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.