B IO C H E M IA HARPERA

a LANGE medical book

Harper's

Twenty-second Edition

Biochemistry

Robert K. Murray, MD, PhD Professor of Biochemistry Universtty of Toronto Daryl K. Granner, MD Professor and Chairman Department of Moiecuiar Physiology and Biophysics Professor of Medicine Vanderbitt University Nashville, Tennessee Peter A. Mayes, PhD, DSc Reader in Biochemistry Roya Veterinary College University of London Victor W. Rodwell, PhD Professor of Biochemistry Purdue University West Lafayette, Indiana

Prentice-Hall International Inc.

Robert K. Murray, Daryl K. Granner, Peter A. Mayes, Victor W. Rodwell

B IO C H E M IA HARPERAWydanie III Redaktor naukowy tumaczenia Franciszek Kokot

IHhl. Medyczna CM ID

1816004318

Warszawa 1995 Wydawnictwo Lekarskie PZWL50LA T

Copyright for the Polish Edition by ydawnictwo Lekarskie PZWL J994, 1995

Z oryginau angielskiego Harper's Biochemistry ed. 22Copyright 1990 by Appleton Lange Ali Rights Reserved i rozdz. 60, 64 z oryginau angielskiego Harper's Btochemistry ed. 23 Copyright 1993 by Appleton Lange Alt Rights Reserved

pod red. prof. dra hab. FRANCISZKA KOKOTA TumaczyliDoc. med. ZENON ALEKSANDROWICZ (rozdz. 1219) Prof. dr hab. MIECZYSAW CHORY (rozdz. 3542) Prof. dr hab. MARIAN DRD (rozdz. 57, 58) Prof. dr hab. ZOFIA KILASKA (rozdz. 25) Prof. dr hab. LEOKADIA KYSZEJKO-STEFANOWICZ (rozdz. 1, 6, 32, 33) Prof. dr hab. FRANCISZEK KOKOT (rozdz. 4456, 60, 62 i przedmowa) Prof. dr hab, WANDA MAGORZATA KRAJEWSK (rozdz. 7, 10, l i , 34) Prof. dr hab. EUGENIUSZ KUCHARZ (rozdz. 63) Prof, dr hab. BOHDAN LEWARTOWSKI (rozdz. 59) Prof. dr hab. ANNA LIPISKA (rozdz. 8, 9, 30, 31) Prof. dr hab. JERZY VETULANI (rozdz. 64) Prof. dr hab. TADEUSZ WILCZOK (rozdz. 43, 61) Prof. dr hab. MARIUSZ ZYDOWO (rozdz. 2029) Projekt okadki i strony tytuowej Anna Dluiewaka Redaktorzy Krystyna Chjcka, Renata Piotrowska-Siemdzka Redaktor techniczny Joanna Godowska Korektorzy Zesp

1SBN 83-200-1798-XWydawnictwo Uliatskie PZWL Warszawa ]5 Wydanie Iii Cieszyska Drukarnia Wydawnicza ul. Pokoju I, 43-400 Cieszyn Zam. nr 2543/K-94

PRZEDMOWA / 5

Przedmowa do wydania polskiegoDo rk Czytelnika oddajemy tumaczenie 22. wydania Biochemii Harpera". W trakcie tumaczenia ukazao si wydanie 23. tej ksiki, wzbogacone o kitka nowych rozdziaw w stosunku do wydania 22. Dlatego te, chcc dostarczy Czytelnikom moliwie aktualnej wiedzy, postanowiono wczy do wydania 22. dwa nowe rozdziay z wydania 23. (Erytrocyty i leukocyty" oraz Podoe biochemiczne niektrych chorb neuropsychiatrycznych"), uwzgldniajc stan wiedzy z koca 1992 r. Jako redaktor naukowy, odpowiedzialny za obecne polskie wydanie ksiki, kieruj wyrazy gbokiego szacunku i podzikowania do wszystkich Wsptumaczy za trud woony w tumaczenie poszczeglnych rozdziaw. Pragn podkreli, e tumaczenie ksiki natrafiao na due trudnoci w zakresie mianownictwa biochemicznego, czsto nie ustabilizowanego nie tylko w skali naszego kraju, lecz take midzynarodowej. Tote sdz, e warto merytoryczna, a nie nomenklaturowa, bdzie gwnym kryterium oceny ksiki przez Czytelnikw. Pragn wyrazi nadziej, e i obecne wydanie Biochemii Harpera" nie tylko speni wymagania starych" Czytelnikw tej ksiki, lecz take przysporzy jej wielu nowych Czytelnikw i przyjaci.

Prof. dr hub. med. Franciszek Kokot

PRZEDMOWA / 7

PrzedmowaBiochemia Harpera" dostarcza zwizej, cho dostatecznie szerokiej, wiedzy dotyczcej podstaw biochemii i biologii molekularnej. Zawiera ona liczne przykady na to, e wiedza biochemiczna jest niezbdna do zrozumienia mechanizmw podtrzymujcych zdrowie oraz przyczyn i racjonalnego leczenia licznych chorb, jakimi s szczeglnie zainteresowani lekarze i inni pracownicy opieki zdrowotnej. Zmiany dokonane w wydaniu 22. Dwa cele przywiecay autorom przygotowujcym obecne wydanie: 1) przedstawienie moliwie najnowszej wiedzy biochemicznej, potrzebnej przy studiowaniu medycyny oraz 2) dostarczenie studentom medycyny i innych nauk dotyczcych zdrowia ksiki interesujcej i lubianej przez uytkownika. Odzwierciedleniem tego jest ukad i tre nowego wydania. Wszystkie rozdziay zostay przeredagowane z uwzgldnieniem wanych postpw wiedzy biochemicznej. We wstpie wikszoci rozdziaw zasygnali zowano gwne problemy bdce ich treci. Zredukowano szczegowe omawianie drugorzdowych szlakw metabolicznych. Liczne ryciny zmodyfikowano w celu po prawienia ich czytelnoci. Wczono nowe rozdziay dotyczce Wody i pH", Witamin rozpuszczalnych w wo dzie", Witamin rozpuszczalnych w tusz czach", Utleniania kwasw tuszczowych i ketogenezy", ywienia" i Przemiany ksenobiotykw". W ostatnim rozdziale, ktry jest rwnie nowy, znajduje si zwize omwienie bio chemicznych aspektw przyczyn i mechaniz mw chorb. Na podstawie historii choroby 8 chorych zilustrowano uyteczno wiedzy biochemicznej dla medycyny. Przedstawione przypadki dotycz gwnych klas przyczyn chorobowych. Rozdzia ten, wraz z suple mentem omawiajcym testy laboratoryjne, stanowi pomost wypeniajcy dotychczaso w luk dzielc biochemi od kliniki. Ukad ksiki Tekst skada si z 3 rozdziaw wprowadzajcych i 6 gwnych dziaw. Dzia 1 jest powicony biakom i enzymom, bdcym komi roboczymi organizmu. Poniewa wikszo reakcji zachodzcych w komrkach ludzkich ma charakter enzymatyczny, jest istotne zapoznanie si z waciwociami enzymw przed omawianiem innych problemw. W dziale II przedstawiono a) rne reakcje komrkowe, w ktrych zachodzi utylizacja lub wytwarzanie nonikw energetycznych oraz b) szlaki syntezy i rozkadu wglowodanw i lipidw. Ponadto przedstawiono funkcj poszczeglnych zwizkw nalecych do wymienionych klas czsteczek. W dziale III omwiono poszczeglne aminokwasy i ich losy oraz przemiany tych zwizkw przebiegajce ze zuytkowaniem lub wytwarzaniem energii. W dziale IV przedstawiono struktur i funkcj kwasw nukleinowych oraz szlak DNA-tRNA->biaka. W tej czci opisano rwnie zasady technologii rekombinacji DNA, tj. zagadnienie o niezwykych implikacjach w dyscyplinach biomedycznych. Treci dziau V s hormony i ich kluczowa rola w komunikacji midzykomrkowej i regulacji poszczeglnych szlakw metabolicznych. Po to, aby hormony mogy zadziaa na komrk, musz mie kontakt z bonami komrkowymi. Nic wic dziwnego, e pocztek tego dziau jest powicony strukturze i funkcjom bon. Dzia VI skada si z 7 specjalnych rozdziaw, w tym nowego rozdziau omawiajcego przemian ksenobiotykw i biochemiczne aspekty niektrych chorb. W suplemencie podano zwiz interpretacj wynikw bada laboratoryjnych i gwne ich implikacje diagnostyczne.

8 / PRZEDMOWA

Podzikowanie Autorzy pragn wyrazi podzikowanie Panu Aleksandrowi Kugushewowi; wiele zmian dokonanych w tym wydaniu nie mogoby by zrealizowanych bez Jego staego zainteresowania, rady, popychania sprawy" i zachcania. Nasza wdziczno naley si rwnie naszym zawodowym Kolegom i Przyjacioom z caego wiata za przekazane sugestie, majce na celu poprawienie ksiki. Zachcamy ich, aby w dalszym cigu wykazali zainteresowanie ksik i nie szczdzili wysiku w jej ulepszaniu. Za szczeglnie cenne uwaamy opinie wyraone przez studentw.

Autorzy czuj si szczeglnie usatysfakcjonoszerok akceptacj i poparciem ksiki w ca ^ m wiecie. Przedruki licznych wyda opublikowanych w jzyku angielskim ukazay sie w Japonii, Libanie, na Tajwanie, Filipinach oraz w Korei. Ponadto ksik przetumaczono na j zy ^ woski, hiszpaski, francuski, portugalski, japoski, polski, niemiecki, serbsko-chorwacki i grecki,wam

,

__ RKM _ __ DKG _ __ PAM _ __VWR _

SPIS TRECI / 9

Spis treci1. Biochemia i medycyna Robert K. Murray ............................................................ 2. Biomolekuy i metody biochemiczne Robert K. Murray .................................... 3. Woda i pH Victor W. Rodwell ...............................................................................Cz I. Budowa oraz funkcje biaek i enzymw .................................... 1 1 16 26

35 35 49 59 70 82 94 110 118 131 131 139 147 161 173 188 198 207 217 226 239 251 260 274 284 294 314 329 337 337 344 357

4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11.

Aminokwasy Victor W. Rodwell ............................................................................ Peptydy Victor W. Rodwell .................................................................................. Biaka: struktura i waciwoci Victor W. Rodwell ............................................. Biaka; mioglobina i hemoglobina Vtctor W. Rodwell ....................................... Enzymy: waciwoci oglne Victor W. Rodwell ................................................ Enzymy: kinetyka Victor W. Rodwell .................................................................... Enzymy: mechanizmy dziaania Victor W. Rodwell ............................................. Enzymy: regulacja aktywacji Victor W. Rodwell ............................................... lipidw

Cz II. Bioenergetyka i metabolizm wglowodanw oraz

12. Bioenergetyka Peter A. Mayes ............................................................................ 13. Utlenianie biologiczne Peter A. Mayes .................................................................14._ Fosforylacja oksydacyjna i mitochondrialne systemy transportujce Peter A. Mayes ............................................................................. 15. Wglowodany o znaczeniu fizjologicznym Peter A. Mayes ............................... 16. Lipidy o znaczeniu fizjologicznym Peter A. Mayes ............................................. 17. Zarys przemian porednich Peter A. Mayes ......................................................... 18. Cykl kwasu cytrynowego. Katabolizm acetylo-CoA Peter A. Mayes ............... y 19. Glikoliza i utlenianie pirogronianu Peter A. Mayes ............................................ 20. Metabolizm glikogenu Peter A. Mayes ................................................................ v 21. Glukoneogeneza i kontrola stenia glukozy we krwi Peter A. Mayes ............ 22. Szlak pentozofosforanowy oraz inne szlaki przemiany heksoz Peter A. Mayes 23. Biosynteza kwasw tuszczowych Peter A. Mayes ............................................. 24. Utlenianie kwasw tuszczowych: ketogeneza Peter A. Mayes ......................... 25. Metabolizm nienasyconych kwasw tuszczowych i eikozanoidw Peter A. Mayes .............................................................................................................................. 26. Metabolizm acylogliceroli i sfingolipidw Peter A. Mayes .............................. 27. Transport i magazynowanie lipidw Peter A. Mayes ......................................... 28. Synteza, transport i wydalanie cholesterolu Peter A. Mayes ............................ 29. Integracja metabolizmu i dostarczanie substratw energetycznych do tkanek Peter A. Mayes ................................................................................................... Cz III. Metabolizm biaek i aminokwasw ..........................................

30. Biosynteza aminokwasw, ktre nie musz by dostarczane w poywieniu Victor W. Rodwell ......................................................................... 31. Katabolizm biaek i azotu aminokwasw Victor W. Rodwell ............................ 32. Katabolizm szkieletw wglowych aminokwasw Victor W. Rodwell .............

10 / SPIS TRECI

33. Przemiana aminokwasw w wyspecjalizowane produkty Victor W. Rodwell . 34. Porfiryny i barwniki ciowe Robert K. Murray .................................................Cz IV. Budowa, czynno i replikacja m akroczsteczek informacyjnych

385 398

.................................................................... 415 415 425 443 456 476 491 508 529

35. 36. 37. 38. 39. 40. 41. 42.

Nukleotydy Victor W. Rodweil ............................................................................. Metabolizm nukleotydw purynowych i pi rym idy nowych Victor W. RoJwell . Struktura i funkcja kwasw nukleinowych Dary! K. Granner ........................... Organizacja i replika DNA Dary/ K. Granner ......................................................... Synteza, przeksztacenie i metabolizm RNA Dary/ K. Granner ......................... Synteza biaek i kod genetyczny Dary/ K. Granner ............................................. Regulacja ekspresji genu Dary/ K. Granner ......................................................... Technologia rekombinacji DNA Dary/ K. Granner .............................................

Cz V. Biochemia zewntrzkomrkowej i wewntrzkomrkowej komuni kacj i ............................................................ 549

43. 44. 45. 46. 47. 48. 49. 50. 51. 52.

Bony: struktura, organizacja i funkcja Dary/ K. Granner ..................................... 549 Charakterystyka ukadw hormonalnych Dary I K. Granner .............................. 573 Dziaanie hormonw Dary! K. Granner ................................................................. 584 Przysadka mzgowa i hormony podwzgrza Dary/ K. Granner .......................... 599 Hormony tarczycy Dary/ K. Granner .................................................................... 612 Hormony regulujce przemian wapniow Dary/ K. Granner ............................ 619 Hormony kory nadnerczy Dary/ K. Granner ......................................................... 629 Hormony rdzenia nadnerczy Dary! K. Granner ................................................... 645 Hormony gonadalne Dary I K. Granner ................................................................. 652 Hormony trzustki i odkowo-jelitowe Dary/ K. Granner .................................. 671 ............................................................................. 693 693 710 721 734 749 770 794 817 824 842 865 887 910 930 935

Cz VI. Zagadnieni a wybrane

53. 54. 55. 56. 57.

Struktura i funkcja witamin rozpuszczalnych w wodzie Peter A. Mayes . . . Struktura i funkcja witamin rozpuszczalnych w tuszczach Peter A. Mayes . . ywienie Peter A. Mayes ........................................................................................ Trawienie i wchanianie Peter A. Mayes .............................................................. Glikoproteiny i proteoglikany Robert K. Murray ................................................ 58. Biaka osocza, immunoglobitliny i czynniki krzepnicia Elizabeth J. Harfenist Robert K. Murray .............................................................. 59. Biaka kurczliwe i strukturalne Victor W. Rodwell, Robert K. Murray, Frederick W. Keetey .................................................................... 60. Metabolizm ksenobiotykw Robert K. Murray .................................................. 61. Rak, onkogeny i czynniki wzrostowe Robert K. Murray ..................................... 62. Biochemia a choroby Robert K. Murray .............................................................. 63. Erytrocyty i leukocyty Robert K. Murray ............................................................... 64. Podoe biochemiczne niektrych schorze neuropsychiatrycznych Robert K. Murray .................................................................................................... Dodatek ................................................................................................................................. Skrty spotykane w biochemii .......................................................................................... Skorowidz ..........................................................................................................................'.

Biochemia i medycynaRobert K. Murray, MD, PhD

WPROWADZENIE Biochemia jest to nauka zajmujca si rnorodnymi molekuami i zwizanymi z nimi reakcjami chemicznymi, ktre zachodz w ywych komrkach i organizmach. Kada informacja wykraczajca poza skrajnie powierzchown wiedz o yciu we wszystkich jego zrnicowanych przejawach wymaga poznania biochemii. Co wicej, studenci medycyny, zdobywajc solidn porcj wiedzy z zakresu biochemii, bd w stanie skonfrontowa zarwno w praktyce, jak i w pracy badawczej 2 podstawowe problemy wszystkich nauk medycznych: 1) zrozumienie, jak zachowa zdrowie oraz 2) zrozumienie istoty chorb i ich skuteczne leczenie. Biochemia to chemia ycia Biochemi mona, bardziej konwencjonalnie, zdefiniowa jako nauk dotyczc chemicznych podstaw ycia (gr. bios ycie). Komrka jest strukturaln jednostk organizmu ywego. Rozwaenie tej koncepcji prowadzi do funkcjonalnej definicji biochemii, jako nauki zajmujcej si chemicznymi skadnikami ywych komrek oraz reakcjami i procesami, ktrym one ulegaj. Zgodnie z ni biochemia obejmuje przepastne obszary biologii komrki i cao biologii molekularnej. Zadaniem biochemii jest opisanie i wyjanienie na poziomie molekularnym wszystkich procesw chemicznych zachodzcych w ywych komrkach Gwnym celem biochemii jest dogbne poznanie na poziomie molekularnym wszystkich procesw chemicznych zwizanych z yciem komrki. Aby wypeni to zadanie, biochemicy

usiuj wyizolowa liczne molekuy znajdujce si w komrkach, okreli ich struktur i zanalizowa, jak funkcjonuj. Przykadem takich dziaa s prby zrozumienia molekularnych podstaw skurczu procesu zwizanego przede wszystkim, ale nie wycznie, z komrkami miniowymi, co wymaga oczyszczenia wielu czsteczek zarwno prostych, jak i zoonych, a nastpnie poddania ich szczegowym badaniom strukturalno-funkcjonalnym. Dziki tym wysikom ustalono niektre cechy molekularnych podstaw skurczu mini. Kolejnym zadaniem biochemii jest usiowanie docieczenia, jak powstao ycie. Wiedza na ten fascynujcy temat pozostaje nadal w powijakach. Zasig biochemii jest tak niezmierzony, jak samo ycie. Gdziekolwiek to ycie si pojawia, tam zachodz procesy chemiczne. Biochemicy badaj je w mikroorganizmach, rolinach, owadach, rybach, ptakach, u niszych i wyszych ssakw oraz u ludzi. Studenci nauk biomedycznych bd zainteresowani zwaszcza biochemi 2 ostatnich grup. Naley jednak doceni rwnie biochemi mniej skomplikowanych form ycia, czsto bezporednio zwizan z biochemi czowieka. Ma przykad wspczesne teorie regulacji aktywnoci genw i enzymw u ludzi emanuj z pionierskich bada dotyczcych drody piekarskich i bakterii. Dziedzina rekombinacji DNA wyonia si z dowiadcze na bakteriach i ich wirusach. Szybko namnaania si (multyplikacji) i atwo wyekstrahowania ich materiau genetycznego czyni je odpowiednimi dla genetycznych analiz i manipulacji. Wiedza zdobyta z badania genw wirusw odpowiedzialnych za niektre typy raka u zwierzt (wirusowych onkogenw) zapewnia gruntowny wgld, w jaki sposb komrki ludzkie staj si nowotworw ymi.

12 / ROZDZIA 1

Znajomo biochemii jest istotna dla wszystkich nauk przyrodniczych, z medycyn wcznie Biochemia kwasw nukleinowych ley w sercu genetyki; z kolei zastosowanie metod genetycznych staio si kluczowe do wyjanienia wielu dziedzin biochemii. Fizjologia, badajca funkcjonowanie organizmu, niemal kompletnie pokrywa si z biochemi. Immunologia posuguje si licznymi technikami biochemicznymi, a wiele podej immunologicznych znalazo S2erokie zastosowanie w biochemii. Farmakologia i farmacja opieraj si na rzetelnej znajomoci biochemii i fizjologii, zwaszcza e wikszo lekw jest metabolizowana w reakcjach katalizowanych enzymatycznie, a skomplikowane interakcje pomidzy lekami najlepiej zrozumie za pomoc biochemii. Trucizny oddziauj na reakcje i procesy biochemiczne i to jest domen toksykologii. Biochemiczne podejcie znajduje coraz wicej zastosowania w badaniu podstawowych aspektw patologii (nauki o chorobach), np. stany zapalne, uszkodzenia komrek 1 nowotwory. Wiehi przedstawicieli mikrobiolo gii, zoologii i botaniki posuguje si niemal wycznie metodami biochemicznymi. Te po wizania nie s zaskoczeniem, poniewa ycie, jak wiadomo, polega na reakcjach i procesach biochemicznych. Istotnie, dawne bariery mi dzy naukami przyrodniczymi padaj, a bio chemia coraz bardziej staje si ich wsplnym jzykiem. Wzajemne oddziaywanie midzy biochemi a medycyn pobudza stay postp w obu tych dziedzinach Jak wspomniano na pocztku tego rozdziau, 2 gwne problemy pracownikw nauk medycz nych, a zwaszcza lekarzy, to: 1) zrozumienie, jak zachowa zdrowie oraz 2) zrozumienie istoty chorb i ich skuteczne leczenie. Biochemia zapisaa si na trwae w obu tych fundamentalnych zagadnieniach medycyny. Faktycznie wzajemne oddziaywanie biochemii i medycyny to tak, jak szeroka dwukierunkowa ulica. Analizy biochemiczne wyjaniy wiele aspektw z dziedziny zdrowia oraz choroby i odwrotnie, badanie rnych przejaww zdrowia i choroby otwiera coraz to nowe obszary przed biochemi. Wzajemna wsppraca medycyny i biochemii ma wane implikacje filozoficzne dla tej pierwszej. Jak dugo postpowanie lekarskie bdzie mocno zakorzenione w gruntownej znajomoci

biochemii oraz innych pokrewnych nauk podstawowych (np. fizjologii, mikrobiologii, ywienia), tak dugo medycyna praktyczna bdzie miaa racjonaln podstaw do zastosowania coraz to nowych osigni wiedzy. Kontrastuje to jaskrawo z kultem niekonwencjonalnej medycyny, ktra czsto opiera si na niczym wicej ni na micie, pobonych yczeniach i braku bazy intelektualnej. PRAWIDOWE PROCESY BIOCHEMICZNE S PODSTAW ZDROWIA wiatowa Organizacja Zdrowia (WHO) definiuje zdrowie jako stan w peni dobrego samopoczucia fizycznego, umysowego i socjalnego, a nie tylko jako brak choroby lub zniedonienia. Z czysto biochemicznego punktu widzenia zdrowie moe by rozwaane jako sytuacja, ktrej wszystkie z wielu tysicy reakcji wewntrz- i zewntrz komrkowych, zachodzcych w organizmie, przebiegaj z szybkoci adekwatn do jego maksymalnego przetrwania w stanie fizjologicznym. Badania biochemikw znajduj oddwik w odywianiu i medycynie prewencyjnej Gwnym warunkiem zachowania zdrowia jest pobieranie w poywieniu optymalnej iloci zwizkw chemicznych; gwnymi z nich s witaminy, niektre aminokwasy, pewne kwasy tuszczowe, rne substancje mineralne i woda. Wiele zagadnie z biochemii oraz ywienia dotyczy badania rnych aspektw tych wanie zwizkw chemicznych, wobec czego wspdziaanie obu wymienionych dyscyplin jest bardzo cise. Ponadto, ze wzgldu na denie do obnienia rosncych kosztw opieki lekarskiej, najprawdopodobniej wikszy nacisk zostanie pooony na systematyczne dziaania w celu zachowania zdrowia i zapobiegania chorobom, tj. na medycyn prewencyjn. Zatem podejcie ywieniowe do przeciwdziaania np. miadycy ttnic i nowotworom prawdopodobnie uzyska rosnce poparcie. Zrozumienie znaczenia odywiania zaley jednak w rozlegym zakresie od znajomoci biochemii.

BIOCHEMIA i MEDYCYNA /

13

Kada choroba ma biochemiczne uzasadnienie Wszystkie choroby s manifestacj zaburze w czsteczkach, reakcjach chemicznych i procesach. Gwne czynniki odpowiedzialne za powstawanie chorb u ludzi i zwierzt s wymienione w tab. l-l. Wszystkie one mog wpyn na jedn lub wicej zmian chorobotwrczych w reakcjach chemicznych lub molekuach organizmu.

Tabela 1 -1 . Gwne przyczyny chorb, wpywaj ce na rnorodne mechanizmy biochemiczne w ko mrce lub organizmie*

-

1.

Czynniki fizyczne: urazy mechaniczne, eks tremalne temperatury, nagle zmiany cinienia atmosferycznego, promieniowanie, szok elekt ryczny Czynniki chemiczna i leki: pewne zwizki toksyczne, rodki terapeutyczne itp. Czynniki biologiczne: wirusy, riketsje, bak terie, grzyby, wysze formy pasoytw Brak tlenu: niedokrwienie, zmniejszenie poje mnoci tlenowej krwi, zatrucie enzymw ok sydacyjnych

2. 3. 4.

5. Genetyczna: wrodzone, molekularne 6. Reakcje immunologiczne: anafilaksja. choroba autoimmunologiczna

7.

Zaburzania w odywianiu: miary

niedobory i nad

8. Zachwiania rwnowagi wewntrzwydzielniczej: niedobory i nadmiary hormonw * Zaadaptowano za zgod z: Robbins SL, Cotram RS, KumarV: The Pathologic Bas/s of D/sease, wyd. 3, Saunders, 1984.

Badania biochemiczne pomagaj w diagnozie, prognozie i leczeniu Istnieje bogata dokumentacja potwierdzajca zastosowanie biochemii w zapobieganiu chorobom, diagnozie i leczeniu chorb. Wiele dowodw na to mona znale w kolejnych rozdziaach tej ksiki. Jednake na tym etapie, w celu zilustrowania ogromu przedmiotu i zainteresowania nim Czytelnika, wydaje si niezbdne podanie 7 krtkich przykadw. 1. Czowiek musi pobra pewn liczb zoonych czsteczek organicznych, zwanych witaminami, aby utrzyma zdrowie. Witaminy s,

oglnie rzecz biorc, zamieniane w organizmie na bardziej kompleksowe czsteczki (koenzymy), ktre odgrywaj kluczow rol w wielu reakcjach komrkowych. Brak ktrej z witamin w poywieniu znajduje oddwik w spowodowanej tym faktem chorobie, takiej jak gnilec lub krzywica (wynikej odpowiednio z niedoboru witaminy C lub D). Wyjanienie kluczowej roli witamin, lub te ich aktywnych biologicznie pochodnych w komrkach zwierzcych i ludzkich jest gwnym wsplnym problemem biochemikw i dietetykw od przeomu naszego stulecia. Gdy tylko ustalono, e dana choroba jest wywoywana brakiem jakiej witaminy, wwczas stao si racjonalne jej leczenie podawaniem brakujcej witaminy. 2. Fakt, i wiele rolin- afrykaskich jest pozbawionych jednego lub kilku istotnych, czyli niezbdnych, aminokwasw, ktre musz by dostarczone z zewntrz w celu utrzymania zdro wia, pomg wytumaczy wyniszczajce nie doywienie biakowo-energetyczne (kwashiorkor), bdce chorob tych, dta ktrych owe roliny stanowi gwne rdo biaka. Leczenie niedoboru istotnych aminokwasw jest tu roz sdn konsekwencj, ale, niestety, nie zawsze moliw do przeprowadzenia. Polega ono na zapewnieniu wywaonej diety, zawierajcej od powiednie iloci wszystkich niezbdnych ami nokwasw. 3. Grenlandzcy Eskimosi (ang. Inuit) spoy waj due iloci oleju rybnego bogatego w nie ktre wieoRienasycone kwasy tuszczowe (ang. polyunsaturated fatty acids; skrt PUFA). Badania wykazay, e odznaczaj si oni maym steniem cholesterolu w osoczu i rzadk za chorowalnoci na miadyc ttnic. Te obser wacje wywoay ywe zainteresowanie moliwo ci stosowania PUFA w celu zmniejszenia stenia cholesterolu. Zarwno choroby wywoane brakiem witamin, jak i te spowodowane niedoborem istotnych aminokwasw, to przykady zaburze odywiania (p. tab. 1-1). Miadyca ttnic moe by uwaana za przykad zaburzenia spowodowanego nieprawidowym odywianiem, ale wi si z ni take inne, np. genetyczne, czynniki. 4. Stan znany jako fenyloketonuria (ang. phenylketonuria; skrt PKU) nie leczony prowadzi do cikich zaburze umysowych ju w dziecistwie. Podstawa biochemiczna PKU jest znana od ponad 30. lat. Jest to zaburzenie uwarunkowane genetycznie (tab. 1-1), spowo-

14 / ROZDZIALI dowane brakiem lub ma aktywnoci enzymu, ktry przeksztaca fenyloalanin w tyrozyn. W konsekwencji niedoboru enzymu, fenyloalanina i niektre jej metabolity, takie jak fenyloketony, gromadz si w tkankach i niszcz rozwijajcy si orodkowy ukad nerwowy. Odkd udowodniono natur biochemicznego zaburzenia w PKU, kolejnym logicznym krokiem stao si leczenie dzieci z fenyloketonuri diet o maej zawartoci fenyloalaniny. Gdy tylko masowe testy biochemiczne na rozpoznanie PKU zaraz po urodzeniu okazay si moliwe do przeprowadzenia, wwczas stao si realne skuteczne leczenie tej wady metabolicznej. 5. Mukowiscydoza (ac. fibrosis cystica) jest to znana choroba gruczow wydzielania ze wntrznego i gruczow potowych, uwarunko wana genetycznie (p. tab. 1-1), Charakteryzuje j nienaturalnie lepka wydzielina, ktra zatyka przewody wydzielnicze trzustki i oskrzeliki. Chorzy na mukowiscydoz maj take zwik szone iloci chlorkw w pocie. Ofiary tej choro by czsto umieraj w modym wieku na zakae nie puc. Bardzo niedawno (1989 r.) wyizolowa no i zsekwencjonowano gen zwizany z t chorob. Prawidowy gen koduje acuch 1480 aminokwasw biaka transbonowego, ktre wydaje si by kanaem dla chlorkw lub, prawdopodobnie, jakim regulatorem takiego kanau. Nieprawidowoci u prawie 70% cho rych na mukowiscydoz wydaje si by delecja 3 nukleotydw w DNA, co powoduje brak w tym transmembranowym biaku aminokwasu w pozycji 508, tj. reszty fenyloalaniny. W ja ki sposb ta delecja uszkadza czynno owego transbonowego biaka i powoduje gs ty luz, czeka Jeszcze na opracowanie. To wane zadanie powinno Uatwi odnalezie nie nonikw genu fibrosis cystica i spowo dowa racj onalniej sze leczenie ni obecne. Prawdopodobnie moliwe byoby przygoto wanie leku, ktry korygowaby zaburzenie w biaku transbonowym, a take nie jest wy kluczone, e mona by wprowadza prawid owy gen do komrek puc w wyniku leczenia genetycznego. 6. Analiza mechanizmu dziaania toksyny bakteryjnej, powodujcej choler, dostarczya wanego czynnika do zrozumienia przyczyny klinicznych objaww tej choroby (obfita bie gunka, utrata elektrolitw i wody z organizmu). 7. Odkrycie, i komary przenoszce zarodce (plazmodia) powodujce zimnic s w stanie wytworzy w sobie barier ochronn o podou biochemicznym na dziaanie rodkw owadobjczych, ma wane implikacje w prbach wyeliminowania tej choroby. Ten przykad i poprzednie reprezentuj choroby powodowane przez czynniki biologiczne (p, tab. 1-1), Wiele analiz biochemicznych nawietla mechanizmy chorb, ktre z kolei inspiruj badania w okrelonych dziaach biochemii Wstpne obserwacje, poczynione w pocztkach naszego stulecia przez angielskiego lekarza Archibalda Garroda na maej grupie wrodzonych wad metabolicznych, wzbudziy poszukiwanie biochemicznych przyczyn tego stanu. Badania dotyczce genezy przyczyn choroby uwarunkowanej genetycznie, znanej jako hipercholesterolemia rodzinna, bdcej przyczyn zaawansowanej miadycy ttnic w modym wieku, umoliwiy radykalny postp w dziedzinie receptorw komrkowych i mechanizmw przyswajania cholesterolu przez komrki. Prace z zakresu onkogenw w komrkach rakowych zwrciy uwag na mechanizmy molekularne zwizane z kontrolowaniem prawidowego wzrostu komrkowego. Te i wiele innych przykadw ilustruje, jak obserwacje poczynione w klinice mog otworzy szerokie obszary funkcjonowania komrek dla bada biochemicznych. TA KSIKA POMOE POWIZA WIEDZ Z ZAKRESU BIOCHEMII Z PROBLEMAMI KLINICZNYMI Kocowy rozdzia podsumowuje wiele koncepcji, pojawiajcych si w tekcie, dotyczcych powizania biochemii z patologi. Przykadami s tutaj take mechanizmy biochemiczne dziaajce w poszczeglnych chorobach, ktre powoduje kada z 8 przyczyn wymienionych w tab. 1-1. W suplemencie omwiono rwnie podstawowe rozwaania stosowane podczas interpretacji wynikw biochemicznych testw laboratoryjnych wykonywanych rutynowo w praktyce klinicznej. Gwnym celem tych stara jest pomoc i zachta dla Czytelnika, aby umia przetransponowa wiedz z zakresu biochemii w swoj dziaalno kliniczn. Wykorzystanie bada biochemicznych w odniesieniu do chorb mona podsumowa w 5 punktach.

BIOCHEMIA I MEDYCYNA / 16

Takie badania mog: 1) odkry przyczyny choroby, 2) zaproponowa racjonalne i skuteczne jej leczenie, 3) umoliwi masowe testy do wczesnej diag nozy, 4) uatwi monitorowanie postpw choroby, 5) uatwi ocen skutku leczniczego.

Suplement do tej ksiki opisuje najwaniejsze rutynowe biochemiczne testy diagnostyczne, uywane do wykrywania chorb (tzn. do celw okrelonych w pkt. 3, 4 i 5). Posuy on za poyteczne rdo informacji przy omawianiu biochemicznej diagnostyki chorb (np. zawau serca, ostrego zapalenia trzustki).

2

Biomolekuy i metody biochemiczneRobert K. Murray, MD, PhD

WPROWADZENIECelem niniejszego rozdziau jest przedstawienie 5 zagadnie istotnych dla zrozumienia biochemii oraz wskazania gwnych kierunkw pomagajcych w przyswojeniu wiedzy niniejszego podrcznika. Omwiono wic zwile kolejno: 1. Skad chemiczny organizmu i podstawowe klasy czsteczek w nim wystpujcych. 2. Budow struktur komrkowych i sposobu ich wydzielania. 3. Wag rozwiza dowiadczalnych i wa ciwego dobom metod stosowanych w biochemii. 4. Gwne osignicia w biochemii oraz 5. Sabo rozwinite dziay biochemii dotycz ce m.in. rozwoju, rnicowania, funkcji mzgu, nowotworw i innych chorb czowieka. Wobec powyszego by moe stan si one dla niektrych Czytelnikw motorem przyszego ich udziau w badaniach nad tymi problemami.

rol w licznych procesach biologicznych i znajduje si w centrum wielu aktualnie prowadzonych bada. Pierwiastki wyszczeglnione w kolumnie 3. tab. 2-1 peni rnorakie funkcje. Wikszo z nich spotyka si w codziennej praktyce lekarskiej u chorych z zaburzeniami rwnowagi elektrolitowej (K.+, Na + , Cl" i Mga+), niedokrwist oci spowodowan niedoborem elaza (Fe2+) lub chorobami tarczycy (I").Tabela 2-1. Przybliony skad chemiczny organizmu ludzkiego (w przeliczeniu na such mas)* Pierwiastek Procent Pierwiastek Procent Wgiel Tlen Wodr Azot Wap Fosfor50 20 10 8,5 4 2,5

Potas Siarka Sd Chlor Magnez elazo ManganJod

1

0,8 0,40,4 0,1

0,01 0.001 0,00006

ORGANIZM LUDZKI SKADA SI Z KILKU PIERWIASTKW, KTRE TWORZ RNE CZSTECZKI Gwne pierwiastki to: wgiel (C), wodr RNA-+ biako. Wydzielenie gwnych organelli komrek zwierzcych i ustalenie ich podstawowych funkcji. Stwierdzenie, e prawie wszystkie reakcje przebiegajce w komrkach katalizuj en zymy; oczyszczono i zbadano wiele enzymw oraz przedstawiono obszernie waciwoci i mechanizmy ich dziaania. Przedstawienie szlakw metabolicznych syn tezy i degradacji gwnych prostych i zoo nych biomoleku. Szlak syntezy danego zwiz ku w zasadzie rni si od szlaku jego de gradacji. Wyjanienie licznych aspektw regulacji me tabolizmu. Przedstawienie, w szerokim zakresie, w jaki sposb komrki zachowuj i wykorzystuj energi. Wyjanienie wielu aspektw budowy i funkcji rnych bon wystpujcych w komrkach, ktrych gwnymi skadnikami s biaka i li pidy. Przedstawienie, w oglnym zarysie, sposobu dziaania gwnych hormonw Wykrycie biochemicznych podstaw wieluchorb.

POZOSTAO WIELE DO ZBADANIAZdajc-sobie spraw, jak wiele zgromadzono wiadomoci biochemicznych, naley oceni, jak niewiele jeszcze wiadomo w wielu dziaach tej nauki. Dwa istotne problemy, wymagajce wyjanienia, dotycz ustalenia biochemicznych podstaw rozwoju i rnicowania oraz funkcji mzgu. Chocia obecnie dobrze poznano natur chemiczn materiau genetycznego, prawie nic nie wiadomo o mechanizmach, ktre wczaj i wyczaj geny w czasie rozwoju. Zrozumienie regulacji genw stanowi klucz do poznania, jak rnicuj si komrki i jak zmieniaj si w komrki nowotworowe. Wiedza o podziale komrkowym i wzrocie komrek prawidowych i nowotworowych oraz o ich regulacji jest bardzo skpa. Rzeczywicie nic nie wiadomo na temat biochemicznych podstaw zoonych zjawisk ncuronalnych, takich jak wiadomo i pami. Bardzo ograniczona jest rwnie nasza wiedza 0 mechanizmach wydzielania komrkowego. Pomimo pewnego postpu, molekularne pod stawy wikszoci gwnych chorb genetycznych nie s wyjanione, ale wiele nadziei niesie tech nologia rekombinacji DNA, zwiastujc zauwa alny rozwj w tej dziedzinie w cigu kilku najbliszych lat. Ludzki genom moe by zsekwencjonowany w nastpnym stuleciu lub wczeniej. Wiadomoci uzyskane przez tak ogromny wysiek bd potnym wyzwaniem dla biologii czowieka 1medycyny.

PIMIENNICTWOFreifelder D: Physica Biochemistry: Appiicalions to Biochemistry and Molecuar Biology. Fceeman, 1982. Fruton JS: Moecuks and Life; Historical Essays on the Interplay of Ckemistry and Biology. Wiley-Interscience, 1972, Weinberg RA: The molecules of life. Sci Am (Oct) 1985; 253: 48. [Entire issue is of interest.]

3WPROWADZENIEBiochemia dotyczy w wikszoci waciwoci i reakcji chemicznych zwizkw organicznych. Czsto jednak si zapomina, e w komrkach ywych wikszo reakcji chemicznych przebiega w rodowisku wodnym. Woda jest czynnym skadnikiem w wielu reakcjach biochemicznych i jest wanym czynnikiem determinujcym waciwoci makroczsteczek, takich jak biaka. Woda dysocjuje do jonw OH~ i H+. Termin pH stosuje si do okrelenia stenia jonw wodorowych w komrkach oraz pynach ustrojowych i stanowi kluczowe pojcie w biochemii i medycynie. Grupy funkcyjne (aminowe, karboksylowe itd.) biomoleku dysocjuj przy okrelonej wartoci pH, a wiele ich waciwoci biologicznych i fizycznych zaley od tej dysocjacji.

Woda i pHVicor W. Rodwel, PhD

ZNACZENIE BIOMEDYCZNEWiadomo, e dla zdrowia nieodzowna jest utrzymywana we wzgldnie wskich granicach. Dotyczy to oglnego rozmieszczenia wody, a take utrzymywania pH i stenia rnych elektrolitw, np. Na+, K+, Ca2+, Mg2+ i fosforanw w organizmie. Oglna zawarto wody w organizmie mczyzny waha si w granicach 5565% masy ciaa; mniejsza warto odnosi si do osb otyych. Dane dla kobiet s mniejsze, rednio o ok. 10%. Dwie trzecie wodyorganizmu stanowi pyn wewntrzkomrkowy stao rodowiska wewntrznego organizmu,

iey przede wszystkim od podwzgrza, kontrolujcego pragnienie, hormonu antydiuretycznego (ADH) i czynnoci nerek. Stany niedoboru wody i nadmiaru wody ustrojowej s powszechne. W wielu przypadkach towarzyszy im niedobr lub nadmiar jonw sodowych. Przyczynami niedoboru wody mog by: 1) zmniejszone jej pobieranie (np. podczas piczki) lub 2) nadmierne jej wydalanie (np. utrata z moczem w cukrzycy, przy silnych potach przez skr, w ostrej biegunce u dzieci, w przebiegu chslery). Nadmiar wody ustrojowej powoduj: 1) zwikszone pobieranie (np. przy nadmiernym podawaniu pynw doylnie) bd 2) zmniejszone jej wydalanie (np. w ostrej niewydolnoci nerek). U osb zdrowych pH pynu pozakomrkowego utrzymuje si w granicach 7,357,45. Bufor wodorowglanowy (HCOf/H2CO3) odgrywa szczeglnie wan rol w tym wzgldzie. Kiedy pH osiga warto poniej 7,35, wtedy dochodzi do stanu okrelanego jako kwasica, jeeli za pH przekroczy warto 7,45wystpuje zasado wica. Zaburzenia rwnowagi kwasowo-zasadowej mona zwykle

Regulacja rwnowagi wodnej jest zoona i za-

(ang. intraceliular fluid; skrt ICF), za pozosta cz reprezentuje pyn pozakomrkowy (ang. extracellular fluid; skrt ECF). Okoo 25% ECF wystpuje' w osoczu.

rozpozna oznaczajc pH krwi ttniczej, pCO2 oraz ogln zawarto COj we krwi ylnej, znajc poprzednio wymienione wartoci, stenie HCOf. Istniej liczne przyczyny kwasicy (ketoacydoza cukrzycowa, kwasica mleczanowa itp.) i zasadowicy (wymioty kwan treci odkow, dziaanie niektrych lekw moczopdnych itp.). Znajomo patogenezy zaburze rwnowagi wodnej i rwnowagi kwasowo-zasadowej jest podstaw waciwej diagnozy i ich leczenia. Wymaga to zatem poznania tych waciwoci wody, ktre umoliwiaj jej odegranie kluczowej roli w biochemii.

WODA I pH / 27

Czsteczka wody wykazuje budow tetraedryczn Czsteczka wody ma posta nieregularnego czworocianu (tetraedr) z atomem tlenu w jego rodku (ryc. 3-1). Dwa wizania z wodorem s skierowane w 2 rogi czworocianu, podczas gdy 2 pozostae rogi s zajte przez niesparowane elektrony na zhybrydyzowanych orbitalach 2sp3. Kt pomidzy 2 atomami wodoru a tlenem (105) jest nieco mniejszy ni kt tetraedryczny (109,5c), co przyczynia si do utworzenia nieznacznie skonego czworocianu.Ryc. 3-2. Tetraedryczna struktura amoniaku.

STRUKTURA TETRAEDRYCZNA I DIPOLARNY CHARAKTER WODY UATWIAJ REAKCJE W stanie ciekym woda jest stabilizowana przez wewntrzczsteczkowe wizania wodorowe, ktre tworz struktur wielkoczsteczkow przypominajc struktur lodu Czsteczki wody, z powodu dwubiegunowego charakteru, tworz uporzdkowane ukady (przypominajce patki niegu). Jednake uporzdkowanie takie, jak w czsteczce wody, nie ogranicza si do lodu. Woda w stanie ciekym wykazuje struktur wielkoczsteczkow, ktra jest cile rwnolega do rozkadu geometrycznego czsteczek wody w lodzie. Zdolno czsteczek wody do czenia si ze sob zarwno w stanie ciekym, jak i staym wynika z dipolarncgo charakteru wody. Pozostaje ona w stanie ciekym z powodu przemijajcego charakteru jej kompleksw wielkoczsteczkowych (okresu ptrwania asocjacji dysocjacji czsteczek wody ok. 1 as). W stanie staym kada czsteczka wody asocjuje z 4 innymi czsteczkami wody. W stanie ciekym liczba asocjujcych czsteczek jest nieco mniejsza (ok. 3,5) i w tym stanie woda swoj budow wielkoczsteczkow, z wyjtkiem przemijajcej natury wewntrzczsteczkowych interakcji, przypomina ld w znacznie wikszym stopniu ni mona byo pocztkowo przypuszcza. Dipolarny charakter czsteczek wody sprzyja ich wzajemnemu czeniu si w uporzdkowanym, precyzyjnym szyku, wynikajcym z wewntrznej geometrii czsteczki wody (ryc. 3-3).

Ryc. 3-1. Tetraedryczna struktura wody

Nierwnomierne rozmieszczenie adunku w czsteczce wody przyczynia si do utworzenia dipolu (czsteczki biegunowej) Lekko pochyla struktura czworocianu wody jest przyczyn nierwnomiernego rozmieszczenia w niej adunku. Przeciwlega do 2 atomw wodoru strona tlenu jest stosunkowo bogata w elektrony, natomiast druga strona, zawierajca wzgldnie odsonite jdra wodoru, tworzy obszar o adunku miejscowo dodatnim. Pojcie dipol" oznacza tak czsteczk, jak woda, w ktrej adunek elektryczny (elektrony) jest rozmieszczony nierwnomiernie. Amoniak, podobnie jak woda, jest tetraedryczn czsteczk dipolow W czsteczce amoniaku kty midzy wizaniami atomw wodoru (107) s zblione do kta tetraedrycznego nawet bardziej ni w wodzie {ryc. 3-2). Wiele zwizkw organicznych budujcych komrki jest dipolami, np. alkohole, fosfolipidy, aminokwasy i kwasy nukleinowe.

28 / ROZDZIA 3

V Ryc. 3-3. Strona Iswa: Asocjacja 2 dipoiarnych czsteczek wody. Linia kropkowana przedstawia wizanie wodorowe Strona prawa: Asocjacja czsteczki wody (rodkowej) z 4 innymi czsteczkami wody za pomoc wiza wodorowych. Struktura ta H ,, jest typowa dla lodu i w mniejszym stopniu dla wody w stanie ciekym.

V

wodorowe narzucaj uporzdkowanie struktury nie tylko wodzie, lecz take innym czsteczkom dipolowym, tak odmiennym od wody, jak alkohole, DNA i biaka. Tworzenie wiza wodorowych midzy przedstawicielami czsteczek wanych fizjologicznie zwizkw przedstawia ryc. 3-4. Powstawanie ich nie ogranicza si do czsteczek wody. Atomy wodoru, poczone z atomami azotu, mog uczestniczy take w wizaniach wodorowych. Problem ten bdzie rozpatrywany w dalszej czci ksiki w zwizku z omawianiem trjwymiarowej struktury biaek oraz regu czenia si (parowania) zasad azotowych w DNA,

Oddziaywanie elektrostatyczne midzy jdrem wodoru jednej czsteczki wody a woln par elektronw drugiej nazywa si wizaniem wodorowym. W porwnaniu do wiza kowalencyjnych, wizania wodorowe s raczej sabe. Rozerwanie wizania wodorowego w wodzie (w stanie ciekym) wymaga ok. 18,8 kJ/mol (4,5 kca!/mol), tj. ok. 4% energii wymaganej do rozerwania wizania OH w wodzie (461 kJ/mol=llO kcal/mol).

Czsteczki wody wykazuj ograniczon tendencj do dysocjacji (jonizowania) na jony H + i OH " : H2O ~ H+ + OH" Poniewa jony s w cigym ruchu, twcTrzc czsteczki wody i dysocjujc, trudno okreli, czy pojedynczy atom wodoru Jub tlenu wystpuje jako jon, czy jako cz czsteczki wody. W danym momencie moe by jonem, a w nastpnym czci czsteczki. Jonw oraz czsteczek wody nie rozpatruje si pojedynczo. Wiedzc, e 1 g wody zawiera 3,46 x 1022 czsteczek, jonizacj wody mona opisa statystycznie. Naley zna prawdopodobiestwo wystpowania wodoru w formie jonu lub czci czsteczki wody. W przypadku gdy prawdopodobiestwo wystpowania wodoru w formie jonu wynosi 0,01 oznacza to, e atom wodoru ma 1 szans na 100 bycia jonem, a 99 szans na sto istnienia w czsteczce wody. Faktyczne prawdopodobiestwo znalezienia atomu wodoru w postaci jonu w czystej wodzie wynosi ok. 0,0000000018, tj. 1,8 x 10~9. Zatem jest on prawie w caoci czci czsteczki wody. Wynika z tego, ze w czystej wodzie na kady jon wodorowy i hydroksylowy przypada 1,8 x 109, tj, 1,8 mld czsteczek wody. Jony wodorowe i hydroksylowe maj jednak znaczny wpyw na waciwoci wody. Tendencj wody do dysocjacji wyraa si nastpujco:[H2O]

Czsteczki wody wykazuj niewielk, ale fizjologicznie wan, tendencj do dysocjacji, tj. tworzenia maych iloci jonw OH- i H

Wizania wodorowe, ktre s sabe, lecz mog powstawa w duych ilociach, odgrywaj istotn rol w biochemii. Liczne wizania

Sabe wizania wodorowe odgrywaj istotn rol w biochemii, wczajc stabilizacje struktury biaek i kwasw nukleinowych

CH3 CHj

CHj CH

Ryc. 3-4. Powstawanie wiza wodorowych midzy czsteczkami etanolu i wody, midzy 2 czsteczkami etanolu oraz midzy tlenem grupy karbonylowej peptydu i wodorem grupy aminowej ssiadujcego peptydu.

WODA I pH / 29

W nawiasach przedstawiono stenia molowe jonw wodorowych, hydroksylowych i niezdysocjowanych czsteczek wody*, a K nazwano stal dysocjacji. Aby obliczy stal dysocjacji dla wody, naty przypomnie, e 1 mol ma mas 18 g. Jeden litr (1) (1000 g) wody zawiera zatem 1000:18 = 55,56 mol. Stenie molowe czystej wody wynosi wic 55,56 mol. Poniewa prawdopodobiestwo wystpowania wodoru w formie jonowej wynosi 1,8 x 10~9, stenie molowe jonu H + (lub jonw OH~) w wodzie oblicza si, mnoc prawdopodobiestwo 1,8 x 10~* przez stenie molowe wody, tj. 55,56, co daje wynik= 1,0 x 10"7 mol/l. Teraz mona wyliczy warto K dla wody:K[H+] [ O H ] [107] [107]

kiego (37C) stenie H+ w wodzie jest nieco wiksze ni 10~7 mol/l. W ramach ustalonych granic wpywu temperatury, warto Kw =10~1'1

wodnych, nawet dla tych, ktre zawieraj kwasy lub zasady. W dalszej czci rozdziau stal ta bdzie wykorzystywana do obliczenia wartoci pH roztworw kwanych i zasadowych.

(mol/1)2

dla

wszystkich

roztworw

pH JEST UJEMNYM LOGARYTMEM STENIA JONW WODOROWYCH, A CILEJ AKTYWNOCI JONW WODOROWYCHTermin pH wprowadzi w 1909 r. Srensen, definiujc pH jako ujemny logarytm stenia jonw wodorowych: pH = -log[H + ] Definicja ta, aczkolwiek niezbyt cisa*, jest na og wystarczajca do celw biochemicznych. Aby obliczy pH roztworu naley: 1) oznaczy stenie jonw wodorowych (H+), 2) obliczy logarytm dziesitny (H+), 3) pH jest ujemn wartoci znalezion w punkcie (2). Na przykad w przypadku czystej wody w temp. 25C:

[HZO]1S

[55,56] 14 = 1,8 mol/l

= 0,018 x 10 x 1O"

Due stenie molowe wody (55,56) prawie nie ulega zmianom przez dysocjacj. Std wygodnie jest rozpatrywa wod jako zasadniczo niezdysocjowan (stal). Staa ta moe by wczona w sta dysocjacji K, jako nowa staa Kw, zwana iloczynem jonowym wody. Stosunek midzy Kw a K przedstawiono K poniej:[OH 1,8 x 10- 16 mol/l [HZO]

K w = (K) [H t O] = [H+] [ O H ] =

pH = -log[H*] = -logiO

-[-7]= 7,0

- 1,8x10

16

mol/l) (55,56 mol/l) =14

= 1,00 x 10"

(mol/l)

1

Sta K wyraa si w molach na litr, za Kw w mol2 na litr2. Z nazwy wynika, e iloczyn jonowy Kw jest liczbowo rwny iloczynowi ste molowych jonw H + i OH ~:Kw = [H+] [ O H ]

W temperaturze 25C Kw = (10~7)2 m 10~14 (mol/f)2. Natomiast w temperaturach poniej 25C warto Kw jest wiksza, za powyej 25C mniejsza ni 10~14. W temperaturze ciaa ludz-

Mae wartoci pH odpowiadaj duym steniom jonw H+, a due maym steniom H+ Kwasy okrela si dawcami protonw, a zasady biorcami protonw. Wyrnia si mocne kwasy (np. HC1, H2SO4) cakowicie zdysocjowane, nawet w mocnych roztworach kwanych (niskie pH), oraz sabe kwasy, czciowo tylko dysocjujce w roztworach kwanych. Podobnie mona wyrni mocne zasady (np. KOH, NaOH) i sabe zasady (np. Ca(OH)2>. Tylko mocne zasady dysocjuj przy maych wartociach pH. Wikszo zwizkw organicznych w komrkach to sabe kwasy. Wyjtek stanowi ufosforylowane zwizki porednie, ktre zawieraj

cile mwic, wyraenia w nawiasach reprezen- * scisie mwic, wyraenia w nawiasacn reprczen----------------------------------------------------------------------------------------------------------tuj raczej aktywno molow ni stenie molowe. * pH= log (aktywnoci H + )

30 / ROZDZIA 3

silnie kwasow grup pierwszorzdowego kwasu fosforowego. Ponisze przykady ilustruj sposb obliczania pH roztworw kwanych i zasadowych: Przykad. Jakie jest pH roztworu, w ktrym stenie jonu wodorowego wynosi 3,2 xlO"4 mol/l?Molowo KOH [0H-] 2 KOH [OH-j z wody Cao [0H-]

Stenie (mol/1)(a) (b)

2,0xicr 2 2,0 xl O" 2 1,0x10" 7 2,00001 x10~ 2

2,0x10" 6 2,0x10~ e 1,0x10" 7 2,1 x10" 6

= -log (3,2x10"*) = -log (3,2) -logCIO"

4

)

=-0,5+4 = 3,5 Przykad. Jakie jest pH roztworu, w ktrym stenie jonu hydroksylowego wynosi 4,0 x 10"4 mol/l? Aby rozwiza to zadanie, naley okreli ilociowo warto pOH, ktre jest rwne log [OH~]; warto t mona wyprowadzi z definicji K: [OH-] = 10"14 zatemlog [H + ] + log [ O H ] = log 10" lub pH + pOH = 14

W momencie podjcia decyzji o znaczeniu udziau wody, pH mona wyliczy jak powyej. , W przedstawionych przykadach przyjto zaoenie, e mocna zasada KOH jest w peni zdysocjowana, a stenie molowe jonw OH~ rwna si steniu molowemu KOH. Zaoenie to jest suszne dla wzgldnie rozcieczonych roztworw mocnych zasad i kwasw lecz nie dotyczy sabych zasad i kwasw. Ze wzgldu na fakt, e te sabe elektrolity tylko w niewielkim stopniu dysocjuj w roztworach, naley przed obliczeniem cakowitego [H+] (lub cakowitego [OH~]) oraz obliczeniem pH, obliczy stenie H+ (lub stenia OH~) z danego stenia molowego kwasu (lub zasady), wykorzystujc sta dysocjacji. Biomolekuy zawieraj grupy funkcyjne czynne o istotnym znaczeniu fizjologicznym, ktre zachowuj si jak sabe kwasy Wiele zwizkw organicznych ywych komrek ma grupy funkcyjne, typowe dla sabych kwasw lub zasad. Jedna lub wicej grup funkcyjnych gwnie grupy karboksylowe, aminowe lub utworzone w wyniku drugorzdowej dysocjacji fosforanowej estrw fosforanowych wystpuj we wszystkich biakach i kwasach nukleinowych, wikszoci koenzymw oraz metabolitw porednich. Aby zrozumie wpyw wewntrzkomrkowego pH na budow i aktywno biochemiczn tych zwizkw, naley pozna sposb dysocjacji (rwnowagi protono-

A nastpnie:[ O H ] = 4,0 x 1 0 * pOH = -log [ O H ] = -log (4,0 x 10 1og(10" ) =4 4

) = -log (4,0) -

-0,60 + 4,0 = 3,4 i teraz

pH = 14 - pOH = 14 - 3,4 = 10,6

Przykad. Jakie jest pH roztworu (a) 2,0xl0" ! mol/l KOH, (b) 2,0 x 10"* mol/l KOH? W roztworach tych jony OH~ pochodz z 2 rde: KOH i wody. Poniewa pH okrela cakowite stenie jonw [H+] (pOH cakowite [OH ]) naley obydwa rda bra pod uwag. W pierwszym przypadku udzia wody w cakowitej puli [OH~] jest nieistotny, czego nie mona powiedzie w drugim przypadku.

Tabela 3-1. Przykady sabych kwasw i sprzonych z nimi zasad Kwas CH3COOH CH3NH3OH

Sprzona zasada CH3COOCH3NH2O"

H+N

NH

N

NH

WODA I pH / 31

wej) grup funkcyjnych sabo kwanych i sabo zasadowych. W laboratoriach badawczych i klinicznych rozdzia i identyfikacja tych zwizkw opiera si na znajomoci przebiegu dysocjacji ich grup funkcyjnych. Protonowa forma kwasu (HA lub RNH+) odnosi si do kwasu, za nieprotonowa (A~ lub RNH2} do sprzonej z nim zasady (tab. 3-1). Podobnie mona opisa zasad (np. A~ lub RNH2) i sprzony z ni kwas (np. HA lub RNH+) (lac. conitmgere poczy razem). Wzgldn moc sabych kwasw i zasad wyraa sie ilociowo przez ich stale dysocjacji, ktre obrazuj ich tendencje do jonizacji. Poniej podano wyraenia staej dysocjacji (K.) dla 2 przedstawicieli sabych kwasw: i RNH+RCOOH ++ RCOO + IR-COO ] [H [RCOOH] R-NH *+ RNH2 +

Z powyszych rwna, odnoszcych K do [H+] i do stenia niezdysocjowanego kwasu i sprzonej z nim zasady, wynika, e gdyIR COO] = R COOH

lub gdy[R NHZ

] = [RNHj]

to wtedyK = [H+]

Mona to wyrazi sowami: gdy rodzaj jonwzasocjowanych (protonowych) i zdysocjowanych (sprzone zasady) wystpuje w rwnych steniach, wwczas przewaajce stenie jonw wodorowych [H+] jest rwne liczbowo staej dysocjacji K.

] H

Jeli obliczy si logarytmy powyszego rwnania i obie strony pomnoy si przez I, to K [H+] log -log[H K Z definicji log K opisuje si jako pK, za log [H+] jako pH. W zwizku z tym mona ostatnie rwnanie zapisapK = pH

K = [RMH 2] [H [ R N j] H

Poniewa wartoci liczbowe K dla sabych kwasw s ujemnymi liczbami wykadniczymi, wygodniej jest wyraa K jako pK, gdzie:pK = -log K

tj. pK grupy kwasowej jest takim pH, w ktrymTabela 3-2. Stae dysocjacji i wartoci pK dla przedstawicieli kwasw karboksylowych Kwas Octowy Gluta rowy Cytrynowy (1-rz.) (2-rz,) (1-rz.) (2-rz.) (3-rz.) K 1,76x10 4,58 x10" 3,89x10" 8,40x10" 1,80x10" 4,00x10"6 4 E 6 5 5

stenia postaci protonowej i niepro tonowej s

pK 4,75 4,34 5,41 3,08 4,74 5,40

rwne. Warto pK kwasu mona oznaczy dowiadczalnie przez dodanie 0,5 rwnowanika* zasady na rwnowanik kwasu. Powstae w ten sposb kocowe pH bdzie odpowiada pK kwasu. Charakter sabych kwasw i buforw, ktre s roztworami sabych kwasw i ich soli opisuje rwnanie Hendersona--Hasselbalcha Warto pH roztworu zawierajcego saby kwas jest zalena od staej dysocjacji tego kwasu, jak przedstawiono powyej dla sabo kwanej wody. Zaleno t opisuje, w przystp* Wedug ukadu SI pojcie rwnowanika chemicznego nie jest uywane, jednak w tym tumaczeniu okrelenie to wiadomie utrzymujemy {przyp. red. nauk. tum.).

Naley odnotowa, e pK odnosi si do K tak, jak pH do stenia H + . W tabeli 3-2 przedstawiono wartoci K i pK dla kwasu mono-, di- i trikarboksylowego. Naley podkreli, e grupy mocniejszych kwasw maj mniejsze wartoci pK.

32 / ROZDZIA 3

nej formie, rwnanie Hendersona-Hasselbalcha, wyprowadzone poniej. Saby kwas HA dysocjuje w nastpujcy sposb: HA~ H + +A" Staa dysocjacji dla tej reakcji dysocjacji wynosi: " [HA] Po pomnoeniu na krzy:[H+] [ A ] = K[HA]

Zatem w przypadku zobojtnienia w poowie pH = pK. 2. Kiedystosunek(;A-]/[HA]wynosi 100:1

pH = pK + log 100/1 = pK + 2 3. Kiedy stosunek [A~]/[HA] wynosi 1:10pH = pK + log-

pK + (-1)

Po podzieleniu obu stron przez [A~]

1,0 -

Po zlogarytmowaniu obu stron:

i1 0

0,8

oo

og[H+][HA]

I%[A ] log K + log

l i1*08[HA ]

Po pomnoeniu przez 1-fcg[H+] = -logK - log

i

ojpK -3 pK -2 pK -1 pK 0 pK +1 pK +2 pK +3

Po podstawieniu zamiast log H+ i log K odpowiednio pH i pK otrzymuje si[HA] pH = pK - log[A]

tyc. 3-5. Typowa krzywa miareczkowania wykrelona na podstawie wynikw oblicze z rwnania Hendersona-Hasselbalcha.

Z kolei usuwa si znak minus, odwracajc ostatni czon rwnania:pH = pK 4 log [HA]

Jeli rwnanie zastosuje si dla rnych stos unkw [A- ]/ [HA] w zakres i e 10M 0" 3 i przedstawi na wykresie wyliczone wartoci pH. to otrzymany wynik opisuje krzyw miareczkowania sabego kwasu (ryc, 3-5).

Ta ostatnia forma rwnania, opisywana jako rwnanie Hendersona-Hasselbalcha, suy do wyliczania rwnowagi protonowej, np.: 1. Kiedy kwas jest zobojtniony dokadnie w poowie, tj. A~ =[HA]. W tych warunkach [A] pH = pK + tog [HA] pK +- log =pK + 0

Roztwory sabych kwasw i ich soli buforuj pH w przypadku dodania lub usuwania protonw

Roztwory sabych kwasw i sprzonyct z nimi zasad (lub sabych zasad i sprzonycl z nimi kwasw) wykazuj zjawisko buforowania, tj. zdolnoci utrzymywania pH. Warto pt roztworu buforowego po dodaniu mocnego kwasi lub mocnej zasady nie zmienia si bardziej ni p< dodaniu takiej samej objtoci wody. Zjawisk*

WODA I pH / 33

buforowania mona najlepiej zilustrowa poprzez miareczkowanie sabego kwasu lub zasady wykorzystujc pH-metr. W innym rozwizaniu mona obliczy przesunicie pH, ktre ma miejsce w przypadku dodania kwasu lub zasady do zbuforowanego roztworu. W przedstawionym przykadzie, zbuforowany roztwr (mieszanina sabego kwasu i sprzonej z nim zasady, pK = 5,0) wykazuje pocztkowo w jednej z 4 wartoci pH. Mona obliczy przesuniecie pH, ktre wystpi, jeli zostanie dodany 0,1 mmol/1 K.OH na kady milirwnowanik kwasu w roztworze (o steniu 1 mmol).Pocztkowe pH [" ] pocztkowe 5,00 0,50 0,50 1,00 5,37 0,70 0,30 2.33 5,60 0,80 0,20 4,00 5,86 0,88 0,12 7,33

f

1,0-

2

3

4

5

6

7

8

Ryc. 3-6. Krzywa miareczkowania kwasu typu HA.

Punkt {) wskazuje pK o wartoci 5,0.

Dodanie 0,1 mmol KOH powoduje 0,60 0,40 1,50 0,176 5,18 0,18 0,80 0,20 4,00 0,602 5,60 0,23 0,90 0,10 9,00 0,95 5,95 0,35 0,98 0,02 49,0 1,69 6,69 0,83

[A f/[HA]kocowe Kortcowe pH

ipH

Zmiana pH, wywoana przez dodanie 1 mmol jonw OH~ rni si znacznie w zalenoci od pH. Przy wartociach pH zblionych do wartoci pK, roztwory buforowe utrzymuj skuteczniej pH, co okrela si ich efektem buforujcym.Roztwory sabych kwasw i sprzonych z nimi zasad s najskuteczniejszymi ukadami buforowymi w zakresie pH rwnym pK + 2,0 jednostki

pH. Oznacza to, e aby zbuforowa roztwr w pH X, mona wykorzysta saby kwas lub zasad, ktrych pH nie rni si od pH X wicej ni o 2 jednostki pH. Na rycinie 3-6 przedstawiono adunek eJektryczny 1 czsteczki kwasu jako funkcj pH.

adunek uamkowy 0,5 nie oznacza, e pojedyncza czsteczka jest obdarzona adunkiem uamkowym, lecz wyraa statystyczne prawdopodobiestwo, e ma ona adunek 0,5. Przyjcie adunku elektrycznego makroczsteczek jako funkcji pH stwarza podstaw dla wielu uytecznych technik rozdziau, wczajc eiektroforetyczny rozdzia aminokwasw, biaek osocza i nieprawidowych hemogJobin. W komrkach ywych bufory fosforanowy i wodorowglanowy, oprcz biaczanowych, stanowi podstawowe bufory.

PIMIENNICTWOSegel IM: 1968. Biochemical Calcuiations. Wiley,

3 Biochemia

CZ I Budowa oraz funkcje biaek i enzymw AminokwasyVictor W. Rodweli, PhD

4

genne) musz by dostarczane w poywieniu, poniewa nasz organizm nie moe ich synywe komrki wytwarzaj makroczsteczki tetyzowa w ilociach niezbdnych do pod(biaka, kwasy nukleinowe, polisacharydy), ktre trzymania wzrostu (dzieci) i utrzymania zdrosu jako skadniki strukturalne, katalizatory, wia (doroli). Metabolizm aminokwasw przyhormony, receptory lub magazyny informacji czynia si do powstania wielu biomedycznie genetycznej. Te makroczsteczki s biopolime- wanych zwizkw. Na przykad dekarboksylarami, utworzonymi z jednostek monomerycz- cja pewnych aminokwasw prowadzi do ponych lub cegieek budulcowych. Jednostkami wstania amin, wrd ktrych cze peni wane monomerycznymi w kwasach nukleinowych s funkcje biologiczne (np. histamina i kwas 7-anukleotydy, w zoonych polisacharydach po- minomasowy [GABA]). Liczne choroby s chodne cukrowe, a w biakach L-a-amino- spowodowane nieprawidowociami transportu kwasy. aminokwasw do komrek. W pewnych warunChocia biaka mog take zawiera poza kach moe doj do pojawienia si w moczu aminokwasami, dodatkowe substancje (np. znacznej iloci jednego lub wielu aminokwasw hem, cukrowce, tuszcze), ich trjwymiarow takie stany okrela si jako aminoacydurie. struktur i waciwoci biologiczne warunkuje w gwnej mierze rodzaj aminokwasw, kolejno, w jakiej cz si ze sob w acuchu WSZYSTKIE AMINOKWASY polipeptydowym oraz ich przestrzenne uoenie,, ZAWIERAJ PRZYNAJMNIEJ 2 GRUPY FUNKCYJNE wzgldem siebie. Aminokwasy peni dodatkowe funkcje Aminokwasy zawieraj 2 grupy funkcyjne, tj. w komrkach. W tabeli 4-4 i 4-5 przedstawiono niektre biologicznie wane substancje, ktre aminow i karboksylow. W a-aminokwasach obie te grupy poczone s z tym samym (a) wywodz si z aminokwasw. WPROWADZENIE ZNACZENIE BIOMEDYCZNE Niektre aminokwasy wydaj si by zaangaowane w przenoszeniu impulsw w ukadzie nerwowym, czego przykadem s glicyna i kwas Ryc. 4-1. glutaminowy. Aminokwasy podstawowe (egzo- kwasu.H

\aR -N j I -C H

COOH

OH

Dwie formy przedstawienia j.amino-

36 / ROZDZIA 4

atomem wgla (ryc. 4-1). Chocia w przyrodzie wystpuje ok. 300 aminokwasw, tylko 20 z nich wystpuje w biakach (tab. 4-3). Cakowita hydroliza* biatek dostarcza 20 L-a-aminokwasw. Naley podkreli, e biaka wszystkich form ycia rolin, zwierzt, drobnoustrojw zawieraj te same 20 aminokwasw. Przyczyn tego jest uniwersalno kodu genetycznego, co stanie si oczywiste dla Czytelnika w toku omawiania tego zagadnienia pniej (p. rozdz. 30). W skad niektrych biaek wchodz pochodne aminokwasw, utworzone po ich wczeniu w czsteczk biaka (p. lab. 6-4). Z wyjtkiem glicyny, dla ktrej R (R acuch boczny aminokwasu) stanowi atom wodoru (ryc. 4-1), wszystkie 4 podstawniki zwizane z atomem wgla et-aminokwasw s rne. Tetrdryczne. uoenie 4 rnych podstawnikw wok atomu wgla a (tzw. wgiel asymetryczny) nadaje aminokwasom waciwo op-.tyczna. (zdolnoTjio_ _skrcania . paszczyzny wiata spolaryzowanego). Chocia pewne aminokwasy wystpujce w biakach s prawo-skrtne, a niektre lewoskrtne, w pH 7,0 wszystkie maj bezwzgldn konfiguracj porwnywaln z konfiguracj aldehydu Lglicery-nowego, std opisuje si je jako L-aamino-kwasy. Oglne reakcje chemiczne aminokwasw mona przewidzie znajc waciwoci grup funkcyjnych Grupy funkcyjne aminokwasw karboksylowa i aminowa wykazuj typowe dla nich reakcje, np. tworzenie soli, estryfikacj, acyla-

jedna naadowana, a druga obojtna, wystpuj w rwnowadze protonowej:RCOOH RCOO" + H+ H+

RWNOWAGI PROTONOWE AMINOKWASW W zalenoci od pH otaczajcego rodowiska aminokwas moe mie adunek dodatni, ujemny lub nie mie adnego adunku Aminokwasy zawieraj co najmniej 2 zjonizowanc, sabo kwa ne grupy: C OOH i NHt- W roztworze obie formy tych grup.

W rwnowadze tej RCOOH i RNH^ reprezentuj zwizki protonowe lub kwane, natomiast RCOO~ i RNH2 zasady sprzone (protonobiorcw) z odpowiednimi kwasami. Chocia zarwno RCOOH jak i R NH; s sabymi kwasami, RCOOH jest znacznie silniejszym kwasem ni RNH r W pH osocza krwi czy przestrzeni rdkomrkowej (pH odpowiednio 7,4 i 7,1) grupy karboksylowe istniej prawie cakowicie jako jony karboksyjowe RCOO~. Przy tych wartociach pH wikszo grup aminowych wystpuje w formie zasocjowanej (protonowej) RNH3. Ze wzgldu na przewaajc posta zjonizowan aminokwasw we krwi i wikszoci tkanek, naley przedstawi ich budow tak, jak na ryc. 4-2A. Naley pamita, e struktura B (ryc. 4-2) nie moe istnie w adnym pH. Przy dostatecznie niskim pH, w ktrym cofa si jonizacja grupy karboksylowej, znacznie sabsza kwana grupa aminowa bdzie wystpowa take w formie protonowej. Przyblione wartoci pKa dla grup a-karboksylowej i oc-aminowej wynosz odpowiednio 2 i 10 (tab. 4-1). Przy pH wynoszcym 2 jednostki poniej wartoci pKa, kwas w ok. 99% ma form protonow. Jeeli pH stopniowo wzrasta, to proton z grupy karboksylowej odcza si znacznie wczeniej ni z grupy RNH 3 W kadym wystarczajco wysokim pH do utworzenia przewagi grupy aminowej RNH2 musi by rwnie obecny jon karboksylowy (RCOO~). Jednake w wielu reakcjach, poza rwnaniami rwnowagi protonowej, stosuje si wzory aminokwasw w formie B.NHj

NH,+ 0II O 8

* Hydroliza = rozerwanie wizania kowalencyjnego przy udziale czsteczki wody.

Ryc. 4-2. Poprawna struktura ^jonizowanego aminokwasu w pH fizjologicznym lub blisko pH fizjologicznego (A). Posta B (niezjonizowana) nie wystpuje w adnym pH, ale jest czsto' uywana, dla wygody, przy omawianiu chemii aminokwasw.

AMINOKWASY / 37 Tabela 4-1. Sabo kwane grupy aminokwasw wystpujcych w biakach Sprzony kwas a-Karboksylowa Nie a-kar boksy Iowa (asparaginian, glutaminian) RCOOH RCOOH Sprzona zasada RCOO" RCOO"f 1---------R

Przybliona warto pK

2.1 0,54,0 + 0,3

Imidazolowa (histydyna) ^-Aminowa s-Aminowa (lizyna) Fenolowa OH (tyrozyna) R-NH + R-NH^

RNH2 RNHa

r v

6,0

9,8 1,0 10,5 10,1

Guanidynowa (arginina)

1 11+ RNCNH2

H NH2

H NH j II RNC NH2

12,5

Sulf hydry Iowa (cystein3)

RSH

R-S-

8,3

Wzgldn moc sabych kwasw wyraaj wartoci pK, Wzgldn moc sabych kwasw wyraa si przez ich stale dysocjacji Ka lub przez ich pK ujemny logarytm ze staej dysocjacji:

Punkt izoelektryczny aminokwasu (pl) jest to takie pH, przy ktrym nie jest on obdarzony adnym adunkiem i nie porusza si w polu elektrycznym Struktur aminokwasu alifatycznego, takiego jak alanina, w pH odpowiadajcym punktowi izoelektrycznemu przedstawia ryc. 4-3.

W tabeli 4-1 przedstawiono wartoci pK dla grup funkcyjnych 20 aminokwasw spotykanych w biakach. Cakowity adunek (algebraiczna suma wszystkich dodatnio i ujemnie naadowanych grup) aminokwasu zaley od pH lub stenia protonw otaczajcego rodowiska. Moliwo zmiany adunku aminokwasw i ich pochodnych, przez umiejtne sterowanie pH, uatwia fizyczny rozdzia aminokwasw, peptydw i biaek.

NrV

Ryc. 4-3. Struktura postaci zjonizowanej lub jonu obojnaczego alaniny. Chocia jon obojnaczy alani ny ma grupy obdarzone adunkiem elektrycznym, nie wdruje w polu elektrycznym.

Dla wygody zapis Ka lub pKtt bdzie stosowany, w przypadku aminokwasu z tylko dwiema lecz opuszczony pniej w przypisach dotyczcych grupami zjonizowanymi (np. alanina) nie ma symboli. niejasnoci w wyliczeniu pl. Poniewa warto

38 / ROZDZIA 4

W mocnym kwasie (pH ponleji); cakowity ladunek= + l

O B pH ok. 3; cakowity adunek = o

pH ok. 6 - ft cakowity adunek = -1

D W mocno) zasadzie (pH powyej 11); cakowity adunek = -2

Ryc. 4-4. Rwnowagi protonowe kwasu asparaginowego.

pK, (RCOOH) = 2,35 natomiast pK 2 (RNH*) = 9,69, to punkt izoelektryczny (pl) alaniny wynosi:= 6,02

2,35+9,69Pl

Wyliczenie wartoci pl dla aminokwasu z dodatkowymi grupami zjonizowanymi, poza tymi zwizanymi z wglem ot, jest bardziej skomplikowane. Na rycinie 4-4 przedstawiono rne formy jonowe kwasu asparaginowego. Jakie bdzie zatem pH odpowiadajce punktowi izoelektrycznemu dla tego aminokwasu? W poszukiwaniu pl dla kwasu asparaginowego trzeba napisa wszystkie moliwe formy jonowe tego zwizku w kolejnoci, w ktrej pojawiaj si w roztworach od silnie kwanych, poprzez obojtne do zasadowych (porwnaj przykad kwasu asparaginowego na ryc. 4-4). Nastpnie naley rozpozna form izojonow, jon obojnaezy lub obojtny (jak na ryc. 4-4B). Punkt izoelektryczny (pl) jest to pH w rodku pomidzy wartociami pK po obydwu stronach form izojonowych. W omawianym przykadzie:2,98 2,09+ 3,86 Pl =

Warto pl dla lizyny wynosi 9,7; dla argininy 10,8. Czytelnik powinien umie okreli pl dla histydyny. Okrelenie wartoci pK po kadej stronie jonu obojnaczego przez sprawdzenie form naadowanych, nie ogranicza si do aminokwasw. Mona j stosowa do obliczania adunku czsteczki z kad liczb grup dysocjujcych. Moliwo wykonywania takich oblicze okazuje si bardzo przydatna w laboratorium klinicznym, gdy pozwala przewidzie ruchliwo elektroforetyczn zwizkw w polu elektrycznym i dobra waciwe bufory do ich rozdziau. Na przykad, w buforze o pH 7,0 mona rozdzieli 2 typy czsteczek: z pl 6,0 i 8,0, poniewa czsteczka z pI = 6,0 bdzie mie wikszy cakowity ujemny adunek przy pH 7,0 ni czsteczka z pI = 8,0. Podobne rozwaania stosuj si do rozdziaw na zoach jonowych zarwno dodatnio, jak i ujemnie naadowanych polimerw (np. DEAE-celuloza, ywica Dowex 1), Rozpuszczalno i temperatura topnienia aminokwasw odzwierciedlaj ich charakter jonowy Obecno elektrycznie naadowanych grup wikszoci aminokwasw przyczynia si do ich rozpuszczalnoci. W formie jonowej rozpuszczaj si one atwo w rozpuszczalnikach polarnych, takich jak woda i etanol, ale nie rozpuszczaj si w rozpuszczalnikach niepolarnych, jak: benzen, heksan i eter. Wysoka temperatura topnienia (punkty topnienia powyej 200DC) odzwierciedla ilo energii potrzebnej do pokonania si jonowych stabilizujcych struktur sieci krysztaw.

Takie rozwizanie jest rwnie stosowane do obliczania wartoci pl aminokwasw z innymi, dodatkowymi grupami dysocjujcymi, np. lizyny lub histydyny. Po napisaniu wszystkich moliwych form elektrycznie naadowanych aminokwasw zasadowych lizyny i argininy naley zapisa, e:pK 2+ pK 3 P'= -----------------

AMINO KW ASY /33 Tabela 4-2. Podzia L-at-aminokwasw wystpu PODZIA AMINOKWASW jcych w biakach na podstawie wzgldnej polar- WYSTPUJCYCH W BIAKACH NA noci ich grup R. W grupie niepolarnej jest maa PODSTAWIE WZGLDNEJ bd nie ma wcale rnicy w adunku elektrycznym POLARNOCI ICH GRUP R midzy regionami, podczas gdy w grupie polarnej rnica ta jest wzgldnie dua Aminokwasyn p la e ie o rn

Aminokwasy polarne Arginina Asparagina Kwas asparaginowy Cysteina Kwas glutaminowy Glutamina Glicyna Histydyna Lizy na Sery na Treonina Tyrozyna

Alanina Izoleucyna Leucyna Metionina Fenyloa Janina Prolina Tryptolan Walina

Aminokwasy wystpujce w biakach mona podzieli na 2 due grupy na podstawie poiarnoci grup R. przyczonych do atomu wgla a. W celu uatwienia przedstawiania niezwykle dugich sekwencji amin o kwasowych niektrych biaek, praktykuje si stosowanie jednoliterowych symboli aminokwasw (tab. 4-3). Aminokwasy w stanie wolnym lub zwizanym (nie bdce skadnikami biaek) odgrywaj wan rol w procesach przemiany materii (tab. 4-4 i 4-5). Na przykad ornityna, cytrulina i kwas argininobursztynowy uczestnicz w biosyntezie mocznika, katanie naturalnym wystpuje ponad 20 D-aminokwasw. Nale do nich Dalanina i kwas D-glutami nowy cian komrkowych niektrych bakterii oraz rne D-aminokwasy wchodzce w skad antybiotykw.

Tabela 4-3.L-s-aminokwasy wystpujce w biakach* Nazwa Symbol Wzr strukturalny

Aminokwasy z. alifatycznymi acuchami bocznymi Glicyna Gly [G]HCHCOCT

Alanina

Ala [A]

CH3

Walina

Vaf [V]

,CHCHCOO"

t

Leucyna

Leu [L]

H,C

X

IzoleucynaIle [1]

7>

CHCB CGO"

40 / ROZDZSA 4

cd. tab. 4-3 Nazwa Symbol Wzr strukturalny

Aminokwasy z acuchem bocznym zawierajcym grupy hydroksylowe (OH)Sery na

Ser [S]

CH^CH^rC&O.---.Li ^J LJf-

Treonina

Thr[T]

CH,-CHOHCOCTO *NHj H

Tyrozyna

Tyr [Y]

patrz niej

Aminokwasy z acuchem bocznym zawierajcym atomy siarkiCysterna* Cys [C] Metionina Met [M]

SH fl^CH3-CHCOO" CH SH;

CH;

C H

3

H COOrw ij -^

O C3 ^~ n

Aminokwasy z acuchem Kwas asparaginowy

bocznym zawierajcym Asp[D]

grupy kwane lub ich amidy "OOCC Hs CHCOO"t 1 1M L

flfTJ

.$.

Asparagina

Asn [N]

H jN - C - C H , - C H C O O0 " ^H,

Kwas glutaminowy

Glu ! El

"OOCC H2C H3 CHCOO"

Glutamina

Gin [Q]

H,NC 2C H2 ~CHCOOCH

Aminokwasy z acuchem bocznym zawierajcym grupy zasadoweHNCH 2CH,CH?CHCOO"

IArginina Lizy na Argr

+

NH5

N H, H s - C H , C H , C HS - C M C O O "

Histydyna

[R]

H3 j______I

+ NH, C H,GHCOO*

Lys [K]

His |h|

AMINOKWASY / 41 cd. tab. 4-3 Nazwa Symbol Wzr strukturalny

Aminokwasy zawierajce piercie aromatyczny -Histydyna Fenyioaianina His [H] Phe {F] patrz wyej \ />CHjCH^COO"

Tyrozyna

Tyr[Yl

Tryptofan

Trp[W]H

pCH;CHcocr

Immokwasy Ptoiina Pro [P]

i------------1

*. Z wyjtkiem hydroksyl i zyny (Hyl) thydroksyproliny (Hyp), ktre s wczane w wizania peptydowe jako lizyna i proiina, a nastpnie hydroksylowane, swoiste tRNA istniej dla wszystkich aminokwasw przedstawionych w tej t3be/i. Ich wczanie w biaka pozostaje pod bezporedni kontrol genetyczn. ** Cystyna skada si z 2 reszt cystetn poczonych wizaniem disiarczkowym: I"OOCCHCH ZSSCH 2 CHCOO" NH +

Tabela 4-4. Przykady oc-aminokwasw nie wystpujcych w biakach, ale speniajcych istotn rol w metabolizmie ssakw Nazwa po tuczna i systematyczna Homocysteina (kwas 2amino--4-merkaptoma sowy) Kwas cysteinosulfinowy {kwas 2-amtno-3-sulfinopropionowy) Homoseryna (kwas 2-amino-4-hydroksymasowy) Wzr strukturalny w pH obojtnymCH2 CH?CHCOCf SH

Znaczenie Zwizek poredni w biosyntezie metiortiny Zwizek poredni w katabotizmie cysteiny Zwizek poredni w metabolizmie treoniny, asparaginianu i metioniny

NH3

H2CHCOO" CH2C

so t^

CHSCHS OH

42 / ROZDZIA 4

cd. tab. 4-4 Nazwa potoczna i systematycznaOrnityna (kwas 2,5-diaminoamylowy)

Wzr strukturalny w pH obojtnymC H2CH2CH2biCOO"

Znaczenie

Cytrulina (kwas2-amtno-5-ureidoamylowy)

INH,

Zwizek poredni w biosyntezie mocznika

Kwas argininobursztynowy

HC 2 H N H~ C j

1 1

"C j H

JW.

H NC NH "COOCH2CCOO*

Dopa {3,4-dihydroksyfenyloalanina)

3T

VCH,

Prekursor meianiny

HO

3-Monojodotyrozyna

HO I

CH,

Prekursor hormonw tarczycy

3,5 - D i j od oty r ozy n a

HO

-CH,

3,5,3'-Trijodotyronina (T3) .

jw.

Tyroksyna (3,5,3',5'-tetrajodotyronina; T4}

HO

CH,

jw.

AMINOKWASY / 43 Tabela 4-5. Przykady nie a-aminokwasw wanych dla metabolizmu ssakw Nazwa potoczna i systematyczna B-alanina (kwas 3-aminoproprionowy) Tauryna {kwas 2-amtnoerytosu)fonowy) Kwas y-aminomasowy (GA8A) (kwas 4-aminomasowy)Kwas fi-aminuizumasowy H 3 N+CH 2 CHCOO"

Wzr strukturalnyCH2CH2COO" [ + NH3 CH2CH2SO3"11

Znaczenie Skadnik koenzymu A i witaminypantoteiny

Wystpuje w ci w poczeniu z kwasami ciowymi Neuroprzekanik powstajcy z glutaminianu w tkance mzgowej

On 2 v*r1 2 ^rl2UUU

(kwas 2-metylo-3-aminopropionowy)

H3

Kocowy produkt katabolizmu pirymidyny, wystpujcy w moczu niektrych osb

WACIWOCI POSZCZEGLNYCH AMINOKWASW ZALEZ D ICH GRUP R PRZY ATOMIE WGLA a Glicyna, najmniejszy aminokwas, moe dopasowa si" atwo w obszary trjwymiarowej struktury biaek, niedostpne dla innych aminokwasw i wystpuje w obszarach, w ktrych acuchy peptydowe ulegaj silnemu zwiniciu. Alifatyczne grupy R janiny, waliny, leucyny jjzoleucyny oraz aromatyczne grupy R fenyloajaniny, tyrozyny i tryptofanu s hydrofobowe i ta waciwo ma wane znaczenie w uporzdkowaniu czsteczek wody w biakach, w bezporednim ssiedztwie tych grup. Te aminokwasy s charakterystyczne przede wszystkim dla wntrza acuchw biaek cytozolowych. Naadowane grupy R aminokwasw zasadowych odgrywaj kluczow rol w utrzymywaniu swoistej konformacji biaka przez tworzenie wiza typu soli. Przerwanie i odtworzenie wiza typu soli towarzyszy utlenowaniu i odtlenowaniu hemoglobiny {p. rozdz. 7). Ponadto aminokwasy z dodatnio lub ujemnie naadowanymi grupami R uczestnicz w ukadach przekazywania adunku" (ang, charge relay"). ktre przesyaj adunki na znaczne odlegoci podczas katalizy enzymatycznej. Histydyna ponadto peni wyjtkow i wan funkcj w katalizie enzymatycznej, gdy warto pK jej formy protonowej ukadu imidazolowego dopuszcza w pH 7,0 dziaanie jej jako katalizatora zasadowego lub kwasowego.

Pierwszorzdowa grupa alkoholowa seryny i pierwszo rzdowa grupa tioalkoholowa (SH) cysteiny s doskonaymi czynnikami nukleofilowymi, ktrych funkcja jest wana dla katalizy. Z kolei drugorzdowa grupa alkoholowa treoniny jest dobrym czynnikiem nukleofiiowym, aczkolwiek nie jest znany jej udzia w katalizie. Dodatkowo, poza katalityczn rol grupy OH w przypadku seryny i tyrozyny, odgrywa ona rol w regulacji aktywnoci niektrych enzymw, ktrych aktywno katalityczna zaley od stanu ufosforylowania reszt serylowych lub tyrozylowych.

5

I |3H1-

"L

6-1 Tryptofan

jest zastpiona reszt waliny Hemoglobina S powstaje w wyniku zastpieuiLCjju A2 ()p\ tj, reszty 6 w acuchu (3 przez ^al. Reszta A2 (Glu lub Val) znajduje si na powierzchni czsteczki, odpowiadajc za jej kontakty z wod. Zastpienie polarnego kwasu glutaminowego niepolarn walin powoduje powstanie na powierzchni acucha P lepkich miejsc". Lepkie miejsca" wystpuj zarwno w utlenowanej, jak i nieutlenowanej postaci hemoglobiny S; nie ma ich n^ b T glojbinic: AJJ koTei na powierzchni hemoglobiny nieutlenowanej wystpuj miejsca komplementarne do lepkich miejsc". S one niedostpne w hemoglobinie utlenowanej (ryc. 7-18). IMieutlenowana hemoglobina S moe tworzy wkna, ktre znieksztacaj erytrocyty Lepkie miejsca" nieutlenowanej hemoglobinySmog czy si z miejscami komplementarnymi innej czsteczki nieutlenowanej hemoglobiny. Oddziaywania te powoduj polimeryzacj nieutlenowanej hemoglobiny S, w wyniku czego powstaj dugie, wytrcajce si agregaty znieksztacajce erytrocyty (erytrocyty przybieraj ksztat sierpowaty), odpowiedzialne za ich li i inne objawy kliniczne. Utrzymanie hemoglobiny S w postaci utlenowanej lub zmniejszenie do minimum jej stenia w postaci nieutlenowanej zapobiegaoby tworzeniu si polimerw, a tym samym sierpowatoci krwinek. Jest bowiem wiadomo, e polimeryzacji ulega posta T hemoglobiny S. Interesujcy, chocia nie do zastosowania terapeutycznego, jest fakt, e forma elazowa hemoglobiny S (methemoglobina S) nie tworzy polimerw. Podobnie bowiem jak w przypadku methemoglobiny A, jon elazowy pozostaje w paszczynie ukadu porfirynowego, stabilizujc struktur R hemoglobiny. Chocia nieutlenowana hemoglobina A zawiera miejsca komplementarne do lepkich miejsc" wystpujcych w utlenowanej i nieutlenowanej hemoglobinie S, to jej przyczenie do hemoglobiny S uniemoliwia dalsze wydhianie polimerw na skutek braku na jej

p a ta .

W hemoglobinach typu M proksymalna lub dystalna reszta histydyny w podjednostkach ot lub ji jest zastpiona reszt tyrozyny Zastpienie proksymalnej lub dystalnej histydyny reszt tyrozyny przyczynia si do stabilizacji elaza hemowego w formie Fe 3+ , na skutek tworzenia przez niego trwaego poczenia z anionem fenolanowym Tyr. Obecno hemu w formie elazowej nie wicej 02 powoduje met hemoglobinemi. W przypadku wariantw hemoglobin M dotyczcych acuchw a obserwuje si przesunicie rwnowagi przejcia R-T w kierunku formy T, zmniejszenie powniowaTwa do tlemi i zniesienie efektu BohraTNatomiast w przypadku wariantw dotyczcych acuchw P efekt Bohra jest zachowany, poniewa nie ulega zakceniu przejcie R-T. Mutacje, ktre sprzyjaj tworzeniu si postaci R charakteryzuj si zwikszeniem powino-

80 / ROZDZIA 7Utle owa na A Nieutlenowana A U tlen owa na S Nieutlenowana S

a. a

e

Nieutlenowana A Nieutlenowana S

Ryc. 7-18. Schemat przedstawiajcy lepkie miejsca" (A) w hemoglobinie S i ich receptory" wnieutlenowanej hemoglobinie A i S. Komplementarno oddziaujcych powierzchni powoduje faczenie si n te utle owa n ej hemoglobiny S w polimery. Wyduanie polimerw przerywa nieuttenowana hemoglobina A nie zawierajca iepkich miejsc". (Zmodyfikowana i reprodukowana za zgod z: Stryer L: Biochemistry, wyd. 2, Freeman, 1981).

lllllllllllW,_wyniku agregacji nieutlenowanej hemoglobiny S tworz si wkna o helikalnej strukturze, w ktrych kada czsteczka hemoglobiny oddziauje z 4 przylegajcymi czsteczkami (ryc. 7-19). Wkna te deformuj erytrocyty tak, e przybieraj olTEstat sieTpowaty (ryc. 720). Krwinki te wykazuj zwikszon podatno do hemolizy w czasie przechodzenia przez zatoki ledzionowe. Talasernie s niedokrwistociamj charakteryzujcymi si upoledzeniem syntezy acuchw cc lub p hemoglobiny W talasemiach zmniejsza si synteza acuchw a (a-talasemie) lub acuchw p (fi-talasemie) hemoglobiny. Wywouje to czsto gron w skutkach niedokrwisto. Wyniki bada ostatnich lat wniosy duy wkad do naszej wiedzy o molekularnych mechanizmach odpowiedzialnych za talasernie.

powierzchni iepkich miejsc" sprzyjajcych dalszemu wizaniu (ryc. 7-18). Przyczenie nieutlenowanej hemoglobiny A do hemoglobiny S zarwno w formie R, jak i T stanowi barier do dalszej polimeryzacji.

6,2 nm

RyC-7-19, Proponowana helikaIna struktura wkna utworzonego w wyniku agregacji nieutlenowanej hemoglobiny S, (Reprodukcja za zgod z: Maugh T. II: A new understanding of sickle celi emerges. Science 1981; 211:265, Copyright 1981 by the American Associatiort for the Advancement of Science).

BIAKA: MI0GL0B1NA I HEMOGLOBINA / 81

Ryc. 7-20. Obraz erytrocytu prawidowego (A) oraz sierpowatego (B)w skaningowym mikroskopie elektronowym. Obserwowane rnice strukturalne s wynikiem zmiany w obrbie acuchw (i bdcej skutkiem mutacji punktowej w DNA. Zamiana T na A powoduje, e w acuchu {J zamiast kwasu glutaminowego znajduje si walina.

PIMIENNICTWOBunn HF, Forget BG: Hemoglobin: Molecular, Genetic, and Ciinical Aspects, Saunders, 1986. Dickerson RE, Geis I: Hemoglobin. Benjamin/Cummjngs, 1983. Embury SH: The ciinical pathology of sickle-ceil disease. Anmt Rcv Med 1986;37:36[. Embury SH, Scharf SJ, Saiki RK, Gholson MA, Golbus M, Arnheim N, Erlich HA: Rapid prenatal diagnosis of sickle celi anemia by a new method of DNA analysis. New Engl J Med 1987;316:56. Fermi G, Perutz MF, Shaanan B, Fourme R: The crystal structure of hunian deoxyhemoglobin at 1.74 angstrom resolution. J Mol Biol I984;175: 159.

Friedman JM: Structure, dynamics, and reactivity in hemoglobin. Science 1985;228:1273. Saiki RK, Scharf S, Faloona F, MuBis KB, Horn GT, Erlich HA, Arnheim N: Enzymatic amplification of beta-globin genomic: seuences and restriction site analysis for diagnosis of sickle-cell anemia. Science, 1985;230:1350. Schacter L, Wartti JA, Gordon EM, Prasad A, Klein BL: Altered araount and activity of superoxide dismutase in sickle celi anemia. FASEB J 198S;2:237. Weatherall DJ, Clegg JB, Higgs DR, Wood WG: The hemoglobinopathies. In The Metabolk Basis of InheritedDisease, 6th Ed. Serwer CR, Beaudet AL, Sly WS, Valle D (editors). McGraw-Hill, p. 2281, 1989.

6 Biochemia

8

Enzymy: waciwoci oglneVictor W. Rodwell, PhD

WPROWADZENIEKatalizatory przyspieszaj reakcje chemiczne. Podczas reakcji ulegaj one zmianom fizycznym, ale po ich zakoczeniu powracaj do stanu pierwotnego. Chocia s znane przypadki katalizy przez czsteczki RNA, prawie wszystkie enzymy s katalizatorami biakowymi. Wikszo reakcji biochemicznych zachodziaby bardzo wolno, gdyby nie byy one katalizowane przez enzymy. W przeciwiestwie do katalizatorw niebiakowych (H+, OH , jony metali), kady enzym katalizuje niewielk liczb reakcji, czsto tylko jedn. Enzymy s wic swoistymi katalizatorami danych reakcji. W zasadzie wszystkie reakcje biochemiczne s katalizowane przez enzymy.

SYSTEM MIDZYNARODOWEJ UNII BIOCHEMICZNEJ (IUB) KLASYFIKUJE ENZYMY WEDUG TYPU I MECHANIZMU REAKCJIPocztkowo nazwy enzymw tworzono przez dodanie kocwki -aza do nazwy substratw, na ktre one dziaaj. Enzymy, ktre hydrolizuj skrobi (gr.: amyori) nazywano amylazami, rozkadajce tuszcze (gr.: lipos) lipazami, a~nydrolizujce biaka -. proteinazarrjUniei enzymom, ktre katalizuj podobne reakcje, dawano nazwy wskazujce na typ katalizowanej reakcji chemicznej. Okrelano je jako dehydrogenzyjOksydazY^dekrbok^ylazy, acylazy itd". System nomenklaturowy podany przez Midzynarodow Uni Biochemiczn (IUB), mimo e jest zoony, jest niedwuznaczny. Jego podstawow zasad jest to, e nazewnictwo i klasyfikacja enzymw na podstawie typu reakcji chemicznej i mechanizmu reakcji moe integrowa informacj z rnych obszarw metabolizmu. Gwne zasady systemu IUB s nastpujce: 1. Reakcje i katalizujce je enzymy tworz 6 klas, a kada z nich ma 413 podklas. 2. Nazwa enzymu skada si z 2 czci. Pierwsza, zakoczona na -aza, wskazuje na typ katalizowanej reakcji, druga okrela substrat lub substraty. 3. Dodatkowa informacja, jeli jest potrzebna do wyjanienia reakcji, moe by podana w na wiasach; np. enzym katalizujcy reakcj L-jabczan + NAD+ = pirogronian -I- COj-l+ NADH + H+ oznacza si 1.1,1.37 L-jabczan: NAD+ oksydoreduktaza (dekarboksylujca).

ZNACZENIE BIOMEDYCZNEEnzymy czyni moliwym ycie na Ziemi i std cz wiele dziedzin nauk biomedycznych. Pewne choroby (wrodzone wady metabolizmu) s spowodowane genetycznie uwarunkowanymi nieprawidowociami w syntezie enzymw. Gdy komrki s uszkodzone (np. przez ograniczenie dopywu krwi lub przez zapalenie), wwczas pewne enzymy przechodz do osocza. Pomiar aktywnoci takich enzymw w osoczu staje sie integraln czci diagnozowania wanych zaburze (np. zawa serca). Enzymologia diagnostyczna jest dziedzin medycyny obejmujc wykorzystanie enzymw w diagnostyce. Enzymy mog by rwnie uyte w leczeniu.

ENZYMY: WACIWOCI OGLNE / 83

4. Kady enzym ma numer kodu (EC), ktry charakteryzuje typ reakcji, czyli klas (pierwszy czon), podklas (drugi czon) i pod-podklas (trzeci czon). Czwarty czon wskazuje na nazw okrelonego enzymu. EC 2.7.1.1 oznacza wic klas 2 (transferaza), podklas 7 (przenoszenie fosforanu), pod-podklas 1 (alkohol jako akceptor fosforanu). Ostatnia cyfra wskazuje heksokinaz, czyli 6-fosfotransferaza ATP: D-heksoza, enzym katalizujcy przeniesienie fosforanu z ATP na grup hydroksylow przy 6 wglu glukozy.

rH,C

oL-Mleczan

O Plrogronlan

NAD*

NADH* + H+

Ryc. 8-1. Dziaanie NAD + jako kosubstratu w reakcji o ksy do red u kej i.

W IELE ENZYMW DO AKTYW NOCI KATALITYCZNEJ W YMAGA KOENZYMU

Wiele enzymw wymaga swoistej, termostabilnej, maoczsteczkowej molekuy organicznej zwanej koenzymem, Holoenzym (peen ukad katalityczny) skada si z apoenzymu (cz biakowa) i przyczonego koenzymu. Koenzym moe przycza si do apoenzymu kowalencyjnie lub niekowalencyjnie. Termin grupa prostetyczna" oznacza kowalencyjnie przyczony koenzym. Reakcje, ktre wymagaj koenzymw, obejmuj reakcje oksydacyjno-redukcyjne, reakcje przenoszenia grup i izomeryzacji oraz reakcje prowadzce do tworzenia wiza kowalencyjnych (IUB, klasy I, 2, 5 i 6). Reakcje lityczne, cznie z reakcjami hydrolitycznymi katalizowanymi przez enzymy trawienne, nie wymagaj koenzymw.

cujcego beztlenowo do przemiany pirogronianu w mleczan tkwi nie w samym pirogronianie lub mleczanie. Reakcja suy gwnie do utlenienia NADH do NAD+. Bez NAD+ glikoliza nie moe dalej przebiega i ustaje beztlenowa synteza ATP (a tym samym praca). W warunkach beztlenowych redukcja pirogronianu do mleczanu suy do ponownego utlenienia NADH i umoliwia biosyntez ATP. Inne reakcje mog spenia rwnie dobrze tak sam funkcj. Na przykad w bakteriach lub drodach, rosncych w warunkach beztlenowych, metabolity pochodzce z pirogronianu su jako utleniacze dla NADH, przy czym same si redukuj (tab. 8-1).Tabela 8-1. Mechanizmy beztlenowej regeneracji NAD+

UtleniaczPirg ronian

Produkt zredukowanyMleczan

Forma ycia Minie, bakterie fermentacji mlekowej Escherichia coli Bakterie fermentacji pseudomlekowej

KOENZYM MOE BY ROZPATRYWANY JAKO DRUGI SUBSTRATKoenzym moe by rozpatrywany jako drugi substrat, tj. kosubstrat, z 2 powodw. Po pierwsze, chemiczne zmiany w koenzymie dokadnie rwnowa zmiany zachodzce w substracie. Na przykad w reakcjach oksydacyjno-redukcyjnych, gdy 1 czsteczka substratu utlenia si, wwczas 1 czsteczka koenzymu ulega redukcji (ryc. 8-1). Podobnie w reakcjach transaminacji fosforan pirydoksalu dziaa jako drugi substrat w 2 kolejnych reakcjach oraz jako przenonik w przekazywaniu grupy aminowej na rne aketokwasy. Drugim powodem podkrelenia roli koenzymu jest to, e reakcja zjego udziaem moe mie wiksze podstawowe znaczenie fizjologiczne. Na przykad zdolno minia pra-

Aldehyd octowy Alkohol etylowy Drode Fosfodihydroksyaceton Fruktoza a-Glicerofosforan Mannitol

Koenzymy dziaaj jako czynniki przenoszce okrelone grupy funkcyjne

Biochemiczne reakcje przenoszenia grup typu:D +A=A-G -G + D

w ktrych funkcyjna grupa G jest przenoszona z czsteczki donora D G na czsteczk akceptora A, zazwyczaj wykorzystuj koenzym albo

84 / ROZDZIA 8

jako ostateczny akceptor (np. w reakcjach odwodorowania), albo jako poredni przenonik grup (np. reakcje transaminacji). Schemat ilustruje drug koncepcje: AG DG CoECt

nami d. fiamina. ryboflawina i kwas pantotenowy

Mimo e sugeruje to tworzenie 1 kompleksu CoEG w cigu caej reakcji, w gr moe wchodzi w danej reakcji tworzenie kilku porednich CoEG kompleksw (np. transaminacja). Gdy przenoszona grup jest wodr, wwczas przyjto przedstawia tylko lew stron polow reakcji":DH XCoE CoEH D

s wanymi skadnikami koenzymw reakcji biologicznego utleniania i redukcji, a kwas foliowy i koenzymy kobamidowe bior udzia w przemianach reszt jednowgl owych. Wiele koenzymw zawiera adenin, ryboz, fosforan i s one pochodnymi monofosforanu adenozyny (AMP). Przykady obejmuj NAD + i NADP+ (ryc. 8-2).

NHj

To, e reakcja ta przedstawia tylko szczeglny przypadek oglnego transferu grupy H ilustruj reakcje zachodzce w nienaruszonych komrkach (tab. 8-1). Mona je zapisa nastpujco: CoE D A H H Koenzymy mog by klasyfikowane zalenie od grupy, przeniesienie ktrej one uatwiaj Na podstawie powyszej koncepcji mona sklasyfikowa koenzymy nastpujco: Koenzymy przenoszce inne grupy ni H Fosforany cukrw CoASH Pirofosforan tiaminy Fosforan pirydoksalu Koenzymy folia nowe Biotyna Koenzymy kobamidowe (B1;) Kwas liponowy Koenzymy przenoszce H NAD+, NADP+ FMN, FAD Kwas liponowy Koenzym Q Wiele koenzymw jest pochodnymi witamin B i monofosforanu adenozyny Witaminy grupy B tworz cz struktury wielu koenzymw. Witaminy grupy B: nikoty-

Ryc. 8-2. NAD(P)+. W NAD+, R = H; w NADP+, R="OPO1".

Skoro substraty cz si z enzymami w 3 punktach, enzymy dziaaj jako stereoswoiste katalizatory Wikszo substratw tworzy z enzymami co najmniej 3 wizania. Takie 3-punktowe dol* czenie" moe nadawa czsteczce, skdind symetrycznej, asymetri. Na rycinie 8-3 przedstawiono czsteczk substratu w postaci atomu wgla z 3 rnymi grupami, ktre mog si przyczy w 3 punktach do miejsca enzymu. Jeeli miejsce na enzymie jest dostpne tylko z jednej strony i mog ze sob reagowa tylko atomy i miejsca komplementarne (uzasadnione przypuszczenia dla istotnych enzymw), czsteczka substratu moe si przyczy do enzymu tylko w jeden sposb. Reakcja moe ogranicza si do atomw zwizanych w miejscach 1 i 2,

ENZYMY: WACIWOCI OGLNE / 86

Wikszo enzymw wykazuje absolutn swoisto optyczn dla przynajmniej czci swoistych substratw Z wyjtkiem epimeraz (racemaz), ktre katalizuj wewntrzne przeksztacenie izomerwoptycznych, oglnie enzymy wykazuj absolutn swoisto optyczn dla przynajmniej czci czsMiejsce enzym etyczne Ryc. 8-3. Schemat trzypunktowego przyczenia si substratu do paskiego miejsca aktywnego enzymu.

teczki substratu. Dlatego enzymy glikolizy i bezporedniej przemiany tlenowej katalizuj przeksztacenie fosfocukrw szeregu D-, a nie L. Z kilkoma wyjtkami (np. oksydaza D-aminokwasu nerki), wikszo enzymw ssakw dziaa na L-izomery aminokwasw.Swoisto optyczna enzymw moe rozciga si na cz lub cao czsteczki substratu.

nawet jeli atomy 1 i 3 s takie same. Jeli wyobrazimy sobie obrt czsteczki substratu w przestrzeni, to wida, e istnieje tylko jedno pooenie substratu, w ktrym moe on czy si z 3 punktami miejsca planarnego enzymu. W wyniku tego atomy 1 i 3, chocia identyczne, po poczeniu substratu z enzymem staj si rne. Zmiana chemiczna moe obejmowa atom 1, ale nie atom 3 i odwrotnie. To moe wyjani, dlaczego katalizowana przez enzym redukcja optycznie nieaktywnej czsteczki pirogronianu prowadzi do L-, a nie D, L-mleczaffu. WIKSZO ENZYMW KATALIZUJE ALBO SWOIST REAKCJ, ALBO, W PEWNYCH PRZYPADKACH, SWOISTY TYP REAKCJIZdolno enzymu do katalizowania tylko 1 swoistej reakcji i zasadniczo adnej innej, by moe jest jego najwaniejsz waciwoci.

Glikozydazy s przykadem obu tych przypadkw. Te enzymy, ktre katalizuj hydroliz wiza glikozydowych midzy cukrami a alkoholami, s wysoce swoiste dla czci cukrowej i dla typu wizania (a lub P), ale s stosunkowo nieswoiste dla aglikonu (cz alkoholowa). Enzymy wykazuj swoisto wyszego rzdu dla typu reakcji, ktre one katalizuj Enzymy lityczne dziaaj na okrelone ugrupowania chemiczne, np. glikozydazy na glikozydy, pepsyna i trypsyna na wizania peptydowe, a esterazy na estry. Ten fakt tumaczy moliwoci rozkadu znacznej ilo