj jed nos tav ni ji mo del in te rak ci je en zi m-sup strat je mo del »klju ~-bra va« u ko jem sup strat sav r {e no pris ta je u ak tiv no sre di{ te (sli ka 2-24.). Me |u tim, u mno go slu ~a je- va ve za njem sup stra ta do la zi do prom je ne kon for ma ci je en zi ma i sub stra- ta, {to na zi va mo in du ci ra na pri la god ba. U tak vim se slu ~a je vi ma kon for ma- ci ja sub stra ta pro mi je ni da pos ta ne {to sli~ ni ja pri je laz nom sta nju. Nap reg- nu to st izaz va na dis tor zi jom sup stra ta mo ̀ e os la bi ti klju~ ne ve ze i ti me do- dat no olak {a ti pos ti za nje pri je laz no ga sta nja. [tovi {e, pri je laz no se sta nje sta bi li zi ra ti jes nim ve za njem na en zim, ~i me se sma nju je pot reb na ener gi ja ak ti va ci je.

58 Poglavlje 2

supstrati

kompleks enzim-supstrat

prijelazno stanje

enzim produkt

+

Slika 2-23. Enzimska kataliza dvo- supstratne reakcije. Enzim osigurava kalup putem kojega se dva supstrata zbli`uju u prikladnom polo`aju i orijentaciji da me|usobno reagiraju.

model klju~-brava

enzim

supstrat(A)

inducirana prilagodba

Supstrat i enzim su promijenjeni u konformaciju

prijelaznoga stanja.

(B)

Slika 2-24. Modeli interakcije enzim-supstrat. Model klju~-brava pretpostavlja da supstrat precizno pristaje u aktivno sredi{te enzima. (B) Model inducirane prilagodbe pretpostavlja da ve- zanje supstrata mijenja konformacije supstrata i enzima. Ta promjena pribli`uje supstrat konformaciji prijelaznoga stanja, {to ubrzava reak- ciju.

Pov rh pri vo |e nja sup stra ta i dis tor zi je kon for ma ci je sup stra ta ra di pri bli- `e nja pri je laz nom sta nju mno gi en zi mi sud je lu ju iz rav no u ka ta li ti~ kom pro ce su. U tak vim slu ~a je vi ma bo~ ni og ran ci spe ci fi~ nih ami no ki se li na u ak tiv nom sre di{ tu mo gu rea gi ra ti sa sup stra ti ma i stvo ri ti ve ze s reak cij- skim in ter me di ja ri ma. Ki se le i ba zi~ ne ami no ki se li ne ~es to su uk lju ~e ne u tak ve ka ta li ti~ ke me ha niz me {to }e pre do ~i ti ras pra va o ki mot rip si nu kao prim je ru en zim ske ka ta li ze.

Ki mot rip sin je ~lan en zim ske obi te lji (se rin ske pro tea ze) ko ja raz gra |u je pro tei ne ka ta li zi ra ju }i ki da nje pep tid nih ve za. Reak ci ja se mo ̀ e pri ka za ti na slje de }i na ~in:

pro tein + H2O pep tid1 + pep tid2 Raz li ~i ti ~la no vi obi te lji se rin skih pro tea za (uk lju ~u ju }i ki mot rip sin, trip-

sin, elas ta zu i trom bin) spe ci fi~ ni su za raz li ~i te sup stra te bi ra ju }i raz li ~i te sus jed ne ami no ki se li ne me |u ko ji ma }e poki da ti pep tid ne ve ze. Prim je ri- ce, ki mot rip sin raz gra |u je ve ze uz hid ro fob ne ami no ki se li ne kao {to su trip to fan i fe ni la la nin, dok trip sin raz gra |u je ve ze uz ba zi~ ne ami no ki se li- ne kao {to su li zin i ar gi nin. Sve se rin ske pro tea ze ima ju, me |u tim, sli ~nu struk tu ru i ko ris te is ti me ha ni zam ka ta li ze. Ak tiv na mjes ta tih en zi ma sad r-

`avaju tri klju~ ne ami no ki se li ne – se rin, his ti din i as par tat – ko je pok re }u hid ro li zu pep tid ne ve ze. Ti su en zi mi naz va ni se rin skim pro tea za ma zbog sre di{ nje ulo ge se rin skog og ran ka. Supstra ti se ve ̀ u na se rin ske pro tea ze ume ta njem ami no ki se li na uz mjes to ki da nja u d`ep na ak tiv nom sre di{ tu en zi ma (sli ka 2-25). Svoj- stva d`e pa od re |u ju spe ci fi~ no st raz li ~i tih se rin skih pro tea za pre ma od re |e nom sup stra tu. Prim je ri ce, vez ni d`ep ki mot rip si- na sad r ̀ ava hid ro fob ne ami no ki se li ne ko je stu pa ju u in te rak ci ju s hid ro fob nim og ran ci ma izab ra nih sup stra ta. Sup rot no to me

Stani~na kemija 59

Hidrofobna interakcija Ionska interakcija

CH2

NH3

CN H

N H

N H

N H

C

CH2

CH2

CH2

CH2

C

H O

C

H O

kimotripsin tripsin

peptidna veza za kidanje

Asp

+ –

Slika 2-25. Vezanje supstrata na serinske proteaze. Aminokiselina uz peptidnu vezu koju treba pokidati umetnuta je u d`ep ak- tivnoga sredi{ta enzima. Kod kimotrip- sina d`ep ve`e hidrofobne amino ki se- line; vezni d`ep tripsina sadr`ava ne- gativno nabijeni ogra nak aspartata koji ve`e bazi~ne ami no kiseline ionskom in- terakcijom.

vez ni d`ep trip si na sad r ̀ ava ne ga tiv no na bi je nu ki se lu ami no ki se li nu (as- par tat) ko ja mo ̀ e stvo ri ti ion sku ve zu s og ran ci ma li zi na ili ar gi ni na u svo- jim sup stra ti ma.

Ve za nje sup stra ta pos tav lja pep tid nu ve zu ko ju tre ba po ki da ti uz se rin ak tiv no ga mjes ta (sli ka 2-26). Pro ton to ga se ri na pre no si se ta da na ak tiv no mjes to his ti di na. Kon for ma ci ja ak tiv no ga sre di{ ta po go du je tom pri je no su pro to na, jer je his ti din u in te rak ci ji s ne ga tiv no na bi je nim og ran kom as par- ta ta. Se rin rea gi ra sa sup stra tom stva ra ju }i tet rae dar sko pri je laz no sta nje. Pep tid na se ve za za tim po ki da, a C-kraj sup stra ta na pu{ ta en zim. Me |u tim N-kraj pep ti da os ta je ve zan na se rin. Nas ta lo se sta nje raz r je {u je kad mo le- ku la vo de (dru gi sup strat) u|e u ak tiv no sre di{ te i ob r ne sli jed reak ci ja ko je su se bi le do go di le. Pro ton mo le ku le vo de pre no si se na his ti din, a hid rok sil- na sku pi na na pep tid, pri ~e mu nas ta ne dru go tet rae dar sko pri je laz no sta- nje. Pro ton se za tim pre no si od his ti di na nat rag na se rin, a pep tid na pu{ ta en zim, ~i me je reak ci ja dov r {e na.

Ovaj prim jer os vjet lja va ne ko li ko svoj sta va en zim ske ka ta li ze: spe ci fi - ~no st in te rak ci ja en zi m-sup strat, smje{ taj raz li ~i tih sup stra ta u ak tiv nom sre di{ tu i uk lju ~e no st og ra na ka ak tiv no ga sre di{ ta u stva ra nju i sta bi li za ci ji pri je laz no ga sta nja. Prem da ti su }e en zi ma ka ta li zi ra ju mno{ tvo raz li ~i tih vr sta ke mij skih reak ci ja u sta ni ci, za nji ho vo dje lo va nje vri je de is ta te melj- na na ~e la.

Koen zi mi

Osim {to ve ̀ u sup stra te, ak tiv na mjes ta mno gih en zi ma ve ̀ u i dru ge ma le mo le ku le ko je sud je lu ju u ka ta li zi. Pros te ti~ ke sku pi ne su ma le mo le ku le ve za ne na pro tei ne i ima ju klju~ nu ulo gu u pro tein skoj fun kci ji. Prim je ri ce ki sik, ko ji se pre no si miog lo bi nom ili he mog lo bi nom, ve zan je na hem, pro- ste ti~ ku sku pi nu tih pro tei na. U mno go slu ~a je va na en zi me su ve za ni me- tal ni io ni (npr. ci nk ili `e lje zo) i ima ju klju~ nu ulo gu u ka ta li ti~ kom pro ce su. U spe ci fi~ nim vr sta ma en zim skih reak ci ja sud je lu ju ta ko |er mno ge or gan- ske mo le ku le ma le mo le kularne ma se. Tak ve se mo le ku le na zi va ju koen zi- mi ma, jer su ra |u ju s en zi mi ma pri ub r za va nju reak ci ja. Sup rot no sup stra ti- ma, koen zi mi se u reak ci ja ma u ko je su uk lju ~e ni ne mi je nja ju ne pov rat no. Oni re cik li ra ju i sud je lu ju u mno gi ma en zim skim reak ci ja ma.

60 Poglavlje 2

CH2

CH2

C C

C-kraj

N H

O

O

Vezni d`ep

C O–O

Asp-102

N

His-57

O

Ser-195

H

CH2

CH2

C C N

H

NH O–

NH

N-kraj

NH

C O–O

Asp-102

HN +

NH

NH

His-57

O

Ser-195

CH2

CH2

C C

NH2

C O–O

Asp-102

N NH

His-57

O

Ser-195

mjesto kidanja

slobodni peptid

H

HNH

NH

NH

+

CH2

CH2

C C OH

O

C O–O

Asp-102His-57

O

Ser-195

NH

CH2

CH2

C C OH

O–

C O–O

Asp-102

HN

His-57

O

Ser-195

NH

O O

CH2

CH2

C C

C O–O

Asp-102

N NH

His-57

O

Ser-195

NH

N-kraj

N-kraj

N-kraj

N-kraj

N-kraj

C-kraj

C-kraj

Ser-195 prenosi H+ na His-57 i oblikuje tetraedarsko prijelazno stanje sa supstratom. Asp-102 stabilizira prijenos H+ na His-57 ionskom interakcijom.

Preneseni H+ od His-57 na supstrat; kidanje peptidne veze.

H2O ulazi u aktivno mjesto stvaraju}i vodikovu vezu s His-57.

H2O prenosi H + na His-57

i OH– na supstrat oblikuju}i drugo prijelazno stanje.

H+ vra}en od His-57 na Ser-195; peptid na strani N-kraja napu{ta enzim.

Slika 2-26. Kataliti~ki mehanizam kimotripsina. Tri aminokiseline u aktivnom sredi{tu (Ser-195, His-57 i Asp-102) imaju klju~nu ulogu u katalizi.

Stani~na kemija 61

O–

O

O

O

O P

O–

2e– + H+

O P

HH

H

NAD+ NADH

+

H

O

O

OHOH

NH2

NH2

CH2

CH2

O N

N N

N

OHOH

C

S1(oks)

OH

C

O–

O

O

O P

O–O P

HH

H

N

H

O

O

OHOH

NH2

NH2

O N

N N

N

OHOH

C

H

(A)

(B)

1

zbroj:

2

H

CH OH

S1(red)

+ + H

CH OH

S2(red)

NAD ++ S2(oks)

H+ OH

C NADH+

S2(oks)

OH

C

+

H

CH OH

S1(red) S1(oks)

OH

C NADHNAD ++ + + H+

H

CH OH

S2(red)

N +

O

CH2

CH2

Slika 2-27. Uloga NAD+ u oksido- redukcijskim reakcijama. (A) nikotinamid-adenin-dinukleotid (NAD+) djeluje kao nosa~ elektrona u oksido-redukcijskim reakcijama: pri ma- ju}i elektrone (e) prelazi u NADH. (B) NAD+ mo`e primjerice preuzeti elek- trone supstrata (S1) pri ~emu nastaje o ksidirani S1 i NADH. NADH nastao tom reakcijom prenosi elektrone na drugi supstrat (S2) pa nastaje reducirani S2 uz regeneraciju NAD+. Stvarni u~inak jest prijenos elektrona (prenesenih s pomo}u NADH) od S1 (koji se oksidira) na S2 (koji se reducira).

Koen zi mi slu ̀ e kao pre no si te lji raz li ~i tih vr sta ke mij skih sku pi na. Iz ra zi ti prim jer je koen zim ni ko- ti na mi d-a de ni n-di nuk leo tid (NAD+) ko ji dje lu je kao pre no si telj elek tro na u ok si do-re duk cij skim reak ci ja ma (sli ka 2-27). NAD+ mo ̀ e od ne kog sup- stra ta prih va ti ti vo di kov ion (H+) i dva elek tro na, pri ~e mu nas ta je NADH. NADH mo ̀ e pre da ti te elek tro ne dru gom sup stra tu da opet nas ta ne NAD+. Na taj na ~in NAD+ pre no si elek tro ne od pr vo ga sup stra ta (ko ji se ok si di ra) na dru gi sup- strat (ko ji se re du ci ra).

Ima jo{ ne ko li ko koen zi ma ko ji ta ko |er dje lu ju kao pre no si te lji elek tro na. Dru gi pak koen zi mi su- dje lu ju u pri je no su ke mij skih sku pi na (npr. kar bok- sil ne ili acil ne sku pi ne; ta blica 2-1). Is ti koen zi mi su ra |u ju s raz li ~i tim en zi- mi ma u ka ta li ti~ kom pri je no su spe ci fi~ nih ke mij skih sku pi na iz me |u raz li- ~i tih sup stra ta. Mno gi su koen zi mi blis ko srod ni vi ta mi ni ma ko ji ima ju dio ili cje lo vi tu struk tu ru koen zi ma. Vi ta mi ni ni su nu` ni bak te ri ja ma, pri mje ri- ce E. co li, ali su bi tan sas to jak u preh ra ni lju di i vi {ih `i vo ti nja, kod ko jih je i{ ~ez nu la spo sob no st sin te ze tih spo je va.

Re gu la ci ja en zim ske ak tiv nos ti Va` no svoj stvo ve }i ne en zi ma je st ak tiv no st ko ja ni je kon stan tna, ne go se mo ̀ e pri la go |a va ti. En zim ske se ak tiv nos ti mo gu re gu li ra ti ta ko da svo jim u~in kom od go va ra ju na prom je nji ve fi zio lo{ ke pot re be do ko jih do la zi u `i- vo tu sta ni ce.

Je dan od ~es tih ti po va en zim ske re gu la ci je jest in hi bi ci ja pov rat nom spre gom, pri ko joj pro du kt me ta bo li~ kog pu ta in hi bi ra ak tiv no st od re |e- nog en zi ma na pu tu sin te ze tog produkta. Ami no ki se li na izo leu cin se pri- mje ri ce sin te ti zi ra ni zom reak ci ja po ~ev {i od treo ni na (sli ka 2-28). Pr vi ko-

62 Poglavlje 2

Koenzim Srodni vitamin Kemijska reakcija

NAD+, NADP+ niacin oksido-redukcija

FAD riboflavin (B2) oksido-redukcija

tiamin-pirofosfat tiamin (B1) prijenos aldehidne skupine

koenzim A pantotenat prijenos acilne skupine

tetrahidrofolat folat prijenos 1C-skupine

biotin biotin karboksilacija

piridoksal fosfat piridoksal (B6) transaminacija

Tablica 2-1. Primjeri koenzima i vitamina

treonin

treonin-

-deaminaza

a–ketoglutarat

izoleucin

Slika 2-28. Inhibicija povratnom spregom. Prvi korak pretvorbe treonina u izoleu- cin katalizira enzim treonin-deaminaza. Izoleucin, krajnji produkt reakcijskoga puta, inhibira aktivnost tog enzima.

inhibitor vezan na alosteri~ko mjesto

supstrat vezan u aktivnom mjestu

Akivna Neaktivna

Slika 2-29. Alosteri~ka regulacija. U prikazanom primjeru enzimsku ak- tiv nost inhibira vezanje regulacijske mo lekule na alosteri~ko mjesto. U od- sutnosti inhibitora supstrat se ve`e u aktivno mjesto enzima i reakcija te~e. Vezanje inhibitora na alosteri~ko mjesto uzrokuje konformacijsku promjenu en zima i sprje~ava vezanje supstrata. Ve}ina alosteri~kih enzima imaju vi{e podjedinica.

rak na tom pu tu ka ta li zi ra en zim treo ni n-dea mi na za ko ju in hi bi ra izo leu- cin, ko na~ ni pro du kt pu ta. Od go va ra ju }a ko li ~i na izo leu ci na u sta ni ci in hi- bi ra treo ni n- dea mi na zu, one mo gu }u ju }i na taj na ~in dalj nju sin te zu izo leu- ci na. Ako se kon cen tra ci ja izo leu ci na sma nji, pres ta je in hi bi ci ja pov rat nom spre gom i sin te ti zi ra se do dat ni izo leu cin. Re gu la ci jom ak tiv nos ti treo ni n- dea mi na ze sta ni ca sin te ti zi ra pot reb ni izo leu cin iz bje ga va ju }i ra si pa nje ener gi je na sin te zu ne pot reb no ga vi{ ka izo leu ci na.

In hi bi ci ja pov rat nom spre gom prim jer je alos te ri~ ke re gu la ci je pri ko joj se en zim ska ak tiv no st nad zi re ve za njem ma lih mo le ku la na re gu la cij ska mjes ta u en zi mu (sli ka 2-29). Na ziv »a los te ri~ ka re gu la ci ja« iz vo di se iz ~i nje ni ce da se re gu la cij ska mo le ku la ne ve ̀ e na ka ta li ti~ ko mjes to ne go na od re |e no dru go mjes to na pro tei nu (alloj=dru gi, stereoj=mjes to). Ve za- nje re gu la cij ske mo le ku le mi je nja kon for ma ci ju pro tei na zbog ko je se pro- mi je ni ob lik ak tiv no ga sre di{ ta i ka ta li ti~ ka ak tiv no st en zi ma. U slu ~a ju treo ni n-dea mi na ze ve za nje re gu la cij ske mo le ku le (izo leu ci na) in hi bi ra en- zim sku ak tiv no st. U dru gim slu ~a je vi ma re gu la cij ske mo le ku le slu ̀ e kao ak ti va to ri. Ak ti va to ri ne in hi bi ra ju ne go ci lja no sti mu li ra ju svo je en zi me.

Ak tiv nos ti enzima mo gu se ta ko |er re gu li ra ti in te rak ci jom s dru gim pro- tei ni ma ili ko va len tnim mo di fi ka ci ja ma kao {to je ve za nje fos fat ne sku pi ne

Stani~na kemija 63

fosforilacija proteina

glukoza-1-fosfat glikogen

glikogen- -fosforilaza

fosforilaza-kinaza neaktivna

serin

ADP

N H

C

O

O

N H

H C

H CC

O

CH2 CH2

OH

ADP

P

epinefrin

Slika 2-30. Fosforilacija proteina. Neki su enzimi regulirani vezanjem fosfatnih skupina na hidroksilne sku- pine bo~nih ogranaka serina (kao {to je prikazano), treonina ili tirozina. Primje- rice, glikogen-fosforilaza, koja katalizira pretvorbu glikogena u glukozu-1-fosfat, aktivira se fosforilacijom na poticaj ve- zanja epinefrina na mi{i}ne stanice.

na bo~ ni og ra nak se ri na, treo ni na ili ti ro zi na. Fos fo ri la ci ja je oso bi to ~e st me- ha ni zam re gu la ci je en zim ske ak tiv nos ti. Ve za nje fos fat nih sku pi na sti mu li- ra ili in hi bi ra ak tiv nos ti mno gih en zi ma (sli ka 2-30). Prim je ri ce, mi {i} ne sta- ni ce od go va ra ju na epi nef rin (ad re na lin) raz grad njom gli ko ge na na glu ko- zu. Na taj se na ~in osi gu ra va iz vor ener gi je za po ja ~a nu mi {i} nu ak tiv no st. Raz grad nju gli ko ge na ka ta li zi ra en zim gli ko ge n-fos fo ri la za, ko ju ak ti vi ra fos fo ri la ci ja na po ti caj ve za nja ad re na li na za re cep tor na pov r {i ni mi {i} ne sta ni ce. Fos fo ri la ci ja pro tei na ima sre di{ nju ulo gu u kon tro li, ne sa mo me ta- bo li~ kih, ne go i mno gih dru gih sta ni~ nih fun kci ja, uk lju ~u ju }i sta ni~ ni ra st i di fe ren ci ja ci ju.

Me ta bo li~ ka ener gi ja Za mno ge za da }e (prim je ri ce kre ta nje, sin te zu mak ro mo le ku la) ko je sta ni- ca mo ra oba vi ti pot reb na je ener gi ja. Zbog to ga je ve li ki dio sta ni~ nih ak tiv- no s ti us mje ren na do ba vu ener gi je iz oko li ne i na ko ri{ te nje te ener gi je za po k re ta nje ener gij ski zah tjev nih reak ci ja. Prem da en zi mi kon tro li ra ju go to- vo sve ke mij ske reak ci je unu tar sta ni ca, en zim ska ka ta li za ne ut je ~e na po- lo ̀ aj rav no te ̀ e ke mij skih reak ci ja. Za ko ni ter mo di na mi ke up rav lja ju ke mij- skom rav no te ̀ om i od re |u ju ener gij ski po vo ljan smjer svih ke mij skih reak ci ja. Mno ge reak ci je ko je se mo ra ju do go di ti unu tar sta ni ce ni su ener- gij ski po volj ne i sto ga se mo gu od vi ja ti sa mo do vo |e njem ener gi je. Za to sta ni ca mo ra nep re kid no tro {i ti ener gi ju ko ju cr pi iz oko li ne. Sto ga je stva- ra nje i ko ri{ te nje me ta bo li~ ke ener gi je bit no za cje lo kup nu sta ni~ nu bio lo- giju.

Slo bod na ener gi ja i ATP Ener ge ti ku bio ke mij skih reak ci ja mo ̀ e se naj bo lje opi sa ti ter mo di na mi- ~kom fun kci jom naz va nom Gib bso va slo bod na ener gi ja (G) pre ma Jo sia hu Wil lar du Gib bsu. Prom je na slo bod ne ener gi je (∆G) ne ke reak ci je po ve zu je

64 Poglavlje 2

u~in ke prom je ne en tal pi je (os lo bo |e ne ili ap sor bi ra ne top li ne ti je kom ke- mij ske reak ci je) i en tro pi je (stup nja ne re da ko ji nas ta je reak ci jom) pret ka zu- ju }i ho }e li reak ci ja bi ti ili ne}e bi ti ener gij ski po volj na. Sve se ke mij ske reak ci je spon ta no od vi ja ju u ener gij ski po volj nom smje ru i pra ti ih sma nje- nje slo bod ne ener gi je (∆G < 0). Raz mot ri mo prim jer za mi{ lje ne reak ci je ko- jom se A pre vo di u B:

A B. Ako je ∆G < 0, reak ci ja }e te }i u smje ru ka ko je na pi sa na. Me |u tim, ako

je ∆G > 0, reak ci ja }e te }i u sup rot nom smje ru: B }e pre la zi ti u A. ∆G reak ci je ne od re |u ju sa mo in trin zi~ ka svoj stva reak ta na ta i pro du ka-

ta ne go i nji ho ve kon cen tra ci je i dru gi reak cij ski uv je ti (npr. tem pe ra tu ra). Sto ga je ko ris no od re di ti prom je nu slo bod ne ener gi je u stan dar dnim uv je ti- ma. (Stan dar dni uv je ti pod ra zu mi je va ju da su kon cen tra ci je svih reak ta na- ta i pro du ka ta 1 M te da je pri ti sak 1 a tm). Prom je na stan dar dne slo bod ne ener gi je (∆G°) ne ke reak ci je u iz rav noj je ve zi s po lo ̀ a jem rav no te ̀ e, jer je stvar na ∆G fun kci ja ∆G° i kon cen tra ci ja reak ta na ta i pro du ka ta. Kao pri- mjer raz mot ri mo reak ci ju

A B. Prom je na slo bod ne ener gi je od re |e na je iz ra zom

DG = DG° + RT ln ¢B£/¢A£, gdje je R plin ska kon stan ta, a T ap so lut na tem pe ra tu ra.

U rav no te ̀ i je ∆G = 0 i reak ci ja se ne od vi ja ni u ko jem smje ru. Rav no- te` na kon stan ta reak ci je (K = ¢B£/¢A£ u rav no te ̀ i) pre ma gor njoj jed nad ̀ bi iz rav no ovi si o ∆G°, {to se mo ̀ e pri ka za ti kao

0 = D +RT ln K ili

D = –RT ln K. Ako je stvar ni om jer ¢B£/¢A£ ve }i od rav no te` nog om je ra (K), ∆G > 0 i reak ci- ja te ~e u sup rot nom smje ru (kon ver zi ja B u A). Na sup rot to mu, ako je om jer ¢B£/¢A£ ma nji od rav no te` no ga, ∆G < 0 pa se A pre vo di u B.

Zbog to ga prom je na stan dar dne slo bod ne ener gi je (∆G°) ne ke reak ci je od re |u je nje zi nu ke mij sku rav no te ̀ u i po ka zu je u ko je mu }e smje ru te }i reak ci ja u za da nim okol nos ti ma. Prom je na stan dar dne slo bod ne ener gi je bio ke mij skih reak ci ja obi~ no se iz ra ̀ a va kao ∆G°’, i od no si se na prom je nu stan dar dne slo bod ne ener gi je u vo de noj oto pi ni kod pH = 7, {to prib li` no od go va ra uv je ti ma unu tar sta ni ce.

Mno ge bio lo{ ke reak ci je (prim je ri ce sin te za mak ro mo le ku la) ter mo di na- mi~ ki su ne po volj ne (∆G > 0) u sta ni~ nim uv je ti ma. Za od vi ja nje tak vih reak ci ja pot re ban je do dat ni iz vor ener gi je. Raz mot ri mo prim jer reak ci je

A B ∆G = +42 kJ/mol. Pret vor ba A u B ener gij ski je ne po volj na pa reak ci ja te ~e u sup rot nom

smje ru um jes to u smje ru stva ra nja pro duk ta B. Me |u tim reak ci ju u smje ru stva ra nja B mo ̀ e pok re nu ti po ve zi va nje ne po volj ne kon ver zi je A u B s ener gij ski po volj nom reak ci jom kao {to je reak ci ja

C D ∆G = –84 kJ/mol.

Ako se po ve ̀ u ove dvi je reak ci je, ukup nu reak ci ju mo ̀ e mo zdru ̀ i va njem pri ka za ti kao

A + C B + D ∆G = –42 kJ/mol.

Stani~na kemija 65

G ve za ne reak ci je jed na ka je zbro ju prom je na slo bod nih ener gi ja po je- di na~ nih sas tav nih reak ci ja pa je ukup na zdru ̀ e na reak ci ja ener gij ski po- volj na i te }i }e kao {to je na pi sa na. Ta ko se ener gij ski ne po volj na kon ver zi ja A u B pok re }e po ve zi va njem s dru gom reak ci jom ko ja se od vi ja uz ve li ko sma nje nje slo bod ne ener gi je. En zi mi su za du ̀ e ni za pro ved bu tak vih ve za- nih reak ci ja na koor di ni ra ni na ~in.

Sta ni ca ra bi ovaj te melj ni me ha ni zam za pok re ta nje mno gih ener gij ski ne po volj nih reak ci ja ko je su nu` ne u bio lo{ kim sus ta vi ma. Ade no zi n-5-tri- fos fat (ATP) ima sre di{ nju ulo gu u tak vim pro ce si ma i dje lu je kao spre mi {te slo bod ne ener gi je unu tar sta ni ce (sli ka 2-31). Ve ze iz me |u fos fa ta u ATP po- z na te su kao »vi so ko-e ner gij ske« ve ze, jer nji ho vu hid ro li zu pra ti re la tiv no ve li ko sma nje nje slo bod ne ener gi je. Ne ma ni{ ta po seb no u tim ke mij skim ve za ma. Na zi va ju ih »vi so ko-e ner gij ski ma« sa mo zbog ve li ke slo bod ne ener gi je ko ja se os lo bo di pri go dom hid ro li ze unu tar sta ni ce. Hid ro li za ATP do ADP i fos fa ta (Pi) te ~e uz ∆G°’ =–30 kJ/mol. Pod sje ti mo se, me |u tim, da se ∆G°’ od no si na »stan dar dne uv je te«, kod ko jih su kon cen tra ci je pro du ka- ta i reak ta na ta 1 M. Stvar ne unu tar sta ni~ ne kon cen tra ci je Pi prib li ̀ no su 10-2 M, a kon cen tra ci je ATP ve }e su od kon cen tra ci ja ADP. Te raz li ke iz me |u unu tar sta ni~ nih kon cen tra ci ja i stan dar dnog sta nja po go du ju hi dro li zi ATP ta ko da ∆G za hid ro li zu ATP unu tar sta ni ce iz no si prib li` no –50 kJ/mol.

ATP se al ter na tiv no mo ̀ e hid ro li zi ra ti do AMP i pi ro fos fa ta (PPi). Os lo- ba |a se prib li` no jed na ka ko li ~i na slo bod ne ener gi je kao pri hid ro li zi ATP do ADP. Me |u tim, nas ta li pi ro fos fat u toj se reak ci ji sam br zo hid ro li zi ra uz ∆G sli~ nu hid ro li zi ATP. Na taj je na ~in ukup na prom je na slo bod ne ener gi je pri hid ro li zi ATP do AMP prib li` no dvos tru ka od ener gi je do bi ve ne hid ro li- zom ATP do ADP. Ra di us po red be, ener gi ja ve ze iz me |u {e }er ne i fos fat ne sku pi ne AMP ni je ve li ka i ti pi~ na je za ko va len tne ve ze: ∆G°’ = –14 kJ/mol.

Zbog pop rat no ga sma nje nja slo bod ne ener gi je hid ro li za ATP mo ̀ e po - kre ta ti dru ge ener gij ski zah tjev ne reak ci je unu tar sta ni ce. Prim je ri ce, pr va reak ci ja gli ko li ze (o ko joj ras prav lja mo u slje de }em pog lav lju) kon ver zi ja je glu ko ze u glu ko za-6-fos fat. Reak ci ju mo ̀ e mo pri ka za ti kao

glu ko za + fos fat (HPO4 2–) → glu ko za-6-fos fat + H2O.

Bu du }i da je na pi sa na reak ci ja ener gij ski ne po volj na (∆G° = + 14 kJ/ mol), mo ra se po ve za ti s hid ro li zom ATP da se pok re ne u na pi sa nom smje- ru (∆G°’ = – 30 kJ/mol). Zdru ̀ e nu reak ci ju mo ̀ e mo na pi sa ti kao

glu ko za + ATP → glu ko za-6-fos fat + ADP. Prom je na slo bod ne ener gi je za tu reak ci ju zbroj je prom je na slo bod nih

ener gi ja po je di na~ nih reak ci ja, ta ko da je za zdru ̀ e nu reak ci ju ∆G°’ = –16 kJ/mol {to po ti ~e stva ra nje glu ko za-6-fos fa ta.

Pos to je i dru ge mo le ku le, uk lju ~u ju }i nuk leo zi d-tri fos fa te (prim je ri ce GTP), ko je pos je du ju vi so ko-e ner gij ske ve ze pa se i one ko ris te, kao i ATP, za pok re ta nje ener gij ski zah tjev nih reak ci ja. Me |u tim, za ve }i nu reak ci ja ener gi ju do bav lja ATP. Zbog to ga su reak ci je u sta ni ci po ve za ne: one ko je os lo ba |a ju ener gi ju sa sin te zom ATP, a one ko je zah ti je va ju ener gi ju s hi - dro li zom ATP. Sto ga vi so ko-e ner gij ske ve ze ATP ima ju sre di{ nju ulo gu u sta ni~ nom me ta bo liz mu i slu ̀ e kao upo ra bi vi ob lik poh ra nje ne slo bod ne ener gi je.

Stva ra nje ATP iz glu ko ze Raz grad nja ug lji ko hid ra ta, po se bi ce glu ko ze, glav ni je iz vor sta ni~ ne ener- gi je. Pot pu na ok si da tiv na raz grad nja glu ko ze do CO2 i H2O mo ̀ e se na pi sa- ti kao

C6H12O6 +6O2 → 6CO2 + 6H2O.

komentari (0)

nema postavljenih komentara

budi prvi koji ce napisati!

ovo je samo pregled

3 prikazano na 48 str.

preuzmi dokument