Bevezetes a Biokemiaba IA-Egyesitett Anyag-2012

7/29/2019 Bevezetes a Biokemiaba IA-Egyesitett Anyag-2012

1/387

Bevezets a biokmiba IA

BSc kurzus szmra

[email protected]

Elad: Pl Gbordocens


2/387

Ajnlott tanknyvek

Angol nyelv, teljes tmakrt tlel Lehninger: Principles of Biochemistry

5th ed (2008); W.H Freeman

Stryer et al.: Biochemistry

5th

ed. (2002); W.H Freeman PDF formban elkrhet! Mathews et al.: Biochemistry 3rd ed (2000); Benjamin Cummings

Magyar nyelv, az anyagcsert nem tartalmazza

Blint Mikls: Molekulris biolgia I.-III. Mszaki kiad (2000,2002)


3/387

Alapvet informcik Ktelez tananyag:

Elektronikus jegyzet, miniml-kvetelmnyekgyjtemnye (matematikai s kmiaikpletgyjtemny, defincigyjtemny)

Letlthetk innen:biokemia.elte.hu

OktatsBSc

Bevezets a biokmiba IA

Szmonkrs? rsbeli kollokvium Miniml-kvetelmnyekre vonatkoz beugrval


4/387

1. ltalnos bevezet BIOKMIA:a hrom f clkitzs

- az letfolyamatokban rsztvev molekulk szerkezetnek sfunkcijnak feltrsa, a szerkezet s funkci kapcsolatnakmegrtse: szerkezeti biokmia

- az l szervezetek anyagcserjnek, az sszes lnyeges kmiaireakcinak a megismerse: enzimkinetika s bioenergetika

- az l szervezetek felptst, mkdst s msolst biztost

kdol molekulk, s a biolgiai informci kifejezdst biztostmechanizmusok feltrsa: molekulris biolgia

MOLEKULRIS BIOLGIA:(biokmia + genetika + sejtbiolgia)"az amivel a molekulris biolgusok foglalkoznak" (F. Crick)


5/387

Az egyes fajok klsleg

rendkvli mrtkbenklnbznek

Az l szervezetek alapvetkzs vonsai kzl elsknta sejtes felptst ismertk

fel

Szintn alapvet felismersvolt, hogy az l szervezetekkmiai sszettele ishasonl

A biokmia s molekulrisbiolgia megmutatta, hogyaz l szervezetek molekulrisfelptse s mkdsealapveten azonos, az l

szervezetek kzs eredetek

Ltvnyos klsdleges eltrsek rejtett, alapvet bels hasonlsgok

denkertJan van Kessel the Younger (1626-1679)


6/387

Az l szervezetek szembetl tulajdonsgai

1. Minden szinten magasan szervezettek,

az lettelen krnyezetnl bonyolultabbak

2. Legkisebb kb. nll alkotegysgk akrnyezettl membrnnal elhatrolt sejt

3. Termodinamikai rtelemben nyltrendszerek, folyamatosan anyagot s

energit vesznek fel a krnyezetkbl

4. Kpesek sszetett felptsk s rendezettllapotuk folyamatos fenntartsra

5. Viszonylag alacsony hmrskleten,

kataliztorok segtsgvel zajl kmiaireakcik zne zajlik bennk

6. Kpesek az nreprodukcira

7. Varinsokat termelnek, termszetes

evolcival vltoznak


7/387

Az egyes kmiai elemek elfordulsi gyakorisga az:a) Univerzumban

b) Fldkregbenc) Emberi szervezetben

i

A

tbbi

8 9 13 19 20

Elem s atomszm

Atomokszma/100.000atom

Univerzum

Fldkreg

Emberi test

Kevesebb mint

0,01/100.000

Li


8/387

Kmiai elemek elfordulsa az emberi szervezetben

F alkotelemekNyomelemek

-A f alkotelemekbl naponta grammos nagysgrend,a nyomelemekbl milligrammosnagysgrend anyagbevitelre van szksg

- Az llati s nvnyi szervezetek ill. mikrbk elemi kmiai sszettele hasonl!

LantanoidkAktinidk


9/387

AzEscherichia coli baktrium vegyletsszettele

molekula

tpusatmegszzalk

(gram/100gram)

szrazanyag

tmegszzalkmolekulaflesgek

szma

vz 70 - 1

fehrje 15 50 kb. 3000 !

nukleinsav 7 23 kb. 1000 !DNS 1 3 1 (genom DNS)

RNS 6 20 kb. 1000

sznhidrt 3 10 50

lipid 2 7 40

szerves

ptkvek2 7 500

szervetlen

ionok

1 3 12


10/387

Az l szervezetek legjellegzetesebb anyagaia makromolekulk, nukleinsavak, fehrjk spoliszacharidok, melyek monomer ptegysgekblkeletkeznek. A nukleinsavak s a fehrjk lineris

polimerek.

A monomerekviszonylag egyszer felptsek, saz lvilgban univerzlis elfordulsak.

Az informcit, s a faj-specifitst a monomerek

sorrendje hordozza.

Kevs elem (DNS-nl 4, fehrjknl 20) nagyszmsorozata risi variciszmot jelent, hatalmasmennyisg informcit kdolhat. Rendezettlineris szekvencik esetn egy kicsi, nyolctag

DNS-bl 48, azaz 65536-fle oktamer, egy8 aminosavas peptidbl 208, azaz 25,6 millirdklnbz oktamer varins ltezhet!

Azonos elemekazonos elven val sszekapcsolsafajonknt ms s ms zenetet eredmnyezhet.

Az angol

ABC

beti(26-fle)

Deoxiribo-

nukleotidok

(4-fle)

Aminosavak

(20-fle)

Monomer egysgek

Angol

szavak

Dezoxiribonukleinsav

(DNS)Fehrje

Rendezett lineris szekvencik


11/387

Az l szervezetek folyamatos energiafelhasznls rn kpesek fenntartani

krnyezetktl lnyegesen eltrkmiai sszettelket.

Pl. egy desvzi hal szervezetben a Cl-, K+vagy Na+ionok koncentrcija jvalmagasabb, mint a krnyez vzben.

Az l szervezetben olyanmakromolekulk (fehrjk, zsrok,nukleinsavak stb.) vannak, melyek

gyakorlatilag nincsenek jelen a vzben.

Az l szervezet teht ilyen rtelembennincs egyenslyban a krnyezettel.A hall belltval megkezddik akmiai egyensly kialakulsa.


12/387

ALAPELVEK

DNS mint rktanyag (+ RNS vrusok, prionok) Informciramls: DNS RNS fehrje

(centrlis dogma, Francis Crick)

Lineris informci trbeli szerkezet specifits, funkci


13/387

Makromolekulk nszervezdse (trszerkezet,

szupramolekulris komplexek)

Biomolekulk interakcija msodlagosktsekkel,specifikus, dinamikus molekulris felismers

Interakcik ltal induklt konformci-vltozsok

Biokataliztorok: enzimek, ribozimekATP mint szabadenergia valuta

Molekulris gpek(riboszma, repliszma, proteaszma stb.)

Molekulris motorok(kemomechanikai energia transzdukci)


14/387

DIMENZIK A BIOKMIBAN

10-10 m 10-9 m 10-8 m 10-7 m 10-6 m 10-5 m1 1 nm 1 m

ATOMOK MAKROMOLEKULK SEJTEKMOLEKULK KOMPLEXEK

C-C kts hemoglobin fnymikroszkp vrsvrtest

glkz riboszma baktrium

MRET

1 nm

kimotripszin glicin


15/387

ID

sec 10-12 10-9 10-6 10-3 1 103(ps) (ns) (s) (ms)

fehrjk domn-mozgsa enzimreakcik baktrium generci

primer lts szignl DNS kitekereds fehrje szintzis

kcal/mol 0,1 1 10 100 1000

kJ/mol 1 10 100 1000

ENERGIA

nem-kovalens kts zld fny glkzhmozgs ATP C-C kts


16/387

BIOMOLEKULA Mret(nm)

Tmeg*(Dalton) (pg)

Vz 0,3 18Alanin 0,5 89

Glkz 0,7 180Foszfolipid 3,5 750

Ribonuklez (kis fehrje) 2 12.600Immunoglobulin G 14 150.000

Miozin (nagy fehrje) 160 470.000

Riboszma 18 2.520.000X174 bakteriofg 25 4.700.000Piruvt-dehidrogenz (multienzim komplex) 60 7.000.000Dohny-mozaikvrus 300 40.000.000 6,7x10-5Mitokondrium 1.500 1,5

E. coli sejt 2.000 2

Kloroplasztisz 8.000 60

Mjsejt 20.000 8.000

A molekulatmegegysge a Dalton (vagy makromolekulknl kDa), definci szerint a12C sznizotp tmegnek 1/12-ed rsze.

A relatv molekulasly (Mr)dimenzi nlkli szm, a molekulatmeg s a 12-es

sznizotp tmege 1/12-ed rsznek hnyadosa.


17/387

A sejtek molekulris felptse

hierarchikus

Krnyezeti prekurzorok, intermedierek

vzacett formamid


18/387

ptkvek (pl. nukleotidok, aminosavak,

monoszacharidok, zsrsavak, glicerin stb.)

Cisztein -D-glkz


19/387

MAKROMOLEKULK (>1kDa)

poliszacharidok

pl. kemnytRNS-ek

pl. tRNS

DNS

lipidek

(nem makromolekulk,de modulris felptsek)

pl. membrn foszfolipidek

fehrjkpl. hexokinz


20/387

Szupramolekulris komplexek

riboszma, sejtvz, multi-enzim komplexek, vrusok stb.

aktin

filamentum 29 fgRiboszma 50S alegysg

1600 kD


21/387

E. coli sejt (~106 nagyts)

sejt trfogata: 2x10-12 cm3

E. coliRiboszma

Fehrje

mRNS tRNS DNS

Lipopoliszacharidok

Foszfolipid

Lipoprotein

Peptidoglikn

Flagellum


22/387

Genomok informcitartalma

Faj Genom (Mbzis) Gnek szma

Homo sapiens 3200 20.000

Arabidopsis thaliana 115 25.500

C. elegans 97 19.100

D. melanogaster 120 13.600

S. cerevisiae 12 6.300

Escherichia coli 4,6 3.200

Haemophilus influenzae 1,8 1.700

ismert genomok: ~1630 eubaktrium, 116 archea, 37 eukarita

(2011)


23/387

2. KMIAI ALAPOK-1Az l szervezetek alapvetvegylet-tpusai,

a szn kzponti szerepe,konfigurci s konformci,

az l szervezetek f kmiai reakcii


24/387

Kmiai elemek elfordulsa az emberi szervezetben

F alkotelemekNyomelemek

- A f alkotelemekbl naponta grammos nagysgrend, a nyomelemekblmilligrammnyi nagysgrend anyagbevitelre van szksg

- Az llati s nvnyi szervezetek ill. mikrbk elemi kmiai sszettele hasonl!


25/387

A leggyakoribb biogn elemek,s nhny kovalens vegyletk

A prostatlanvegyrtk elektronok

(piros) szma

Elektronszma kls hjonha az teltett

H2 molekula

vzmolekula

ammnia

metn

hidrognszulfid

(knhidrogn)

foszforsav

A H, O, N s Ca legkisebb rendszmolyan biogn elemek, melyek rendre1 (H), 2 (O), 3 (N) s 4 (C) ktst kpesekltrehozni. Ezek egytt kb. 99%-t

adjk az l szervezet tmegnek!


26/387

A szn kzponti szerepe

A sznatom kpes mind a ngy f biognelemmel (C, O, H, N) stabilis kovalens

ktst ltesteni

Kpes egyes, ketts s hrmas ktsre,ezrt kpes egyszerre 1, 2, 3 vagy 4msik atommal ktst ltesteni (CO; CH4).

Mivel akr vgtelen szm C atom issszekapcsoldhat, (lsd gymnt vagy

grafit), a ltrehozhat szerves molekulkszma risi. (Tbb milli ismert molekula!)

A kapcsold atomtl fggen a kovalenskts polrossga s ezrt reaktivitsa

eltr lehet: nagyfok variabilits fizikaitulajdonsgokban s kmiai reaktivitsban

Az l szervezetek kmiai felptse a sznkr szervezdik. A sejtek szrazanyag

tartalmnak tbb mint a fele szn.

A biomolekulkban elfordul leggyakoribb


27/387

A biomolekulkban elfordul leggyakoribbfunkcis csoportok neve s szerkezeti kplete

Hidroxil

(alkoholos)

Karbonil(aldehid)

Karbonil

(keton)

Karboxil

Metil

Etil

Fenil

Amino

Amido

Guanidino

Imidazol

Szulfhidril

Diszulfid

Foszforil

szter(karbonsav s alkohol)

Tioszter

ter

Karbonsav anhidrid

Vegyes sav-anhidrid

(karbonsav sfoszforsav,

acil-foszft)

Foszforsav anhidrid

A biomolekulk kmiai tulajdonsgait a funkcionlis csoportjaiks ezek trbeli elrendezdse hatrozzk meg


28/387

A biomolekulk szerkezete feloszthat funkcis csoportokra

Hisztidin Adrenalin

Acetil Koenzim-A

karboxil

amino

+amino

amido amidotioszter

hidroxil metil

metil

metil

fenilhidroxil

amino

imidazol

imidazol

foszforil

foszforsavanhidrid

A funkcis csoportok milyensge s trbeli elrendezdseegyttesen szabja meg a biomolekula kmiai tulajdonsgait

hidroxilok


29/387

Ngy azonos ligandumesetn ezek szablyosan,tetraderesen helyezkednek el

Az egyesktsek (szigmakts)krl szabad rotci lehetsges

A C=C kettskts esetn ahat atom egy skban helyezkedikel, rotci a kettsktsmentn nem megengedett

A C-C ktseken keresztl ltrejhetnek:- lineris C-vzak- elgaz C-vzak

- gyrs C-vzak

Vltozatos C-vzakonvltozatos funkcis csoportokH, N, O, P, S atomokkal


30/387

Elem Az atom

Van der Waals

sugara (nm)

Egyszeres

kovalens kts

sugara (nm)H 0.1 0.030

O 0.14 0.074

N 0.15 0.073

C 0.17 0.077

S 0.18 0.103

P 0.19 0.110

I 0.22 0.133

Atom sugara:az atom kzppontjtl szmtott azontvolsg, amin bell ms atom nem kerlhet, kivveha a kt atom kztt kovalens kts van

Kovalens kts sugara:atomok kzppontja kzttitvolsg fele, amikor az atomok kztt kovalens

kts van Alanin

szerkezeti kplet

plcika s goly modell

trkitlt modell van der Waalssugarak s kts sugarak alapjn


31/387

Szerves vegyletek hromdimenzisszerkezetbl add sajtossgok

KONFIGURCIs KONFORMCIAzonos szerkezeti kplettel rendelkez vegyletekben az egyesatomok kapcsoldsi sorrendje ugyan azonos, de az atomokegymshoz kpesti trbeli elrendezdse, vagyis sztereokmija,lehet eltr.

A kizrlag sztereokmijukban eltr molekulk egymssztereo-izomerjei

KONFIGURCI:a molekuln belli atomoknak olyan rgztett

trbeli elrendezdse, mely csak kovalens ktsek ideiglenesfelbontsa rn vltoztathat meg.

KONFORMCI:a molekuln belli atomok olyan elrendezdse,mely egy msik (konformcis) llapotba ktsek krli rotcikkal

tvihet


32/387

KONFIGURCI 1.ketts ktsek miatti geometriai,cisz-transz izomria

A kettskts krl nincs szabad rotci,ezrt az albbi kt vegylet csak ktsbontsonkeresztl alakulhat t egymsba

Maleinsav (cisz) Fumrsav (transz)

Azonos sszettel,azonos szerkezeti kplet,azonos funkcis csoportok,de eltr trbeli szerkezet,eltr fizikai s kmiai jellemzk.

KONFIGURCI 2


33/387

KONFIGURCI 2.kirlis centrumok miatti izomria

Ha egy sznatom krl ngy klnbz funkcionlis csoport van, akkor ezekktfle mdon rendezhetk el trben. Az egyik forma a msik tkrkpe, s ezek nemvihetk t egymsba forgatssal. Az ilyen molekulk egyms enantiomer-jei.Egyetlen kirlis centrumesetn kt sztereoizomerltezik, mg n kirlis centrumesetn 2n-fle sztereoizomervan. Ezek rendre enantiomer prokat alkotnak.Azok a sztereoizomerek, amelyek egymsnak nem enantiomerjei, a diasztereomerek.

Kirlismolekula:Forgatssalnem vihett a molekulaa tkrkpbe

Akirlis

molekula:Az eredeti

molekula stkrkpeforgatssalegymsbatvihetAz eredeti

molekula

Az eredeti

molekula

tkrkpimsa

Az eredeti

molekula

tkrkpimsa

Az eredeti

molekula


34/387

Plda konfigurcis izomerekre kt kirlis centrum esetnKt kirlis centrum esetn (n =2) 2n, teht ngy sztereoizomer van.Ezekkt enantiomer prt, s ngy diasztereomer prt alkotnak.

Diasztereomerek (nem tkrkpek !)

Az enantiomer proka legtbb kmiai reakciban ill. fizikai tulajdonsgbanszinte megegyeznekegymssal. Ms kirlis anyaggal azonban eltrenhatnak klcsn! A biolgiai makromolekulk kirlisak. Az enantiomer prokbiolgiai hatsa eltr. A polarizlt fny kirlis. Az enantiomer prok tagjai

ellenttes irnyba forgatjk a skban polarizlt fnyt.

Enantiomerek (tkrkpek)Enantiomerek (tkrkpek)

Diasztereomerek (nem tkrkpek)


35/387

A konfigurci egyezmnyes, egyrtelm jellse

1. A funkcis csoportok rangsorba lltsa a C-atomhoz kapcsold atom rendszmaalapjn: OCH3 >OH> NH2> COOH > CHO > CH2OH > CH3> H

2. A legkisebb rangt trben htratesszk, a maradk hrmat pedig elre, kzlka legrangosabbat fels pozciba lltjuk.

3. Nvekv sorrendben leolvassuk az ells hrom csoport rangsort.Ha a leolvass jobbra, ramutat jrsval azonos irnyba indul, akkor

R (rectus), ha balra akkor S (sinister) a konfigurci.

ramutat jrsvalegyez, R

ramutat jrsvalellenttes, S

2R, 3R-Borksav

(jobbra forgat)

2S, 3S-Borksav

(balra forgat)

A kt borksav-izomer egymsenantiomere. Aszimmetrikus, egymshozkpest tkrkpi kristlyokat alkotnak,gy egymstl elvlaszthatk.A polrozott fnyt ellenttesen forgatjk.Louis Pasteur, 1843


36/387

A kirlis makromolekulkon alapul szagls s zlels asztereoizomereket knnyen megklnbzteti

(R)-Karvol

fodormenta illatanyaga

(S)-Karvol

kmnymag illatanyaga

L-Aspartil-L-Fenialanin-metilszterdes

(Aszpartm, NutraSweet)

L-Aspartil-D-Fenialanin-metilszterkeser


37/387

Konformci

Az atomok molekuln belli olyan eltr trbeli elrendezdse, ahol az egyik

(konformcis) llapotbl a msikba kovalens ktsek felbontsa nlklt lehet kerlni. Az egyes konformcis llapotok eltr energiaszinteketjelentenek.

Plda: az etn konformcis llapotai. tfed, s keresztez llapotok.

A klnbz konformcis llapotok kzttltalban kicsi az energia-klnbsg, s kicsiaz talakulshoz szksges aktivlsi energia,ezrt egyikbl a msikba ugrl a molekula.A klnbz konformcis llapotban lvformkat egymstl elvlasztani csak nagyaktivlsi energia klnbsg esetn lehet.

Potencilis

energia(kJ/mol)

Torzis szg (fokokban)

tfed keresztez

A k i k ik k l kt k


38/387

Nhny elem elektronegativits rtke

elem elektronegativits

A kmia reakcik kovalens ktsekfelbomlsval, s j ktsek ltrejttveljrnak.A molekula ill. csoport reaktivitsa fgg afelboml ktsek erssgtl, vagyis a

ktsi energitl (a kts felbontshozszksges energia).Az atomok kztti kovalens kts energijafgg a ktst kialakt atomok relatvelektronegativitstl, a ktelektronokmindkt atommaghoz kpesti tvolsgtls az egyes atomtrzsek tltstl.

Biomolekulkban elfordul ktsek erssge

Kts tpusa Ektsi (kJ/mol) Kts tpusa Ektsi (kJ/mol)

egyes kts ketts kts

hrmas kts

Kovalens ktsek erssge


39/387

Az l szervezetekben lejtszd f ltalnosreakcitpusok

Oxidci-Redukci

C-C kts hasads ill. kpzds

Molekuln belli trendezds

Csoport transzfer

Kondenzci vzkilpssel


40/387

Alknok -4-tl (CH4) 0-ig (csak C-C kts)

Alkoholok

Aldehidek

Karbonsavak

Szndioxid

Vegylet tpusa A sznatomoxidcis szma

-1

+1

+3

+4

Oxidci-Redukci


41/387

Egy tipikus oxidcis-redukcis reakci

Tejsav PiroszlsavTejsavdehidrogenz

enzim

(Az bra a koenzimet nem mutatja)

(0) (+2)

C-C (vagy egyb) kts hasads nukleofil szubsztitcival


42/387

C-C (vagy egyb) kts hasads nukleofil szubsztitcival

Homolitikus

hasads,a szervezetben ritka

Heterolitikus

hasads

Reaktv karbon gykk

Karbanion Karbokation

Nhny nukleofilknt mkdfunkcionlis csoport ill. molekula

Vz

Hidroxid ion

Hidroxil (alkoholos)

Alkoxil

Szulfhidril

Szulfid

Amino

Karboxilt anion

Imidazol

Anorganikus ortofoszft ion

Cskken erssgbe rendezve. A gyengbbnukleofil csoportok jobb tvoz csoportokTvoz

csoport

Nukleofil tmad

csoport

Ez tvozik, s egyelektronokban gazdag nukleofilcsoport lp be helyette. A tvozcsoport is nukleofil, de gyengbb,

mint a belp csoport

ltalnossgban

A karbokation

elektrofil


43/387

Ktfle nukleofil szubsztitcis reakcimechanizmus,ktfle vgeredmny

(a) SN1 reakci (b) SN2 reakci

Karbokation

kztes termkPentakovalens

kztes termk

A konfigurcimegrzdik, vagy

racm keverkkeletkezik

A konfigurcimegfordul


44/387

Intramolekulris trendezds

Az elektronok s protonok molekuln belli jra-elosztsval zajlik

Glkz-6-foszft Fruktz-6-foszft

Enediol intermedier

Foszfohexzizomerz enzim

B1bzisknt protontvesz el

Ez C=C kettsktskialakulst tesz

lehetv

A karbonilrl szrmazelektron protont vesz fel

a H-B2csoportrl,s egy OH csoportkeletkezik

B1 elveszi a

msikOH protonts C=O ktskeletkezik

A C=C ktselektronja tvozik,s felvesz egyprotont a H-B1

molekultl


45/387

Csoport transzfer reakcik

Reakci kztestermkek aktivlhatk gy, hogy egy eredetileg rossz tvozcsoport, pl.OH helyett egy j tvoz csoport, pl. anorganikus foszft kpzdik

a molekuln. Az ATP-rl foszforil csoport kerl nukleofil szubsztitcival aglkz OH-ra, (az ADP a tvoz csoport) s gy a jl tvoz foszft alakul kia keletkez glkz-6-foszft molekuln.

Adenin

Adenin Ribz

Ribz

Glkz

Glkz-6-foszftfoszft szter


46/387

Kondenzcis reakcik vzkilpssel

A makromolekulk vgs soron vzkilpses kondenzcis reakcival keletkeznekegyszer monomerekkel. A kondenzcis reakcik mechanizmusa azonban

nem ilyen egyszer, mert az OH csoport rossz tvoz csoport. Az OH csoportotaktivlni kell.

Glicin Glicin

Glicil-glicin


47/387

szterktssel aktivlt aminosav

Egy aminosavval hosszabb polipeptid

Glicinnel kezdd polipeptid

tRNS

tRNS

Az aminosavak polipeptidd kondenzlsa (fehrjeszintzis)tRNS-hez kttt aktivlt aminosavakon keresztl zajlik


48/387

3. KMIAI TTEKINTS-2

A msodrend ktsek s a hidrofb effektus

jellemzse s szerepk bemutatsa. A vz tulajdonsgai s biolgiai jelentsge.

Ionegyenslyok, a Henderson-Hasselbalch egyenlet.


49/387

Nem-kovalens klcsnhatsok vizes oldatokban

Kovalens klcsnhats:atomok kztt, kzs elektronpron keresztl,eredmny: molekulk. A kovalens klcsnhatsok (ktsek) rendszerint ersek. Ktsi

(sztszaktshoz szksges) energia ~ 300-700 kJ/molpl. C-C kts 356 kJ/mol (1,54 ); O-H kts 460 kJ/mol (0,96 )

Nem-kovalens klcsnhatsok:ionok s molekulk kzttimsodlagos kterk. Ezek miatt ltezhet folyadk s szilrd fzis.(Felfedezsk van der Waals nevhez fzdik. Relis gzok nem-idelis voltnakvizsglata, 1873)

Tipikus ktsienergia tartomny ~ 0,5-40 kJ/mol

Tkletes gz esetn a molekulk hmozgsban megmutatkoz tlagoskinetikai energija (NAkT) 25oC-on: 2,5 kJ/mol

Minden nem-kovalens klcsnhats vgs soron elektrosztatikusjelleg, s a Coulomb trvny alapjn rtelmezhet! (lsd ksbb)


50/387

Polros Apolros molekulkElektronegativits (X):ktsben lv atom elektronvonz kpessge

(Mulliken 1934 X=(EI-EA)/2, EI: ionizcis energia, legknnyebben leszakthat elektroneltvoltshoz szksges energia, EA: elektronaffinits, negatv tlts ion kpzdsnlfelszabadul (negatv) vagy ehhez elhasznld (pozitv) energia. Mrsi nehzsgek miatthelyette Paulingltal bevezetett tapasztalati, ktsi energikbl meghatrozott rtkekpl. H 2.1 (def.), Alkli fmek0,7-1,0; Halognek2,2-4,0; C 2,5; O 3,5; Nemesgzok 0

Kmiai ktsektpusai: DX < 0.6: apolros kovalens kts, (pl. H2, O2, Cl2, CH4)0.6 < DX < 2.1:polros kovalens kts (pl. HCl, H

2

O, CCl4

)

2.1 < DX : ionos kts (pl. NaCl, HF, MgCl2)

Polros molekulk:molekult alkot atomok kzttpolros ktseksnem-szimmetrikus szerkezet pl. HCl, H2O

Eredmny: lland tltsklnbsg,permanens diplus momentum, q x r,

ahol q a szeparlt tlts, s r a tltstvolsg.

Apolros molekulk:molekult alkot atomok kztta) vagy nem-polros ktsekpl. I2, H2,b) vagypolros ktsek, de szimmetrikus a szerkezet, pl. CCl4.Nincs permanens diplus momentumuk, de induklhat bennk diplus


51/387

Nem-kovalens klcsnhatsok osztlyozsa:

rvid hattv taszts,

ion-ion, ion-dipl, ion-induklt dipl,dipl-dipl, dipl-induklt dipl,

induklt dipl-induklt dipl (London-fle diszperzis klcsnhats).

Rendszerint a nett semleges tlts csoportok kztti klcsnhatsokat

(amiben nem vesznek rszt ionok) hvjk

van der Waals-klcsnhats-oknak

specilis esetek:

a) hidrogn hidas klcsnhats,

b) hidrofb effektus (csak vizes kzegben jelentkez klcsnhats)


52/387

Rvid hattv tasztsMinden molekula kztt jelentkezik!Oka: a kls elektronhjak nem fedhetnek t (a Pauli elv miatt).Tasztsnl az energia-tvolsg fggvnye 1/r12, teht az atomokill. molekulk felsznnel rendelkez merev testekknt viselkednek, tkznek.Mretket avan der Waals sugrjellemzi, felsznk avan der Waals felszn

Energia

Vonzs

Taszts

van der Waals

sugarak sszege

optimlisvan der Waals

ktstvolsg

atomok tvolsga (r)

a vonzstjellemz grbehelye s alakjaanyagfajtnknt

eltren alakul

trkitlt modell, van der Waalssugarak alapjn

Alanin

A klcsnhats tpusa Modell Plda Energia tvfggs


53/387

(a) Ion-ion

Leghosszabb hattv, nem irnyfgg

(b) Ion-diplus

Erssge fgg a diplus irnytl

(c) Diplus-diplusErssge fgg a kt diplusegymshoz kpesti irnytl

(d) Ion-induklt diplusErssge fgg az induklt molekulapolarizlhatsgtl

(e) Diplus-induklt diplusErssge fgg az induklt diplusmolekula polarizlhatsgtl

(f) London fle diszperzis effektusFluktul rszleges tltsek klcsnsszinkronizcija. Nagyon rvidtv.

(g) Rvidtv tasztsElektronplyk tfedsekor, rendkvlrvidtv, meredek tvolsgfggvny

(h) Hidrognhidas klcsnhatsElektrosztatikus, rszlegesen

kovalens, fix hattvolsg Donor Akceptor H-ktstvolsgaFix ktstvolsg


54/387

Pontszer tltsek klcsnhatsi energijra vonatkozCoulomb trvny:

k : arnyossgitnyez

q1, q2: a kttlts (azonos tltseknl E pozitv,taszts)

D: a kzeg dielektromos llandja(rnykolskpessg)

vkuumban D = 1.0, vzben D = kb. 80 (!)

Ion-ion klcsnhats(shd,skts)

- Coulomb trvny elvileg legegyszerbb esete. (lsd NaCl kristly)

- viszonylag enyhe E-tvolsgfggse: (1/r), vagyis nagy tvolsgbanhatsos

- tlagosktshossz: ~ 0,25 nm (2,5)- A ktsi energia ersenfgg a kzeg dielektromos llandjtl!

Vizes oldatban sokkal gyengbb, mint apolroskzegekben ~ 5-20 kJ/mol.

- Az ion-ion klcsnhats nem irnyfgg

Problmk:

- A Coulomb trvny pontszer tltsekre alkalmazhat, atomok,atomcsoportok esetben a szmolt energia csak ezek mretnl jvalnagyobb tvolsgokesetn pontos.

- A dielektromos lland szigoran csak absztrakt homogn kzegrevonatkoztathat (helyi krnyezet soha nem homogn).

rD

qqkE

21

2

21

rD

qqkF


55/387

van der Waals klcsnhatsok dipl-dipl (1/r3) pl. peptidktsekkztt

dipl-indukltdipl (1/r5)

London-flediszperzis (1/r6) pl. apolrosoldallncokkztt Erssge: 0,5-10 kJ/mol; Ktshossz:alig nagyobb, mint a kt

vdW-sugr sszege (0,2-0,3 nm)

Nagyon rvidtv gyenge klcsnhatsok.

Sztrikus(trszerkezeti)komplementaritsfontossga!

sszeadd(additv)hats: minltbb csoport vesz benne rszt,annlersebb lehet.

Kristlyszerkezetek mutatjk,

hogy ers fehrje-ligandumkts esetn a ligandum s afehrje szorosan illeszkednekegymshoz.

Ellenanyaghoz ktd

peptid antign


56/387

Hidrogn-hidas klcsnhats(hidrogn-kts)

elektrosztatikus dipl-diplklcsnhatsfontossga miatt klncsoportknttrgyaljk

donor csoport:nagy elektronegativits atomhoz (pl. O, vagy N)kttt H atomot tartalmaz. Polros,enyhn savasjelleg.

akceptor csoport: nemktelektronprthordoz atomottartalmaz (pl. N, O, esetleg S)

energija: ~ 10-30 kJ/mol

ktshossz: ~ 0,25-0,30 nm, a rvidebb kts ersebb.

Br a kts maga a H s az akceptor atom kzttjnltre, a H-kts tvolsga alatt a donor-akceptortvolsgotrtjk.

ersenirnyfggsrszben kovalensjelleg


57/387

Hidrogn

donor

Hidrogn

akceptor

Hidrogn

donor

Hidrogn

akceptor

H-kts elmletileg akkora legersebb, ha a donoratom, a H atom s az

akceptor atom egyvonalbanhelyezkednek el.

Fehrjk belsejben gyakrantallni nem-idelis, st elgazH-hidakat.

A H-ktstvolsga

itt a definciszerint 2,9

MOLEKULRIS FELISMERS


58/387

MOLEKULRIS FELISMERSGYENGE KTSEKKEL

Ha E = 4,2 kJ/mol (1 kcal/mol), T = 298 K (R = 8,3 J/mol/K)

1 gyenge kts Lk/Lt = 0,84 2 gyenge kts L

k/L

t= 0,97

3 gyenge kts Lk/L

t= 0,994

A kts stabilitsa (a kttt molekulk arnya, Lk/L

t) exponencilisan

nvekszik a kts erssgvel.

L+ P LP (L: ligandum, P: fehrje)

A Boltzmann-eloszls alapjn:(L

szs L

k: szabad s kttt ligandum)

RTE

RT

E

kk

k

szk

k

T

k

szkT

RT

E

kszRT

E

k

sz

eeLL

L

LL

L

L

L

LLL

eLLeL

L

DD

DD

1

1

LIGANDUM KTS ERSSGE


59/387

LIGANDUM KTS ERSSGEk1

L+ P LPk-1

Kd: disszocicis lland (10-310-15 M) (ezt is hvjk affinitsnak)Ka: asszocicis lland (M

-1

) (ktsi lland, affinits)

Fehrje Ligandum Kd (M)

avidin biotin 1 x 10-15

inzulin receptor inzulin 1 x 10-10

anti-HIV IgG gp41 4 x 10-10

kalmodulin Ca2+ 3 x 10-6

lektin poliszacharid 1x10-6

lektin monoszacharid 1 x 10-3

(Kd > 1 M, gyenge kts)

(Kd < 1 nM, ers kts)

egyenslyban:

1

1

1

1

11

1

k

k

LP

PL

KK

K

PL

LP

k

kLPkPLk

a

d

a


60/387

A vz tulajdonsgai s biokmiai szerepe llnyek testtmegnek legalbb 70%-a vz

Vzmolekulk kztt ers klcsnhats, hiszen molekulamrethez kpestklnlegesen magas olvadspont (fagyspont), forrspont s prolgsh jellemzi

Olvadspont (C) Forrspont (C) Prolgsh (J/g)

Vz (HOH) 0 100 2,260

Metanol (CH3OH) -98 65 1,100

Polris, diplus momentuma

1,85 Debye

A kt H atom s a kt nemkt elektronpr tetraderesen helyezkednek el


61/387

Akceptor s Hatom tvolsga

0,177 nm

kb. 20 kJ/mol

Kovalens kts0,096 nm

kb. 460 kJ/mol

A jg szerkezett tetraderesen elrendezettvzmolekulk adjk.A jg srsge 0,92 g/cm3, teht kisebb,mint a folyadk halmazllapot vz.

(Maximlis srsg 1,0 g/cm3 4 C fokon.

A donor-akceptor tvolsg,teht a H-hidas kts hossza

0,273 nm = 2,73


62/387

Folykonyvz: tlagosan 15%-kal kevesebb H-hd

~3,4 H-hd / molekula

dinamikus, fluktul szerkezet (2x10-11 sec)(50 millirdvltsmsodpercenknt!)


63/387

A vz, mint oldszer

Lvn ersen polros, s H-hidakat kpez, ionokkal s polros

molekulkkal energetikailag kedvez msodlagos klcsnhatsokrakpes, gy ezeket oldja

Sk oldsa

HidratltNa+ ion

HidratltCl- ion

A polros vzmolekulk

hidrtburkot kpeznekaz ionok krl

Polros vegyletek oldsa


64/387

Polros vegyletek oldsa

- A vz dipl-dipl klcsnhatsokon keresztl oldja a polros vegyleteket.- Mivel maga is kpes H-hidas klcsnhatsra, ezrt vizes oldatban a

polros vegyletek kztti H-hidak rendszerint nem stabilak (hasonlanahhoz, ahogy az ionos klcsnhatsok sem stabilak, lsd sk oldsa).

- A polros vegyletek vzzel elegyednek, ezrt vz-kedvelk, vagyishidrofilek.


65/387

Polros s apolros csoportok

nhny jellegzetes biomolekuln

Polros csoport

Apolros csoportGlkz

Aszparaginsav(aminosav)

Fenilalanin

(aminosav)

Foszfatidil szerin

(foszfolipid)

Glicerin

Egy tipikus viasz

Tejsav

Glicin(aminosav)

POLROSAK

APOLROS

AMFIPATIKUS

A HIDROFB HATS


66/387

Az apolros anyagok vzben rosszul olddnak, ezrt ezeketvzgyllnek, vagyis hidrofb anyagoknak hvjuk. Az ilyen

apolros csoportok krl a vz rendezdni knyszerl, n. klatrtszerkezetjnltre. A vzmolekulkegymssallpnekkapcsolatba.

A hidrofb anyagok ltszlag a hasonl a hasonltszereti alapon inkbb egymssal lpnekklcsnhatsba, nem pedig a vzzel.

Ez a jelensg a hidrofb hats (hydrophobic effect).

Valjban kt effektus sszege okozza ezt ajelensget.

1. A vzmolekulk kztti klcsnhats ersebbmint a vzmolekula-apolros molekula kzttiklcsnhats (entalpival kapcsolatos tnyez).Ezrt a vzmolekulk mintegy kizrjk azapolros molekulkat.

2. Az apolros molekulk krl a vzmolekulkrendezett mdon helyezkednek el, ami kedveztlen

hiszen loklis entrpia-cskkenst jelent.

A HIDROFB HATS

Hidrofil

fejcsoport


67/387

Gyorsan fluktulH-hidak az oldatfzis

belsejben, avzmolekulk kztt

Rendezett vzmolekulk

a polros-apolroshatrfelsznen

1. Minden lipid apolrosrsze krl vzmolekularendezds zajlik, sok

vzmolekula ktdik

2. Ha az apolros rszekegymshoz rendezdnek,kevesebb vz rendezdik

3. A vzmolekulk ill. azapolros rszek egymstlelvlnak, trbeli micellajn ltre

Az amfipatikus molekulkmicellkat kpezve olddnak.Az apolros rszek a hidrofbhats miatt kizrdnak a vizes

fzisbl, mg a polrosrszek a vzzel dipl-dipl

klcsnhatsba lpnek

fejcsoport

IONEGYENSLYOK


68/387

IONEGYENSLYOK

Vz ionokra disszocil: H2O H+ + OHH+ + H2O H3O

+Keq = [H

+]x[OH] / [H2O] egyenslyi lland

trendezve:

Keqx [H2O]= [H

+

]x[OH

-

]mivel [H2O] gyakorlatilag lland (55,5M), ezrt a Keq[H2O] szorzat is lland, vagyis a [H+]x[OH] szorzat islland.

Ez a vz-ionszorzat

Kvz = [H+]x[OH]=1,0x10-14M2 (25C)

A vz semleges, teht [H+] = [OH] = 10-7 M

definci: -log10[H+]=pH

Kmiailag tiszta vz gyengn ugyan, de vezeti az ramot:vezetkpessgmrsbl ionkoncentrcija meghatrozhat

Proton jumping

(ugrls): a H-hd

hlzat kvetkezmnye

Gyors proton transzferreakcik

Proton ugrs

1 M NaOH


69/387

pH skla

hipszalmikszesz

szdiumbikarbont

tengervzvr, knnynyl

feketekv

srvrsborklacitromlgyomorsav

1M ssav

semleges

egyrebzikusabb

egyresavasabb

Sav bzis reakcik vizes kzegben:


70/387

Sav-bzis reakcik vizes kzegben:- Arrhenius: sav az, ami disszocilva protont ad le, bzis az, ami OH- iont

ad le. Ezek szerint az ammnia nem lenne bzis!

- Brnsted & Lowrymegfigyelse (1923): a savak ill. bzisok erssgefgg az oldszertl, mert az oldszer rszt vesz a sav-bzis reakcikban.

- j defincijuk: sav az, ami protont ad le (pl. az oldszernek), ill. bzisaz, ami protont vesz fel (pl. az oldszertl).

HA: ltalnos sav (proton donor);H2O bzis (proton akceptor)H

3O+: konjuglt sav (proton donor);

A: konjuglt bzis (proton akceptor)

HA + H2O H3O+ + A

Ms szval a Keqa kt konjuglt sav-bzispr(HA/A) s (H3O+/H2O) relatv proton-affinitsaitfejezi ki. Ers sav: Keq > 1.0pl. saltromsav 1,2; knsav 103; ssav 107

OH

OH

HA

A

OHHA

AOHKeq

3

22

3

Sav-Bzis egyensly


71/387

Sav Bzis egyensly

mivel

Hg oldatokban ill. gyenge savaknla keletkez H3O+

koncentrcijaelhanyagolhat a vz koncentrcijhoz kpest, ezrt [H2O] llandnaktekinthet. Ilyenkor bevezethet a sav disszocicis llandja:

Minl jobban disszocil, teht minl ersebb a sav, annl magasabb rtk.Ksavnegatv logaritmusa definci szerint pKsav. Minl ersebb a sav, annlkisebb a pKsav. Mindkt oldal negatv logaritmust vve:

Ez a Henderson-Hasselbalch egyenlet:1. A pKsavszmrtkben megegyezik azzal a pH-val, amin (pl. egy titrlssorn) a gyenge sav ppen 50%-ban disszocilt llapot.2. Lthat, hogy a pH az oldatban lv savak s bzisok arnytl fgg.

OHHA

AH

OHHA

AOHKeq

22

3

HAAH

KOHK saveq

2

HA

ApHpKsav

log

HA

ApKpH sav

log

HOH3


72/387

Nhny biomolekula savas disszocicija, s pKsavrtke

H2CO3 HCO3- + H+

pKa = 6.1

P ff h t0,1M-os ecetsavat (gyenge sav)

titrlunk 0 1M os NaOH val (ers bzis)


73/387

Pufferhats titrlunk 0,1M-os NaOH-val, (ers bzis)s mrjk a pH-t. Az ekvivalenciapontfelnl a titrlsi grbnek inflexispontja van. Itt az ecetsav fele van ppendisszocilva, vagyis ez a pH mutatjaaz ecetsav pK rtkt.

titrlsi szzalk

bemrt OH-egyenrtk

hasznos puffer-tartomny pK 1 pH

Ebben a tartomnyban a NaOHadsra a pH csak kis mrtkben,kb. linerisan emelkedik.

Vx

A

Vxy

HA

xy

xpK

V

xyV

x

pKpH savsav

loglog

Aszlektl eltekintveteht:HA + OH = A + H2O.

Ha y a HA kezdeti mennyisges x a hozzadott OH mennyisge:

A grbe kt vgn a HA ill. Avzzel trtnreakcijt is fegyelembe kell venni, mg a grbetbbi rszn az A keletkezse = a beadott OH

Mind a vzre, mind a savra A pufferhats prhuzamos egyenslyok eredmnye


74/387

Ecetsav

Acett ion

levezetett disszocicisegyensly rvnybenvan, ezek prhuzamosanteljeslnek. A beadottNaOH teljesen disszocil.Ha nem lenne az oldatban

ecetsav, a pH meredeken

emelkedne.

Amint az OH- ionok megjelennek,

a fenti egyensly rtelmben a[H+] fordtott arny szerintcskkenne. Ekkor azonban azals egyensly is bemozdul.

A nem-disszocilt ecetsavH+ raktr-knt mkdik, srszbenhelyrelltja a lecskkent[H+] szintet, mikzben acettanion keletkezik.

A rendszer lnyegeseleme az itt nem mutatott

Na+ kation, ami a NaOH

disszocicijbl

szrmazik.


75/387

Biolgiai pufferek

H2CO3 HCO3- + H+

pKa = 6.1

karbont puffer

A pH a sejteken bell s sejtek kzttitrben is szablyozott. Az emberi vrnormlis pH rtke kb. 7,4.

Kismolekulj anyagok kzl flega foszft ionok s a karbontok

jtszanak puffer szerepet.

H2PO4- HPO4

2- + H+

pKa = 6,86

foszft puffer

A sejtekben, illetve pl. a vrbena fehrjekoncentrci nagyonmagas, ezrt a fehrjken tallhatgyengn savas ill. bzikusoldallncok is puffer-hatssal

rendelkeznek.A hisztidil oldallnc pK-ja 6,0

K b t ff b


76/387

Gz fzisa tdben

Folyadk fzisa vrplazmban

pH = pK1+log([HCO3-] / [H2CO3])

pK1 = 6,1Mivel a pH = 7,4, a [HCO3- ] / [H2CO3]

arny kb. 20. A H2CO3 az oldott szndioxidmennyisgn keresztl a td segtsgvelcskkenthet, a HCO3-a vesn t rl.

reakci 1.

reakci 2.

reakci 3.

Karbont puffer a vrben

Ha a pH cskkenne a plazmban pl. sejtekblszrmaz tejsav miatt, akkor az a plazmban

nveli az oldott szndioxid koncentrcit,ami fokozott lgzssel egyenltdik ki.


77/387

Biokmiai ksrletekben hasznlt pufferek:- Cl a ksrlet sorn a pH ismert, lland szinten tartsa.- A puffer nem vehet rszt kzvetlenl a vizsglt reakciban!- A vlasztsnl ez, s a puffer pK rtke a fontos. Puffer kapacitsa

egyenesen arnyos a puffer koncentrcival!

Gyakran hasznlt pufferek

A hasznlhat pH tartomny

A vz, mint reakcipartner


78/387

Foszforsavanhidrid

Foszforsav-szter

Karbonsav-szter

Acil-szter (vegyes savanhidrid)


79/387

4-Termodinamikai ttekints

l f l k


80/387

Alapfogalmak

Rendszer-a vilgegyetem egy tanulmnyozsra kivlasztott rsze (sejt,

reakciedny, stb.) aminek jl definilt hatrai vannak

Krnyezet-a vilgnak a rendszer hatrain kvl es rsze. A mrst magtsokszor itt vgezzk, s nem a rendszerben!

A Rendszer tpusaa Rendszer s Krnyezet kzttihatrfellet jellemzin mlik

A Rendszer tpusai


81/387

p

Energia

Anyag

IZOLLT RENDSZER

Anyag

ZRT RENDSZER

Anyag

Energia Energia

Anyag

NYLT RENDSZER

Anyag

Energia Energia

NYLT RENDSZER

Nylt: mind anyag, mind energiacsere

Zrt csak energiacsere

Izollt se anyag, se energiacsere nincs


82/387

Energia (E, vagy U)- a rendszer munkavgz kpessge

Munka (w)- ellenervel szembeni elmozduls (pl. tgul gz dugattyvalslyt emel, kmiai reakci ramot termel, amivel pl. slyemelhet stb.) Zrt rendszeren munkt vgezve nveljkannak munkavgz kpessgt. Ha a rendszer vgez munkt,akkor cskken a munkavgz kpessge.

A munkavgzs rendezett formj energiaramls.

H (q)- magasabb hmrsklet testbl alacsonyabb hmrskletbe

energia ramlik t amit hnek neveznk. A magasabbhmrsklet test energija, teht munkavgz kpessgenagyobb, mint az ugyanolyan, de alacsonyabb hmrsklet.

A htads rendezetlen formj energiaramls.

Adiabatikus


83/387

Adiabatikus- A rendszer s krnyezete kztti hatr adiabatikus, ha htadstnem tesz lehetv

Diatermikus- A rendszer s krnyezete kztti hatr diatermikus, ha a htadstlehetv teszi

Exoterm

- a rendszerben lezajl folyamat (pl. fzistalakuls, vagy kmiaireakci) exoterm, ha annak sorn h szabadul fel. Adiabatikushatrfellet esetn a rendszer hmrsklete emelkedik, diatermikushatrfellet esetn a rendszer a krnyezetnek ht ad le.

Endoterm

- a rendszerben lezajl folyamat (pl. fzistalakuls, vagy kmiaireakci) endoterm, ha annak sorn a rendszer energijnak egy rszeh-abszorbcival vltozik. Adiabatikus esetben a rendszerhmrsklete cskken, diatermikus esetben a rendszer akrnyezetbl ht vesz fel.

Bels energia


84/387

Bels energia- a rendszer teljes energija a bels energia (U). A bels energiatartalmazza a rendszer sszes molekuljnak mozgsi s helyzeti

energijt (halad mozgs, forgs, rezgsek, kmiai ktsek).Absztrakt fogalom. A bels energia pontos mennyisge ltalbannem meghatrozhat, de a vltozsa igen!

- egy folyamatnl a bels energia vltozst (DU) megkapjuk, ha

a vgs bels energibl levonjuk a kezdetit: DU=Uvgs-Ukezdeti.- a bels energia llapotfggvny, vagyis csak a rendszer

pillanatnyi llapottl fgg, az odavezet ttl fggetlen.

- a bels energia extenzv tulajdonsg, mert fgg az anyag-

mennyisgtl (mint a tmeg, s a trfogat).- intenzv, vagyis anyagmennyisgtl fggetlen tulajdonsg pl. ahmrsklet, nyoms, srsg, melyek anyagmennyisgtlfggetlenek, s nem sszeaddnak, hanem kiegyenltdnek.

A termodinamika els fttele


85/387

- tapasztalaton alapul: egy rendszer bels energijt ktfle mdonlehet megvltoztatni: munkavgzssel (w), vagy hkzlssel (q)

DU=q+w- ha egyik sem trtnik, pl. izollt rendszerben, akkor a rendszerenergija nem vltozik. Ez az energia megmarads elve.

- az els fttel mutatja a h s a munka egyenrtksgtis. A h s

a munka ugyanannak az rtknek (energia) kt klnbz valutja. Amunka s h energia vltozs kzben. Ezek nemllapotfggvnyek! Ugyanazt a DU-t vgtelen sokfle q s wsszege eredmnyezheti!

- eljel-konvenci:w > 0, ha a krnyezet vgez munkt a rendszeren

q > 0, ha a krnyezet kzl ht a rendszerrel

w < 0, ha a rendszer vgez munkt a krnyezeten

q < 0, ha a rendszer kzl ht a krnyezettel

a) Kmiai reakci lland trfogaton w = 0; U = q

Az Entalpia fogalmnak bevezetse


86/387

llandtrfogat

tartly

hmr

gyjt

Palmitinsav (zsrsav)

Kezdeti llapot VgllapotReakciA rendszer ht ad le,munkavgzs nincs

a) Kmiai reakci lland trfogaton

b) Kmiai reakci lland nyomson

Kezdeti llapot VgllapotReakci

Palmitinsav (zsrsav)

gyjt

hmrlland nyomsdugattys tartly

w = 0; U = q

w = -p V; U = qp VTeht q = U + p V

A rendszer ht ad le, sa rendszeren a krnyezet

munkt vgez

Elz pldban: 1 ml palmitinsav teljes oxidcijaCH3(CH2)14COOH (szilrd) + 23 O2 (gz) 16 CO2 (gz) + 16 H2O (folyadk)


87/387

A folyamat sorn kmiai ktsekben trolt energia szabadul fel, s addik le a krnyezetnekh formjban. A kalorimterben a krnyezetben lv vz tmegnek, s hmrsklet-vltozsnak ismeretben a hcsere mrhet.Az els esetben, lland trfogaton nincs munkavgzs, teht U = q

A rendszer ltal leadott (negatv!) h alapjn: U = q = -9941,4 kJA msodik esetben az lland nyomson mrt leadott h: q = -9958,7 kJA msodik esetben teht 17,3 kJ-lal nagyobb mrtk hcsere zajlott!A msodik esetben a gzmolekulk cskken szma miatt a dugatty benyomdott,

a klvilg munkt vgzett a rendszeren:w = - Fx r = - p xA x r = - p x Vahol: w a munka,

F az er, r az elmozduls,A a dugatty felletep a nyoms s V a trfogatvltozs

A negatv eljel azt jelzi, hogy ha a rendszer vgez munkt (teht tgul, vagyis DV pozitv),akkor a rendszer bels energija cskken. Mivel DV itt negatv, a w rtke pozitv.A msodik esetben a p x V munka is mrhet, s az ppen 17,3kJ!Teht a belsenergia vltozsa lland nyomson:

U = q + w = q + (- p V) = -9958,7 kJ + 17,3 kJ = -9941,4 kJ

vagyis mindkt ksrletben azonos!

CH3(CH2)14COOH (szilrd) + 23 O2 (gz) 16 CO2 (gz) + 16 H2O (folyadk)

ENTALPIA (HTARTALOM)


88/387

ksrletesen legegyszerbben a hcsere mrhet.

mint lttuk, qnem mindig adja meg a belsenergia vltozst, hiszen amunkavgzst (pl. trfogati munkt) is figyelembe kell venni

reakcikat egyszerbb lland nyomson lejtszatni, mint llandtrfogaton

olyan llapotfggvnyt kell bevezetni, aminek vltozsa lland nyomsonmegegyezik a jl mrhet hcservel, ha a trfogati munkn kvl nincsmsfajta munka.

ez az llapotfggvny az ENTALPIA

definci szerint: H = U + PV

lland nyomson: H = U + P V

trendezve: U = HP V

lttuk, hogy a trfogati munka: w =P V teht: U = H + wtrf mivel az els fttel szerint: U = q + w

ezrt lland nyomson, ha nincs ms munka mint trfogati: H = q

Az entalpia bevezetsnek rtelme


89/387

H = U + PV Mivel U, Ps Vllapotfggvnyek, ezrt H is

llapotfggvny: rtke nem fgg attl, hogy hogyan jutott arendszer az adott llapotba. H = HvgsHkezdeti, teht a H rtknek vltozsa pusztn a

kezdeti s vgllapotok klnbsge A DH reakcih szempontjbl mindegy, hogy az elz

pldban a palmitinsav milyen reakci tvonalon oxidldik.Az lland nyoms kalorimterben meghatrozott DH rtkrvnyes a sejtben, lland nyomson lezajld folyamatra is,hiszen a vgtermkek (szndioxid s vz) azonosak!

A palmitinsav sejtes oxidcira vonatkoztathatkalriatartalma egyszer fizikokmiai mrsselmeghatrozhat! Ilyen rtkek tblzatokban rendelkezsrellnak

A termodinamika msodik fttele:i llt d t ij i li tk f l t t


90/387

az izollt rendszer entrpija maximlis rtk fel tart. Az els fttel egy knyveli energiamrleg, de semmit nem mond az

energia ramlsnak lehetsges irnyairl

Tapasztalat: vannak spontn folyamatok, s olyanok, amik lezajlshozenergia befektets kell. A spontn folyamatok irreverzibilisek, csak egyikirnyban zajlanak le. Mi szabja meg a reakcik irnyt?

Alacsonyabb U fel trekvs? Ez is, de van egy msik faktor is.

Plda irreverzibilis, spontn folyamatra, amit nem ksr U:

cukor

oldat

NA molekula

NKcellban

Kezdeti llapot(a) nagy rendezetlensg

tiszta vzrrtegzs

NA

molekula

egyelre NKcellban, deNV cellnyihely van

id

Kztes llapot(b) kisebb rendezetlensg

Vgllapot(c) nagyobb rendezetlensg

NA

molekula

NV cellnyitrbeneloszolva

Nincs hleads, nincs munkavgzs!

A cukormolekulk egyenletes eloszlsnak oka, hogy a fele lent, fele fentllapot sokkal tbbflekppen valsulhat meg, mint az, hogy az sszes cukor

l k l l


91/387

molekula lent van.

Ha csak a kt trrszt vesszk figyelembe, s N cukormolekula van, akkorezek 2Nklnbz mdon rendezdhetnek el a kt trrsz kztt. (Minden

molekula vagy fent van, vagy lent).

Mivel a cukormolekulk egyformk, sszesen csakN+1valbanmegklnbztethet, makroszkopikus llapot van: (0, 1, 2, ... N-1, N) db vanlent.

Az, hogy mind lent van, csak egyflekppen valsulhat meg. Az, hogy 1 dbvan fent, az N-fle mdon. ltalnossgban az, hogy L az egyik trflben, s N -L a msikban, az gy szmolhat ki:

WL

teht azt mutatja meg, hogy egy adott makroszkopikus elrendezdsmgtt hny mikroszkopikus elrendezdslehetsges

Egy adott elrendezds valsznsgt a WL/2Nhnyados adja.

Nagy N esetn az L = N/2 llapothoz tartoz WL/2Nvalsznsg gyakorlatilag1, vagyis csak ez fordul el! (Pontosabban az N/2 llapot s kzvetlen szomszdjai egytt).

)!(!

!

LNL

NWL

Az entrpia A Wmrszm megmutatta, hogy egy rendszer hnyflekppen valsthat meg egy


92/387

g , gy gy y pp g gyadott makroszkopikus elrendezst. Nagy N elemszmnl Wkezelhetetlenl nagy.Ezrt Boltzmann (1877) bevezette az entrpiafogalmt, ami a W termszetes alaplogaritmusval arnyos:S=kblnW

S a rendezetlensg mrtke, hiszen tkletesen rendezett llapotnl, ami csakegyflekppen valsthat meg, (pl. tkletes kristly), W = 1, s S = 0.

S llapotfggvny, rtke nem fgg attl, hogy hogyan jutott a rendszer az adottllapotba. S extenzv, teht sszeadd.

A korbbi pldban az izollt rendszer alacsony Sllapotbl indult, s a reakcivgllapotban S maximlis rtket vett fel.

A termodinamika 2. fttele: az izollt rendszer entrpija maximlis rtk fel tart. Teht minden izollt rendszerben (vagyis DU = 0) spontn lezajl folyamatra igaz, hogy

DS0, ahol a DS=0 eset a reverzibilis folyamatokrarvnyes.

Mivel a vilgegyetem maga is izollt, hiszen DU = 0, a vilgegyetementrpijtminden reverzibilis folyamat llandan tartja, sminden irreverzibilisfolyamat nveli. Ez a hhall elmlet.

DSrendszer + DSkrnyezet = DSvilgegyetem 0 DSkrnyezet - DSrendszer

Egy rendszer entrpija csak akkor cskkenhet, ha a krnyezet azzal egyenl(reverzibilis folyamat) vagy annl nagyobb (irreverzibilis folyamat) mrtkbennvekedik!

Szabadentalpia, mint a spontanelits jelzje A teljes univerzum entrpia vltozsnak mrtke nem mrhet


93/387

j p

Csak a rendszer entrpijt hiba nzzk, mert egyes spontn folyamatoksorn a rendszer entrpija cskken: pl. hidrogn gse

A) rszfolyamat: kevereds, Srendszer > 0, mint a cukros esetben

2 H2 + O2 2 H2O

(3 rsznyi molekulbl 2 rsz: DSrendszer. 0)

B) rszfolyamat: kmiai reakci Srendszer< 0 !

Hleads

Hleads

A krnyezetnek leadott h nveli a krnyezet entrpijt, mgpedig a krnyezethmrskletvel fordtottan arnyosan mrtkben. Ez az entrpia Clausius (1874) ltali


94/387

klasszikus termodinamika bevezetse. DSkrnyezet qleadott/T (reverzibilis folyamatra egyenl) lland nyomson:qleadott/ T = -DHrendszer/T teht DSkrnyezet -DHrendszer/T

ha nincs ms munka mint trfogati DSvilgegyetem = DSrendszer + DSkrnyezet DSvilgegyetem DSrendszer - DHrendszer/T -T DSvilgegyetem -TDSrendszer + DHrendszer -T DSvilgegyetem DHrendszer TDSrendszer = DG (Gibbs, 1878)

Az egyenletben G = H - TS a Gibbs-fle szabadentalpia, ami llapotjelz. A -T DSvilgegyetem rtke minden spontn irreverzibilis folyamatra negatv kell, hogy

legyen, hiszen ezekre DSvilgegyetempozitv (lsd msodik fttel), T pedig mindig pozitv. Ezta -T DSvilgegyetem folyamat-irnyjelzt hvjukDG-nek, szabadentalpia vltozsnak. Fgg ahmrsklettl, ezrt csak lland hmrskletre igaz, a H miatt pedig a nyoms is llandkell, hogy legyen.

lland nyomson s hmrskleten(lsd l szervezetek!) csak az a folyamat jtszdhat lespontn, amire a

G = HrendszerT Srendszer < 0 DG=0 esetben egyensly van, nincs tovbbi vltozs, illetve ha van, akkor a vltozs

reverzibilis

A DGrtke csak a rendszerre vonatkoz entalpia s entrpia tagokblszrmazik, ezrt nemkell a teljes univerzumra figyelnnk!

A DG rtknek semmi kze a reakci sebessghez! Azt az aktivlsi szabadentalpia rtkeszabja meg!

G = HT SSH


95/387

Olyan endoterm reakci, ami spontn nem megy vgbe (endergonikus)+

Olyan endoterm reakci, ami spontn lejtszdik, ha T > DH/DS++

Olyan exoterm reakci, ami spontn lejtszdik, ha T < DH/DS

Olyan exoterm reakci, ami spontn lejtszdik minden hmrskleten+

Pldk a hrom spontn lejtszd reakci tpusra

Glkz fermentlsa etanoll

A reakci entalpikus sentrpikus szempontbl iskedvez a spontnlejtszdsnak

Etanol teljes oxidcija Nitrogn pentoxid bomlsa

A reakci entalpival hajtott, mgentrpikusan kedveztlen. Havzgz lenne a termk, akkorentrpikusan is kedvez lenne

Ritka, entalpikusan kedveztlenentrpival hajtott, reakci. Aszilrd nitrognpentoxidhelvonssal gzokra bomlik

A szabadentalpia vltozs s maximlis munka


96/387

definci szerint: H = U + PV lland nyomson ltalnos esetben: H = q + wssz + P V G = H-T S reverzibilis (!!!) folyamatban Srendszer = - Skrnyezet, s q = T S G = (T S + wsszrev + P V)-T S = wsszrev + P V a wsszrevrszben trfogati, rszben minden msfle munka (pl. tlts

sztvlaszts, anyagszllts koncentrci gradiens ellenben stb.). Teht w

sszrev

= wtrf

+ wegyb teht:

G = wsszrev + P V = (wtrf+ wegyb) + P V lttuk, hogy a trfogati munka: wtrf=P V G =P V + wegyb + P V = wegyb

Reverzibilis folyamatnl teht G = wegyb,de irreverzibilis folyamatnl akinyerhet munka mindig kisebb.Egy folyamat DG rtke teht megadja a maximlisan kinyerhetnemtrfogati (pl. tlts-szeparci stb.)munkt. A folyamat exergonikus,vagyis munkra foghat, ha DG < 0, s endergonikus vagyis extra munkanlkl nmagban nem zajlik le ha DG > 0

Kmiai reakcikat ksr szabadentalpia vltozsMinden fizikai kmiai folyamat gy a kmiai reakcik esetn is a


97/387

Minden fizikai-kmiai folyamat, gy a kmiai reakcik esetn is afolyamatot ksr DG szabadentalpia vltozs mutatja meg, hogy a reakcispontn vgbemegy-e, milyen tvol van az egyenslytl, s az egyensly

fel haladva, talakult mlonknt mekkora maximlis munkavgzsnyerhet a folyamatbl. A reakci komponensek keverkben megy vgbe.

ahol az i-ik komponensparcilis molris szabadentalpijas ni az i-ik komponens mljainak szma.

iG

Egy keverkben az egyes komponensekkmiai potencilja, vagyisparcilis molris szabadentalpija azt mutatja meg, hogy a rendszerszabadentalpija hogyan fgg az adott komponens mennyisgnek

vltozstl, gy, hogy kzben a T, p s n,vagyis a hmrsklet, nyomss a tbbi komponens mennyisge lland marad.

',, nTpA

An

GG

Az elegy G rtke felrhat a komponensek G rtkeinek sszegeknt:... CCBBAA GnGnGnG

A kmiai reakci szabadentalpia vltozsaEgy ltalnos kmiai reakciegyenlet: nAA + nBB nCC + nDD


98/387

DG = Gtermkek-Gkiindulsi anyagok

Egy ltalnos kmiai reakciegyenlet: nAA + nBB nCC + nDD

BBAADDCCGnGnGnGnG D

Melyik irnyba indul el egy kmiai reakci? Kmiai reakcinl az egyeskomponensek egymsba alakulnak. A reakcit ksr szabadentalpia vltozs:

Ha a felrt egyenlethez tartoz reakci DG rtke negatv, a reakci jobbra megy,ha pozitv, akkor a reakci balra megy, ha ppen nulla, akkor egyensly van.

Az, hogy mi trtnik, fgg az egyes kmiai potenciloktl, ami fgg arsztvev komponens anyagi minsgtl s koncentrcijtl.Az itt bevezetett modellben a fels irnyban nAmlnyi A s nBmlnyi B fogy,s nCmlnyi C s nDmlnyi D keletkezik, mikzbenmindegyik adott koncentrcin van, s ott is marad (stacioner rendszer !!!).

Az elegy egyes komponenseinek kmiai potenciljt kzs standard llapotra (pl. p=1atm, T=298K) jellemz standard kmiai potenciljaikhoz viszonytjuk.A standard kmiai potencil az adott vegylet elemeibl val kpzdsheztartoz standard molris kpzdsi szabadentalpia: 0

AG

Ehhez a komponensenknti konstanshoz viszonytva adjuk meg minden

komponens konkrt kmiai potenciljt:

0ln A

AA

aRTGG

ARTGA

RTGA

RTGGo

A

o

A

o

AA lnlnln


99/387

Az egyenlet a korbban mutatott parcilis differencilegyenlet integrlsnak eredmnye.Az RTlnaA tagban aA az adott komponens aktivitsa, ami hg oldatoknl kb.

megegyezik a komponens koncentrcijval. Maga az RTln(aA/a0A) tag azt mutatja meg,hogy mekkora DG vltozssal jr az adott komponensnek standard llapot 1M-oskoncentrcijbl az adott koncentrciba val jutsa.A korbban felrt kmiai reakci szabadentalpia vltozsa:

0ln

A

AA

aRTGG

BRTnGnARTnGnDRTnGnCRTnGnGBBBAAADDDCCC

lnlnlnln0000D

BBAADDCCGnGnGnGnG D ARTGG o

AA

ln

BADC nnnnBBAADDCC BRTARTDRTCRTGnGnGnGnG lnlnlnln0000

D

)lnlnln(ln0 BADC nnnn BADCRTGG DD

DD

BA

DC

nn

nn

BA

DCRTGG ln0

ARTGRTG

ARTGG AAAA ln

1lnln

0

[C] s [D] a termkek aktulis( l i!!!) a modell


100/387

DG0a reakcira jellemz konstans. DG0 = DGakkor, amikor a msodik tag = 0Ez standard krlmnyekkztt lezajl kmiai reakcinl lehet, ahol mind akiindulsi anyagok, mind a termkek folyamatosan 1 mlos koncentrciban

vannak a reakci sorn (vgtelen nagy edny, vagy stacioner rendszer).Amennyiben a reakci ppen az egyenslyi koncentrcik mellettzajlik, gy nincs nett reakci, egyensly van, teht DG = 0 kell,hogy legyen, s ebbl ltszikDG0, msik jelentse:

eq

o

KRTG lnD

( nem egyenslyi!!!), a modellreakci sorn nem vltozkoncentrcii

DD

BA

DC

nn

nn

BA

DCRTGG ln

0

[A] s [B] a kiindulsi anyagokaktulis (nem egyenslyi!!!)nem vltoz koncentrcii

Az egyenslyi lland ksrletes meghatrozsa utn brmely kiindulsielegy esetn kiszmthat a reakci G rtke, vagyis megllapthata reakci irnya, s kiszmthat a kinyerhet maximlis munka!

Standard krlmnyek a biokmiban


101/387

Kmiban: az nknyesen megszabott, standard krlmnyek: mindenkomponens koncentrcija 1M, a hmrsklet 298K(25C), s a nyoms1atm. Ez a szmols megknnyti a kmiai potencil rtkek kiszmolst,mivel az ott nevezben szerepl standard rtk ppen 1M.

Biokmiban: vzmolekulk, protonok, s Mg2+ ionokgyakranszerepelnek a kmiai reakcikban, s ezek koncentrcii termszetesennem egy mlosak, hanem [H2O]=55,5M, [H+]=10-7M, s [Mg2+]=10-3M.Annak rdekben, hogy a standardunk jobban tkrzze a valsgot, a fentikoncentrcikkal szmoljuk ki az j standard krlmnyekre jellemz Grtket, amit ezrt transzformlt standard szabadenergia vltozsnak,

hvunk, s G-knt jellnk.Ez az rtk teht az emltett [H2O], [H+

], s[Mg2+]lland koncentrcikmellett, a tbbi komponensre kialakulegyenslyi koncentrcikat is tartalmaz transzformlt egyenslyi llandtrejti. Ha a vz, proton s Mg2+koncentrcik ugyanazok, mint az aktuliskoncentrcik, akkor ezek kiesnek a DG szmols egyenletnekmsodik, az aktulis koncentrcikat tartalmaz tagjbl, hiszen ekkorezek aktulis koncentrcija megegyezik az (j) standard krlmnyen

lv koncentrcijukkal. A tnyleges reakci DG rtketermszetesen nem fgg a vlasztottstandardviszonytsi krlmnyektl, de az gy bevezetett transzformltGkonstans standard rtkek a valsgos krlmnyeket jobban tkrzrtkeket adnak.

DD

BA

DC

nn

nnn

BA

OHDCRTGG ln 2

0

Egy ltalnos kmiai reakciegyenlet amiben vz is szerepel:nAA + nBB nCC + nDD + nH2O

A vz aktulis koncentrcija nagyon eltr az 1M-tl, ezrt aDG0 tk lt DG tktl J l lt t t i


102/387

DD

D

D

D

D

BA

DC

BA

DC

BA

DC

BA

DC

BA

DC

BA

DC

BA

DC

BA

DC

BA

DC

nn

nn

nn

eq

n

eq

n

eq

n

eq

n

eq

nn

nn

nn

eq

n

eq

n

eq

n

eq

n

eq

nn

nn

n

eq

n

eq

n

eq

n

eq

n

eq

nn

nnn

n

eq

n

eq

n

eq

n

eq

n

eq

nn

nnn

BA

DCRTGG

OHBA

OHDCRT

BA

DCRTG

OHBA

OHDC

BA

DC

RTG

BA

OHDC

BA

OHDC

RTG

BA

OHDCRT

BA

OHDCRTG

ln

lnln

ln

ln

lnln

'0

2

2

2

2

2

2

22

DG0rtke nagyon eltr a DG rtktl. J lenne eltntetni.

Lthat, hogy az osztssal a vzre vonatkoz tag eltnikaz aktulis koncentrcikat, tartalmaz egyenletbl, demegjelenik a korbban csak egyenslyi koncentrcikattartalmazott egyenletben.

gy egy olyan standard szabadentalpia tagot kapunk,

ami mr nem azonos az eredetivel,transzformlt standard szabadenergia vltozsnaknevezzk, sG-knt jelljk.A G rtke jobban hasonlt a konkrt reakciravonatkoz G rtkhez, mint az eredeti G rtk.

Az egyenslyi konstans rtke s aSzmszer sszefggs a kmiai


103/387

transzformlt standard szabadenergiavltozs rtkei egymsblszmolhatak.

A G szemlletesen nem ms, mint(transzformlt) standard krlmnyekkztt a termkek szabadentalpiatartalmnak s a kiindulsi anyagokszabadentalpia tartalmnak klnbsge.

Ha ilyen krlmnyek kztt a termkekszabadentalpia tartalma kisebb, akkor a

reakci spontn lezajlik.

Ha nagyobb, akkor a reakci ellenkez

irnyban zajlik le spontn, de ez csakakkor rvnyes, ha ppen a standardkrlmnyeken vagyunk.

Minden ms aktulis koncentrciknla DG mondja meg, hogy mi trtnik.

Szmszer sszefggs a kmiaireakcik transzformlt standard

egyenslyi konstansa sszabadentalpija kztt

Kapcsolt reakcik


104/387

A szabadenergia llapotjelz, vagyis nem fgg az adott llapotba vezettvonaltl. Ezrt a szabadenergia vltozs additv.

Egymst kvet kt reakci kln-kln meghatrozott Grtkeibl a teljes reakcira jellemz Grtk egyszer sszeadssalszmolhat.

Egy nmagban le nem zajl, termodinamikailag kedveztlen (Gpozitv)

endergonikus reakci le tud zajlani, ha kapcsolva van egy termodinamikailagkedvez (Gnegatv) exergonikus reakcihoz, ha az ered Grtk negatv.Lnyeg, hogy a kt reakcinakkzs komponense legyen.

Plda kapcsolt reakcira


105/387

p glkz foszforillsa glkz-6-foszftt (glkz + Pi glkz-6-P + H2O)endergonikus, a Grtke 13,8

kJ/mol. Az ATP hidrolzise (ATP + H2O ADP + Pi)exergonikus, a G

rtke -30,5kJ/mol. A kt reakcinakkzs intermedierjei vannak, (H2O s Pi) ezrt

egymst kvet reakciknt is felrhatk:

1. glkz + Pi glkz-6-P + H2O G =13,8 kJ/mol2. ATP + H2O ADP + Pi G = -30,5kJ/molEred reakci: ATP + glkz ADP + glkz-6-P

Az ered G = 13,8 kJ/mol + - 30,5 kJ/mol = -16,7 kJ/mol, teht azered reakci exergonikus.

A reakci valditvonala a fenti1+2smtl eltr, de ez nem szmt,hiszen energetikai szempontblcsak a kezdeti s a vgllapot kzttiszabadentalpia klnbsga mrvad. Az ATP szmos hasonl kapcsoltreakciban jtszik szerepet, errl az anyagcsere ttekintsnl lesz sz.


106/387

5-Aminosavak, peptidek, s a

fehrjk elsdleges szerkezete

A legnpesebb, legtmegesebb,legvltozatosabb makromolekulk

Fehrje = protein(grg protos legels)


107/387

legvltozatosabb makromolekulk.

Minden sejt minden rszben vannak.Elkpeszt funkcionlis vltozatossg

Enzimek, hormonok, molekulrisszllteszkzk, tpanyagraktrak,szerkezeti molekulk. Az orrszarvtlktl a hemoglobinon t a szentjnos-bogr fnytermel enzimig.

Minden fehrje ugyanazon 20 aminosavlineris polimerje!

(grg protos , legels )

A fehrjealkot aminosavak


108/387

Fehrjk szerkezetre vonatkoz korai vizsglatok els eredmnye:a fehrjksavas hidrolzisevgs soron aminosavakateredmnyez.-Els aminosav 1806 Aszparagin sprgbl (Asparagus)

-Utols a Threonin 1938.

Mindegyik aminosav neve

fantzianv. Pl. Glutaminsava bza glutn fehrjbl,Glicin a grg glykos,des szbl, Tirozin a grgtyros sajt szbl.

a

Amino-karbonsavak,

melyeknl az aminocsoporta karboxil csoporthoz

legkzelebb es n.a C-atomhoz kapcsoldik.

Idekapcsoldik az Roldallnc is, a 20-fleaminosav az oldallncbanklnbzik egymstl

Sznatomok szmozsa


109/387

Sznatomok hagyomnyos grg elnevezse a legmagasabb rendfunkcis csoporttl indul. Az ahhoz kapcsold els az a, azutn , stb.

Az adott sznhez tartoz funkcis csoport rkli a sznatom grgsorbeosztst: a karbonsav, a amino-csoport, illetve -amino-csoport.A szerveskmiban elfogadott szmozs eltr logikt kvet.

A Lizin aminosav bzikus -aminocsoporttal

Az asznatomegy kivtellel minden fehrjealkot standard aminosavban ngyeltr csoporthoz kapcsoldik, teht kirlis centrumot alkot. A glicin oldallncaegy H atom gy itt az a C atomhoz 2 H atom kapcsoldik


110/387

A cukrokra bevezetett Fischer-fle projekci(Emil Fischer 1891). Legegyszerbb kirlis cukorbl,glicerinaldehidbl levezetve. A sznlnc fggleges, amagasabb besorols csoport fel, alacsonyabb le, sa skbl htramennek. Ha a vzszintes csoportokbla magasabb rend balra esik: L (levis) forma, ha jobbraesik D (dexter) forma. A D konfigurcij glicerinaldehid

a skban polros fnyt jobbra forgatja, az L balra.Aminosavak esetben azonos besorols az aldehidkarboxilra, ill a hidroxil aminocsoportra cserlse utn.Az azonos nv nem jelent azonos optikai aktivitst! Az egyes aminosavak konfigurciinakazonossgnak hosszadalmas bizonytsa az oldallncok kmiai egymsba alaktsn soptikai aktivitsuk mrsn keresztl trtnt, de az abszolt konfigurci meghatrozsarntgen-diffrakcival trtnt.

egy H-atom, gy itt az a C-atomhoz 2 H-atom kapcsoldik.A tbbi 19 aminosavelvileg tkrkpi enantiomer prokban lehetne jelen.Ehelyett a fehrjkben kizrlag az L konfigurcik vannak jelen!

L-Glicerinaldehid D-Glicerinaldehid

D-AlaninL-Alanin

L-Alanin D-Alanin

fggleges ktsek a sk mg,vzszintesek el kerlnek

L-Alanin D-Alanin L-Alanin D-Alanin

S-konfigurci R-konfigurci

A standard aminosavak nhny tulajdonsga, hrom ill. egybets rvidtseik

R idtett Elfordulsi


111/387

AminosavRvidtettelnevezs

Hidroptisindex

gyakorisgfehrjkben (%)

Apolros alifs csoportGlicin

AlaninValin

Leucin

Izoleucin

Metionin

Aroms csoportFenilalanin

Tirozin

TriptofnPolros, tltst nemhordoz csoport

SzerinProlin

Threonin

Cisztein

Aszparagin

Glutamin

Pozitv tltsthordoz csoportLizin

Hisztidin

ArgininNegatv tltsthordoz csoportAszparaginsav

Glutaminsav

pI: izoelektromos pont

hidroptis index: minl nagyobb pozitv, annl inkbb hidrofbMr: molekulasly

Apolros alifs R csoport


112/387

Glicin Alanin Valin

Leucin Metionin Izoleucin

Hidrofb jellegk miatt ezek azoldallncok a fehrjk bels,vztl elzrt rszn gyakoriak,rszt vesznek a hidrofb magltrehozsban.A glicin kivtel, mivel minimlisoldallnca miatt oldallnc-klcsnhatsban gyakorlatilagnem vesz rszt.

A metionin br hidrofb, aknatom fmionokkal kpeskomplexet kpezni.

A glicinminimalista oldallnca miatt klnleges, mert a peptidekben elrhetlegnagyobb rotcis szabadsgot engedi meg (lsd ksbb).A prolin iminosav viszont merev, gyrs szerkezete miatt minimlis rotcit enged meg.

Prolin

Aroms R csoport


113/387

Fenilalanin Tirozin Triptofn

p

A Phe egyrtelmen hidrofb, mg a Tyr fenolos s Trp indol gyrje brhidrofb, ezek az -OH ill.NH csoportjukon keresztl kpesek H-hidasklcsnhatst ltesteni. A knnyen polarizlhat delokalizlt elektronokmiatt induklt dipluson keresztli klcsnhatsokban vehetnek rszt

Polros nem tlttt R csoport

Vzzel kedvez H hidas


114/387

Polros, nem tlttt R csoport

Szerin Threonin Cisztein

Prolin Aszparagin Glutamin

helyett ilyenkor aszparaginsav (Asp) illetve

glutaminsav (Glu) keletkezik. A spontndezamidlsenyhn lgos kzegbengyorsabban zajlik, mint enyhn savasban. Aksbbi, DNS-szekvenlson alapul

fehrje-szekvencia meghatrozs tbb esetbenfeltrta, hogy a fehrje gnje Asn,vagy Gln aminosavat kdol, gy az eredetifehrje ezt tartalmazta, de az izollskor mrAsp vagy Glu szerepelt az eredeti helyett.

Vzzel kedvez H-hidasklcsnhatst ltestenek.Ser, Thrhidroxil csoportot,

Cysszulfhidril csoportot,Asns Glnkarbonsav-amidcsoportot tartalmaz.

A peptidktsek hidrolzisesorn az amidktsekis

elbomlanak, gy Asn s Gln

Pozitv tlts R csoportok


115/387

Lizin Arginin Hisztidin

Hidrofil csoportok. Semleges pH-tartomnyban a Lys s Arg pozitv tlts, mg a Hisimidazol gyrje lehet semleges, vagy pozitv is. A bzisok pozitv tltst hordozformja gyenge sav! A protonlt Lys s Arg H-hdban donor. A His semleges pH-n

viselkedhet bzisknt, s savknt is, s nemkt elektronprjval fmionokat is kthet.

Pozitv, ha amsik N isprotonlt

Negatv tlts R csoportok


116/387

Aszparaginsav Glutaminsav

Savnak hvjuk, de neutrlis pH-n a disszocilt, negatv formjuk bzisknttud viselkedni. Ilyenkor H-hidas szerkezetben akceptorknt mkdnek.

s mindez kombinlva

KicsiA


117/387

Kicsi

Hidrofb

Polros

Tlttt

Negatv

Pozitv

Apr

Alifs

Aroms

Prolin


118/387

Cisztein

Cisztein

Cisztin

A ciszteinek szabad szulfhidril csoportjai oxidci sorn diszulfid hidakatkpeznek. A reverzibilis reakciban az -SH valjban a disszocilt, Sformbanvesz rszt, ezrt a reakci lgos kzegben gyors, mg savas kzegben szinteegyltaln nem zajlik le. Savas kzegben konzervlni lehet az egyenslyrajellemz llapotot. Fehrjk savas hidrolzisekor a diszulfidhdban lv Cys-Cyscsoportokat cisztinknt lehet izollni, mg a diszulfidhidat nem alkotkat ciszteinaminosavknt. Az SH reaktv oldallnc, szmos enzimreakciban szerepel.

A szabad aminosavak ikerionos formja


119/387

Nem-ionos formavizes oldatban alig

van jelen

Ikerionos forma, vizesoldatban, semleges

pH-n ez dominl

A szabad glicin aminosav diprotikus,

kt disszocibilis protont tud hordozni


120/387

Glicin

OH ekvivalens

Izoelektromos pont (IEP,

angolul pI)

pIGly= (pK1 + pK2)

Tlts: +1 0 -1

kt disszocibilis protont tud hordozni.

Titrlsi grbje emiatt olyan, mint kt

fggetlen monoprotikus sav.

Az izoelektromos pont, az a pH,

ahol a molekulnak nincs ered (nett)tltse.

Glicinben nincs ionizlhat oldallnc,ezrt az izoelektromos pontja azamino s karboxil csoportok pKrtkeinek szmtani kzepn van.

Megindul a

msodik protoneltvoltsa

Disszocibilis oldallnc aminosavak izoelektromos pontja


121/387

Izoelektromos pont (pI)

pIGlu= (pK1 + pKR) = 3,22Izoelektromos pont (pI)

pIHis= (pKR + pK2) = 7,59

Az izoelektromos pont az azt szeglyezoldallnc s terminlis csoport pK-k tlaga

OH ekvivalens OH ekvivalens

GlutaminsavHisztidin

+1 0 -1 -2+2 +1 0 -1

Aminosavak sszekapcsoldsa peptidktssel


122/387

Hidrolzis

Kondenzci

A hidrolzis exergonikus,kataliztor nlkl mgislass, mert nagyon nagy

az aktivlsi energia.

Egy tipikus peptidktsspontn hidrolzisrevonatkoz fl-letideje7-8 v!

A kondenzci endergonikus,nem az bra szerint, hanemkapcsolt reakciban zajlik le aszervezetben

Szubsztitult amid

Emil Fischer nevezi el:Peptidkts

Az aminosavak -karboxil s -amino csoportjai kzttkialakul peptidktsek vgeredmnye egy lineris (vagyis


123/387

kialakul peptidktsek vgeredmnye egy lineris (vagyisel nem gaz) (poli)peptidlnc

Amino-lncvg(N-terminus)

Karboxil-lncvg(C-terminus)

Ser Gly

Tyr

Ala

LeuPeptidkts

Oldallnc

Az oldallncokon kvlirsz a flnc

A polipeptidlncnak irnyultsga van


124/387

N-terminus C-terminus

A legtbb fehrje kb. 50 2000 aminosav-maradkbl ll egy aminosav maradktlagosan 110 Da. Fehrjk zme 5.500-200.000 Da kztti.

Egy-egy tglalap egy-egy aminosavcsoport-ot ill. aminosav maradk-ot jelent


125/387

A peptidvz a prolinokat leszmtva monotonismtld szerkezet.

Az egyes peptidek egyedi kmiai jellegeaz oldallncok klnbzsgben rejlik.

Az egyes peptidek savas, ill. bzikus jellegt,oldkonysgt, kmiai reakcikban valviselkedst a benne lv oldallncok kmiaijellege hatrozza meg

Polipeptid vagy fehrje?


126/387

p p gy j

Kmiai szempontbl kzeltve inkbb polipeptid

A trszerkezetbl fakad tulajdonsgokat ishangslyozva inkbb fehrje

Ha egyetlen fehrje tbb polipeptid lncbl ll, teht

tbb alegysges, akkor az egyes alegysgeket sokszorrviden lnc-nak hvjuk, pl. hemoglobin a-lnc, -lnc.

Amikor a tbb polipeptidlncot tartalmaz fehrjbendiszulfidhidak vannak a lncok kztt, akkor az egyeslncokat ltalban nem hvjuk alegysgeknek

Nhny jellegzetes fehrje mrett s sszettelt jellemz adatok


127/387

A fehrje neve Molekulasly Aminosav

csoportok

szma

Polipeptid-

lncok szma

Citokrm c (humn) 13.000 104 1

Ribonuklez A (szarvasmarha hasnylmirgy) 13.700 124 1

Lizozim (tojsfehrje) 13.930 129 1

Mioglobin (lszv) 16.890 153 1

Kimotripszin (szarvasmarha) 21.600 241 3

Kimotripszinogn (szarvasmarha) 22.200 245 1

Hemoglobin (humn) 64.500 574 4

Szrumalbumin (humn) 68.500 609 1

Hexokinz (leszt) 102.000 972 2RNS polimerz (coli) 460.000 4.158 5

Apolipoprotein (humn) 513.000 4.536 1

Glutamin szintetz (coli) 619.000 5.628 12

Titin ( humn risfehrje) 2.993,000 26.926 1

sszetett fehrjk


128/387

Aminosavakon kvl ms csoportokat is tartalmaznak

Tpus Prosztetikus csoport Plda

Lipoproteinek Lipid 1-lipoprotein

Glikoproteinek Sznhidrt Immunglobulin G

Foszfoproteinek Foszftcsoport Kazein (tejben)

Hemoproteinek Hem (vas-porfirin) Hemoglobin

Flavoproteinek Flavin nukleotidok Borostynksavdehidrogenz

Metalloproteinek Vas Ferritin

Cink Alkohol-dehidrogenz

Klcium Kalmodulin

Molibdn Dinitrogenz

Rz Plasztocianin

Fehrjk funkci szerintit t


129/387

csoportostsa

enzimek szablyz fehrjk (pl. hormonok, transzkripcis faktorok) szllt fehrjk (pl. hemoglobin, transzferrin, szrum

albumin) trol fehrjk (pl. ovalbumin, kazein, zein, ferritin) motorfehrjk (pl. aktin, miozin, kinezin, dinein) szerkezeti fehrjk (pl. kollagn, keratin, elasztin)

immunfehrjk (pl. IgG, T-sejt receptor) toxin-fehrjk (koleratoxin, ricin) stb. stb. stb.

Fehrje szerkezeti szintekElsdleges: -maga az aminosav sorrend vagyis a fehrje szekvencija


130/387

hemoglobin alnc a22-hemoglobin

Elsdleges: maga az aminosav sorrend, vagyis a fehrje szekvencijaMsodlagos: -a peptidlnc szablyos elrendezdsbl ered loklis

szerkezet, pl. a-hlix, -red

- motvum: msodlagos szerkezeti elemek szablyos rendben- domn: a harmadlagos szerkezet jegyeit mutat, trszerkezett

nllan elnyerni kpes (autonm folding) egysgHarmadlagos:a polipeptidlnc globlis trszerkezete, a fentiek sszegeNegyedleges:tbb polipeptidlnc specifikus sszeszervezdsnek szintje

Aminosavak a-hlix egyetlen polipeptidlnc sszeszereldtt alegysgek

Elsdleges Msodlagos Harmadlagos Negyedleges


131/387

6-A fehrjk msodlagos,harmadlagos s negyedleges

szerkezeteFibrzus s globulris fehrjk


132/387

A fehrjk szekunder szerkezeti

tpusai s a fibrzus fehrjktrszerkezete

Fehrjk konformcija Egy molekula konformcis llapotai az atomok olyan trbeli


133/387

Egy molekula konformcis llapotai az atomok olyan trbelielrendezdsei, melyekkovalens kts bontsa nlkltvihetk

egymsba. Egyik konformcibl a msikba teht ktsek krli forgsokkaljutunk.

Egy fehrjekmiai ktsek szzait, ezreit tartalmazza, ezrt azelmletileg lehetsges konformcik szma vgtelen

A legtbb fehrje mgis egyetlen stabil konformciban ltezik, amia natv konformci.

A natv szerkezet ltalban a legalacsonyabb szabadentalpijszerkezet.

Gyenge msodlagos ktsek stabilizljk, a natv szerkezetben amsodlagos ktsek szma kzel maximlis.

A natv szerkezet felbomlshoz rendszerint elegend 4-30 kJ/molenergia (pr H-kts energija), teht stabilizl s destabilizlklcsnhatsok rzkeny egyenslya.

A peptidkts planris, s merev szerkezet(Linus Pauling s Robert Corey 1930-as vek vge RTG-diffrakci)

A tidkt kt k tt


134/387

A C-N kts rszlegeskettsktses karaktere

Pplya

Pplya

A transz konfigurcijpeptidktsjellemz ktstvjai s ktsszgei.Lthat, hogy 6 atom egy skban van!

A peptidkts kt ketts-ktses hatrszerkezetrezonancia-szerkezete, ahol a

C-N kts rszlegeskettsktssel br, ami krlnincs szabad rotci. Apeptidktsnek diplusmomentuma van.

Ktfle planris szerkezet ltezhet, a C=O s N-H ktst tekintve:transz, illetve cisz


135/387

Cisz helyzetben a szekvenciban egymst kvet oldallncok tl kzelkerlnek egymshoz. Fehrjkben a nem-prolin aminosavak kzttipeptidktsek 99,95%-a transz konfigurcij.

Az X-Pro kts a prolinspecilis szerkezete miattkivtel. Mindkt szerkezetokoz sztrikus problmkat,de a transz forma kevsb.Az ismert fehrjeszerkezetekalapjn az X-Pro ktsekkb. 5%-a cisz.

Transz

Transz Cisz

Cisz

A flnc konformcijaegyrtelmen megadhat a C -tl N-terminusfel es N-C illetve a C terminus fel es C -C ktsek krli illetve

A fehrje flnc konformcijnak geometriai jellemzse


136/387

torzis szgekkel, hiszen a flnc tbbi ktsszge ill. torzis szge apeptidkts planaritsa miatt adott. Egy N tagszm peptid

flncnak konformcijhoz teht 2(N-1) torzis szggel jellemezhet.Az oldallncok konformcijval ez a lers nem foglalkozik!

Amino

terminus

Karboxil

terminus


137/387

A Ramachandran diagram

Az orig a csak elmletben Ez a diagram alaninok kztt kialakul polipeptid


138/387

gltez =0; =0 llapot, ehhezkpest -180 - +180 fokokat

brzoljuk

(fokok)

(fokok)

energetikailag megengedett szgeit brzolja.Glicinre sokkal nagyobb lenne a megengedett

terlet, mg elgaz oldallncokra kisebb.

Nincs sztrikus tkzs

Van nmi sztrikus tkzs

Csak ktsszg-vltozssal

A fehrjk msodlagos szerkezeteA R h d di d tt l


139/387

-szerkezet

a-hlix

A Ramachandram diagram egy-egy megengedett szgprvaljellemzett konformcinakaminosav-egysgenknti ismtlsvel

szablyos, repetitv, gynevezett msodlagos szerkezetekjhetnekltre, olyanok, mint az a-hlix, vagy a -szerkezet.

nem megengedett

Elmleti szablyos repetitvszerkezetek


140/387

szerkezetek

n= csoportok teljes fordulatonknti szma (nem felttlenl egsz szm)h= csoportonknti menetemelkeds (nm, vagy Angstrom)p= (pitch): egy teljes fordulatra es menetemelkeds (nm, ill. Angstrom)p=nh

Kzmegegyezsre a jobbmenetes hlixre n pozitv, balmenetesre negatv

n=5 n=4 n=3 n=2 n=-3

gyr jobbmenetes hlix jobbmenetes hlix lapos szalag balmenetes hlix

Az a-hlix


141/387

Ajobbmenetes a-hlix(Pauling s Corey 1951)

A leggyakoribb msodlagos szerkezeti elem n =3,6 (aminosav / teljes fordulat) h=1,5 (hlix-emelkeds / aminosav) p=hn=5,4 (hlix-emelkeds)

=-57o, =-47O H-hidak: n(C=O)s n+4(N-H)kztt H-hidat kpz atomok kztti atomok szma: 13 (3,613-

hlix)

tlagos hossz: 12 aminosavnyi (18 ) hlix diplus momentum hlix sapka (capping)

Amino-terminus

Az alfa-hlix szerkezett lncon belli H-hidakstabilizljk, az R csoportok kifel llnak


142/387

Amino terminus

Karboxil-terminus

SznHidrogn

OxignNitrognR csoport

Kpzeletbeli tengelykrl ramutat

jrsval ellenttesirnyba tekeredik,

mint a jobbkz ujjai.


143/387

h=1,5

p=5,4

A hlix belsejben nincs reg, tkletes a trkitlts

Amino-terminus A peptidkts sajt diplus momentuma miatt azazonos irnyban ll peptidktsek a hlixnek

d di l kl k


144/387

Karboxil-terminus

ered diplus momentumot klcsnznek.Az amino-terminlis vgnl savas, a karboxil terminus

vgen bzikus aminosavak stabilizlhatjk a diplust.

A szerkezeten belli H-hidak elrendezdst gy islehet brzolni. A hlixet azzal is lehet jellemezni, hogyhny atom van az egymssal H-hidat kpez atomok

kztt. Az brn az a-hlix szerepel, ahol 13 atom vankzttk. A teljes menetemelkedsre es csoportokatis jelezve: az a-hlix egy (3,613-hlix)

-lemez A -lncok-lemez-eket hoznak ltre

a lemezeket a lncok kztti H-hidaktartjk ssze


145/387

j a lncok elrendezdse lehet antiparallel s parallel antiparallel: n=2; h=3,4 ; =139o, = +135o

parallel: n=2; h=3,2 ;=119o, = +113o tlagosan 5-12 aminosav maradk / lnc tlagosan 2-12 lnc/lemez a kialakul lemez lehet tiszta parallel, antiparallel, vagy vegyes

vegyes -lemez

Az oldallncoka lncon haladvafelvltva a lemez skja fl s alnylnak.

Parallel lncnl kevsb

egyenesek, de egyenletesenhelyezkednek el.

Antiparallel lncoknl a H-hidakegyenesebbek, de kevsbegyenletesek.

Antiparallel -lemez


146/387

fellnzet

oldalnzet

Parallel -lemez


147/387

fellnzet

oldalnzet

A -kanyarok

A hlixek s -lncok nyjtott szerkezetek. A fehrjkben ezekbl vissza kellkanyarodni ahhoz hogy 3D szerkezet jjjn ltre A visszakanyarods

Bevezetes a Biokemiaba IA-Egyesitett Anyag-2012

Documents

Transcript of Bevezetes a Biokemiaba IA-Egyesitett Anyag-2012