View
221
Download
0
Category
Preview:
Citation preview
7/29/2019 Bevezetes a Biokemiaba IA-Egyesitett Anyag-2012
1/387
Bevezets a biokmiba IA
BSc kurzus szmra
palgabor@elte.hu
Elad: Pl Gbordocens
7/29/2019 Bevezetes a Biokemiaba IA-Egyesitett Anyag-2012
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)
7/29/2019 Bevezetes a Biokemiaba IA-Egyesitett Anyag-2012
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
7/29/2019 Bevezetes a Biokemiaba IA-Egyesitett Anyag-2012
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)
7/29/2019 Bevezetes a Biokemiaba IA-Egyesitett Anyag-2012
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)
7/29/2019 Bevezetes a Biokemiaba IA-Egyesitett Anyag-2012
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
7/29/2019 Bevezetes a Biokemiaba IA-Egyesitett Anyag-2012
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
7/29/2019 Bevezetes a Biokemiaba IA-Egyesitett Anyag-2012
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
7/29/2019 Bevezetes a Biokemiaba IA-Egyesitett Anyag-2012
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
7/29/2019 Bevezetes a Biokemiaba IA-Egyesitett Anyag-2012
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
7/29/2019 Bevezetes a Biokemiaba IA-Egyesitett Anyag-2012
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.
7/29/2019 Bevezetes a Biokemiaba IA-Egyesitett Anyag-2012
12/387
ALAPELVEK
DNS mint rktanyag (+ RNS vrusok, prionok) Informciramls: DNS RNS fehrje
(centrlis dogma, Francis Crick)
Lineris informci trbeli szerkezet specifits, funkci
7/29/2019 Bevezetes a Biokemiaba IA-Egyesitett Anyag-2012
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)
7/29/2019 Bevezetes a Biokemiaba IA-Egyesitett Anyag-2012
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
7/29/2019 Bevezetes a Biokemiaba IA-Egyesitett Anyag-2012
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
7/29/2019 Bevezetes a Biokemiaba IA-Egyesitett Anyag-2012
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.
7/29/2019 Bevezetes a Biokemiaba IA-Egyesitett Anyag-2012
17/387
A sejtek molekulris felptse
hierarchikus
Krnyezeti prekurzorok, intermedierek
vzacett formamid
7/29/2019 Bevezetes a Biokemiaba IA-Egyesitett Anyag-2012
18/387
ptkvek (pl. nukleotidok, aminosavak,
monoszacharidok, zsrsavak, glicerin stb.)
Cisztein -D-glkz
7/29/2019 Bevezetes a Biokemiaba IA-Egyesitett Anyag-2012
19/387
MAKROMOLEKULK (>1kDa)
poliszacharidok
pl. kemnytRNS-ek
pl. tRNS
DNS
lipidek
(nem makromolekulk,de modulris felptsek)
pl. membrn foszfolipidek
fehrjkpl. hexokinz
7/29/2019 Bevezetes a Biokemiaba IA-Egyesitett Anyag-2012
20/387
Szupramolekulris komplexek
riboszma, sejtvz, multi-enzim komplexek, vrusok stb.
aktin
filamentum 29 fgRiboszma 50S alegysg
1600 kD
7/29/2019 Bevezetes a Biokemiaba IA-Egyesitett Anyag-2012
21/387
E. coli sejt (~106 nagyts)
sejt trfogata: 2x10-12 cm3
E. coliRiboszma
Fehrje
mRNS tRNS DNS
Lipopoliszacharidok
Foszfolipid
Lipoprotein
Peptidoglikn
Flagellum
7/29/2019 Bevezetes a Biokemiaba IA-Egyesitett Anyag-2012
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)
7/29/2019 Bevezetes a Biokemiaba IA-Egyesitett Anyag-2012
23/387
2. KMIAI ALAPOK-1Az l szervezetek alapvetvegylet-tpusai,
a szn kzponti szerepe,konfigurci s konformci,
az l szervezetek f kmiai reakcii
7/29/2019 Bevezetes a Biokemiaba IA-Egyesitett Anyag-2012
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!
7/29/2019 Bevezetes a Biokemiaba IA-Egyesitett Anyag-2012
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!
7/29/2019 Bevezetes a Biokemiaba IA-Egyesitett Anyag-2012
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
7/29/2019 Bevezetes a Biokemiaba IA-Egyesitett Anyag-2012
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
7/29/2019 Bevezetes a Biokemiaba IA-Egyesitett Anyag-2012
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
7/29/2019 Bevezetes a Biokemiaba IA-Egyesitett Anyag-2012
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
7/29/2019 Bevezetes a Biokemiaba IA-Egyesitett Anyag-2012
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
7/29/2019 Bevezetes a Biokemiaba IA-Egyesitett Anyag-2012
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
7/29/2019 Bevezetes a Biokemiaba IA-Egyesitett Anyag-2012
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
7/29/2019 Bevezetes a Biokemiaba IA-Egyesitett Anyag-2012
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
7/29/2019 Bevezetes a Biokemiaba IA-Egyesitett Anyag-2012
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)
7/29/2019 Bevezetes a Biokemiaba IA-Egyesitett Anyag-2012
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
7/29/2019 Bevezetes a Biokemiaba IA-Egyesitett Anyag-2012
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
7/29/2019 Bevezetes a Biokemiaba IA-Egyesitett Anyag-2012
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
7/29/2019 Bevezetes a Biokemiaba IA-Egyesitett Anyag-2012
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
7/29/2019 Bevezetes a Biokemiaba IA-Egyesitett Anyag-2012
39/387
Az l szervezetekben lejtszd f ltalnosreakcitpusok
Oxidci-Redukci
C-C kts hasads ill. kpzds
Molekuln belli trendezds
Csoport transzfer
Kondenzci vzkilpssel
7/29/2019 Bevezetes a Biokemiaba IA-Egyesitett Anyag-2012
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
7/29/2019 Bevezetes a Biokemiaba IA-Egyesitett Anyag-2012
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
7/29/2019 Bevezetes a Biokemiaba IA-Egyesitett Anyag-2012
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
7/29/2019 Bevezetes a Biokemiaba IA-Egyesitett Anyag-2012
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
7/29/2019 Bevezetes a Biokemiaba IA-Egyesitett Anyag-2012
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
7/29/2019 Bevezetes a Biokemiaba IA-Egyesitett Anyag-2012
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
7/29/2019 Bevezetes a Biokemiaba IA-Egyesitett Anyag-2012
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
7/29/2019 Bevezetes a Biokemiaba IA-Egyesitett Anyag-2012
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
7/29/2019 Bevezetes a Biokemiaba IA-Egyesitett Anyag-2012
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.
7/29/2019 Bevezetes a Biokemiaba IA-Egyesitett Anyag-2012
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)
7/29/2019 Bevezetes a Biokemiaba IA-Egyesitett Anyag-2012
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
7/29/2019 Bevezetes a Biokemiaba IA-Egyesitett Anyag-2012
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)
7/29/2019 Bevezetes a Biokemiaba IA-Egyesitett Anyag-2012
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
7/29/2019 Bevezetes a Biokemiaba IA-Egyesitett Anyag-2012
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
7/29/2019 Bevezetes a Biokemiaba IA-Egyesitett Anyag-2012
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
7/29/2019 Bevezetes a Biokemiaba IA-Egyesitett Anyag-2012
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
7/29/2019 Bevezetes a Biokemiaba IA-Egyesitett Anyag-2012
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
7/29/2019 Bevezetes a Biokemiaba IA-Egyesitett Anyag-2012
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
7/29/2019 Bevezetes a Biokemiaba IA-Egyesitett Anyag-2012
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
7/29/2019 Bevezetes a Biokemiaba IA-Egyesitett Anyag-2012
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
7/29/2019 Bevezetes a Biokemiaba IA-Egyesitett Anyag-2012
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
7/29/2019 Bevezetes a Biokemiaba IA-Egyesitett Anyag-2012
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
7/29/2019 Bevezetes a Biokemiaba IA-Egyesitett Anyag-2012
62/387
Folykonyvz: tlagosan 15%-kal kevesebb H-hd
~3,4 H-hd / molekula
dinamikus, fluktul szerkezet (2x10-11 sec)(50 millirdvltsmsodpercenknt!)
7/29/2019 Bevezetes a Biokemiaba IA-Egyesitett Anyag-2012
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
7/29/2019 Bevezetes a Biokemiaba IA-Egyesitett Anyag-2012
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.
7/29/2019 Bevezetes a Biokemiaba IA-Egyesitett Anyag-2012
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
7/29/2019 Bevezetes a Biokemiaba IA-Egyesitett Anyag-2012
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
7/29/2019 Bevezetes a Biokemiaba IA-Egyesitett Anyag-2012
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
7/29/2019 Bevezetes a Biokemiaba IA-Egyesitett Anyag-2012
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
7/29/2019 Bevezetes a Biokemiaba IA-Egyesitett Anyag-2012
69/387
pH skla
hipszalmikszesz
szdiumbikarbont
tengervzvr, knnynyl
feketekv
srvrsborklacitromlgyomorsav
1M ssav
semleges
egyrebzikusabb
egyresavasabb
Sav bzis reakcik vizes kzegben:
7/29/2019 Bevezetes a Biokemiaba IA-Egyesitett Anyag-2012
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
7/29/2019 Bevezetes a Biokemiaba IA-Egyesitett Anyag-2012
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
7/29/2019 Bevezetes a Biokemiaba IA-Egyesitett Anyag-2012
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)
7/29/2019 Bevezetes a Biokemiaba IA-Egyesitett Anyag-2012
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
7/29/2019 Bevezetes a Biokemiaba IA-Egyesitett Anyag-2012
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.
7/29/2019 Bevezetes a Biokemiaba IA-Egyesitett Anyag-2012
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
7/29/2019 Bevezetes a Biokemiaba IA-Egyesitett Anyag-2012
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.
7/29/2019 Bevezetes a Biokemiaba IA-Egyesitett Anyag-2012
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
7/29/2019 Bevezetes a Biokemiaba IA-Egyesitett Anyag-2012
78/387
Foszforsavanhidrid
Foszforsav-szter
Karbonsav-szter
Acil-szter (vegyes savanhidrid)
7/29/2019 Bevezetes a Biokemiaba IA-Egyesitett Anyag-2012
79/387
4-Termodinamikai ttekints
l f l k
7/29/2019 Bevezetes a Biokemiaba IA-Egyesitett Anyag-2012
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
7/29/2019 Bevezetes a Biokemiaba IA-Egyesitett Anyag-2012
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
7/29/2019 Bevezetes a Biokemiaba IA-Egyesitett Anyag-2012
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
7/29/2019 Bevezetes a Biokemiaba IA-Egyesitett Anyag-2012
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
7/29/2019 Bevezetes a Biokemiaba IA-Egyesitett Anyag-2012
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
7/29/2019 Bevezetes a Biokemiaba IA-Egyesitett Anyag-2012
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
7/29/2019 Bevezetes a Biokemiaba IA-Egyesitett Anyag-2012
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)
7/29/2019 Bevezetes a Biokemiaba IA-Egyesitett Anyag-2012
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)
7/29/2019 Bevezetes a Biokemiaba IA-Egyesitett Anyag-2012
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
7/29/2019 Bevezetes a Biokemiaba IA-Egyesitett Anyag-2012
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
7/29/2019 Bevezetes a Biokemiaba IA-Egyesitett Anyag-2012
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
7/29/2019 Bevezetes a Biokemiaba IA-Egyesitett Anyag-2012
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
7/29/2019 Bevezetes a Biokemiaba IA-Egyesitett Anyag-2012
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
7/29/2019 Bevezetes a Biokemiaba IA-Egyesitett Anyag-2012
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
7/29/2019 Bevezetes a Biokemiaba IA-Egyesitett Anyag-2012
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
7/29/2019 Bevezetes a Biokemiaba IA-Egyesitett Anyag-2012
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
7/29/2019 Bevezetes a Biokemiaba IA-Egyesitett Anyag-2012
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
7/29/2019 Bevezetes a Biokemiaba IA-Egyesitett Anyag-2012
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
7/29/2019 Bevezetes a Biokemiaba IA-Egyesitett Anyag-2012
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
7/29/2019 Bevezetes a Biokemiaba IA-Egyesitett Anyag-2012
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
7/29/2019 Bevezetes a Biokemiaba IA-Egyesitett Anyag-2012
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
7/29/2019 Bevezetes a Biokemiaba IA-Egyesitett Anyag-2012
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
7/29/2019 Bevezetes a Biokemiaba IA-Egyesitett Anyag-2012
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
7/29/2019 Bevezetes a Biokemiaba IA-Egyesitett Anyag-2012
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
7/29/2019 Bevezetes a Biokemiaba IA-Egyesitett Anyag-2012
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
7/29/2019 Bevezetes a Biokemiaba IA-Egyesitett Anyag-2012
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.
7/29/2019 Bevezetes a Biokemiaba IA-Egyesitett Anyag-2012
106/387
5-Aminosavak, peptidek, s a
fehrjk elsdleges szerkezete
A legnpesebb, legtmegesebb,legvltozatosabb makromolekulk
Fehrje = protein(grg protos legels)
7/29/2019 Bevezetes a Biokemiaba IA-Egyesitett Anyag-2012
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
7/29/2019 Bevezetes a Biokemiaba IA-Egyesitett Anyag-2012
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
7/29/2019 Bevezetes a Biokemiaba IA-Egyesitett Anyag-2012
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
7/29/2019 Bevezetes a Biokemiaba IA-Egyesitett Anyag-2012
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
7/29/2019 Bevezetes a Biokemiaba IA-Egyesitett Anyag-2012
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
7/29/2019 Bevezetes a Biokemiaba IA-Egyesitett Anyag-2012
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
7/29/2019 Bevezetes a Biokemiaba IA-Egyesitett Anyag-2012
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
7/29/2019 Bevezetes a Biokemiaba IA-Egyesitett Anyag-2012
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
7/29/2019 Bevezetes a Biokemiaba IA-Egyesitett Anyag-2012
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
7/29/2019 Bevezetes a Biokemiaba IA-Egyesitett Anyag-2012
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
7/29/2019 Bevezetes a Biokemiaba IA-Egyesitett Anyag-2012
117/387
Kicsi
Hidrofb
Polros
Tlttt
Negatv
Pozitv
Apr
Alifs
Aroms
Prolin
7/29/2019 Bevezetes a Biokemiaba IA-Egyesitett Anyag-2012
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
7/29/2019 Bevezetes a Biokemiaba IA-Egyesitett Anyag-2012
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
7/29/2019 Bevezetes a Biokemiaba IA-Egyesitett Anyag-2012
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
7/29/2019 Bevezetes a Biokemiaba IA-Egyesitett Anyag-2012
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
7/29/2019 Bevezetes a Biokemiaba IA-Egyesitett Anyag-2012
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
7/29/2019 Bevezetes a Biokemiaba IA-Egyesitett Anyag-2012
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
7/29/2019 Bevezetes a Biokemiaba IA-Egyesitett Anyag-2012
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
7/29/2019 Bevezetes a Biokemiaba IA-Egyesitett Anyag-2012
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?
7/29/2019 Bevezetes a Biokemiaba IA-Egyesitett Anyag-2012
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
7/29/2019 Bevezetes a Biokemiaba IA-Egyesitett Anyag-2012
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
7/29/2019 Bevezetes a Biokemiaba IA-Egyesitett Anyag-2012
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
7/29/2019 Bevezetes a Biokemiaba IA-Egyesitett Anyag-2012
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
7/29/2019 Bevezetes a Biokemiaba IA-Egyesitett Anyag-2012
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
7/29/2019 Bevezetes a Biokemiaba IA-Egyesitett Anyag-2012
131/387
6-A fehrjk msodlagos,harmadlagos s negyedleges
szerkezeteFibrzus s globulris fehrjk
7/29/2019 Bevezetes a Biokemiaba IA-Egyesitett Anyag-2012
132/387
A fehrjk szekunder szerkezeti
tpusai s a fibrzus fehrjktrszerkezete
Fehrjk konformcija Egy molekula konformcis llapotai az atomok olyan trbeli
7/29/2019 Bevezetes a Biokemiaba IA-Egyesitett Anyag-2012
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
7/29/2019 Bevezetes a Biokemiaba IA-Egyesitett Anyag-2012
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
7/29/2019 Bevezetes a Biokemiaba IA-Egyesitett Anyag-2012
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
7/29/2019 Bevezetes a Biokemiaba IA-Egyesitett Anyag-2012
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
7/29/2019 Bevezetes a Biokemiaba IA-Egyesitett Anyag-2012
137/387
A Ramachandran diagram
Az orig a csak elmletben Ez a diagram alaninok kztt kialakul polipeptid
7/29/2019 Bevezetes a Biokemiaba IA-Egyesitett Anyag-2012
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
7/29/2019 Bevezetes a Biokemiaba IA-Egyesitett Anyag-2012
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
7/29/2019 Bevezetes a Biokemiaba IA-Egyesitett Anyag-2012
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
7/29/2019 Bevezetes a Biokemiaba IA-Egyesitett Anyag-2012
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
7/29/2019 Bevezetes a Biokemiaba IA-Egyesitett Anyag-2012
142/387
Amino terminus
Karboxil-terminus
SznHidrogn
OxignNitrognR csoport
Kpzeletbeli tengelykrl ramutat
jrsval ellenttesirnyba tekeredik,
mint a jobbkz ujjai.
7/29/2019 Bevezetes a Biokemiaba IA-Egyesitett Anyag-2012
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
7/29/2019 Bevezetes a Biokemiaba IA-Egyesitett Anyag-2012
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
7/29/2019 Bevezetes a Biokemiaba IA-Egyesitett Anyag-2012
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
7/29/2019 Bevezetes a Biokemiaba IA-Egyesitett Anyag-2012
146/387
fellnzet
oldalnzet
Parallel -lemez
7/29/2019 Bevezetes a Biokemiaba IA-Egyesitett Anyag-2012
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
7/29/
Recommended