CZ
ŚĆ I. WYBRANE ZAGADNIENIA BIOCHEMII
Biochemia jest nauką zajmującą się poznaniem budowy chemicznej składników organizmów
żywych oraz przemian, jakie w nich zachodzą. Tradycyjnie biochemię dzieli się na dwa działy, a
mianowicie:
1) biochemię statyczną
2) biochemię dynamiczną.
Pierwszy z tych działów skupia uwagę na strukturze i właściwościach związków chemicznych
znajdowanych w przyrodzie ożywionej i stąd coraz częściej nazywany bywa chemią bioorganiczną.
Z kolei biochemia dynamiczna za pomocą metod chemicznych wyjaśnia istotę procesów
przemiany materii i stąd identyfikuje się ją z metabolizmem komórkowym.
Ponieważ każdy organizm ma pewne odrębne właściwości, biochemię w zależności od badanego
obiektu dzieli się na:
1) biochemię drobnoustrojów,
2) biochemię roślin
3) biochemię zwierząt.
Z tych trzech podstawowych działów wyodrębnia się dalsze bardziej wąskie specjalistyczne
kierunki (np. biochemia człowieka, biochemia bakterii itd.).
W rozdziale tym, w formie zwięzłego kompendium, omówiono jedynie wybrane zagadnienia
biochemii związane bezpośrednio z problematyką poruszaną w kolejnych rozdziałach tej książki. Tak,
więc, przede wszystkim, ma on ułatwić ich studiowanie, a nie zastąpić podręczników niezbędnych do
dokładnego i systematycznego przyswajania wiedzy biochemicznej.
ROZDZIAA
1. CHEMIA BIOORGANICZNA
Jak już wspomniano, biochemia zajmuje się m.in. ustaleniem budowy chemicznej składników
żywych organizmów. Ustalono, że do najbardziej rozpowszechnionych w organizmach żywych
związków należą: sacharydy, białka (w tym enzymy) i tłuszczowce. Wśród innych na uwagę
zasługują: kwasy nukleinowe, witaminy, hormony, barwniki (m.in. pirolowe i karotenoidy),
glikozydy, alkaloidy i kwasy organiczne. Ich budowa zostanie omówiona w kolejnych rozdziałach.
Przy jej rozpatrywaniu, w większości przypadków, konieczne jest uwzględnienie zjawiska izomerii.
Dlatego też pierwszy rozdział poświęcony zostanie omówieniu tego niezwykle ważnego zagadnienia.
1. Izomeria
Izomeria polega na występowaniu związków o identycznym składzie atomowym, a różniących się
jedynie sposobem, kolejnością lub miejscem powiązania atomów albo ich rozmieszczeniem (lub ich
grup) w przestrzeni. Cząsteczki takich związków nazywane są i zo me r a mi . Znanych jest kilka
różnych odmian izomerii. Tu zostaną omówione jedynie te odmiany, które mają znaczenie z
biochemicznego punktu widzenia, a przede wszystkim będą przydatne przy studiowaniu dalszych
rozdziałów podręcznika (m.in. przy nazewnictwie enzymów).
Regioizomery (izomery pozycyjne) to izomery różniące się jedynie rozmieszczeniem tych samych
grup atomów (np. grup funkcyjnych, podstawników) w
CH2-COOH
CH2-COOC2H5
podstawowym szkielecie cząsteczki. Mogą one różnić się
właściwościami fizyko-chemicznymi, ale przede wszystkim
CH-COOH CH-COOC2H5
najczęściej wykazują diametralnie różne właściwości
biologiczne. Przykładem regioizomerów może być
CH2-COOC2H5 CH2-COOC2H5
mieszanina dwu diestrów etylowych glicerolu.
I
II
regioizomery
Tautomery (izomery funkcyjne - różnią się obecnością w cząsteczce odmiennych grup
funkcyjnych) to dwa izomery, które przechodzą nawzajem w siebie w wyniku przesunięcia atomu
wodoru z jednoczesnym przemieszczeniem układu wiązań w cząsteczce. Zjawisko występowania
obok siebie takich izomerów nazywamy t a utome r ią. Stan równowagi pomiędzy tautomerami kwasu
pirogronowego można zapisać następująco:
Odmiana ketonowa większości tautomerów jest znacznie trwalsza i stąd stan równowagi reakcji
przesunięty jest na jej korzyść.
O OH
CH3-C-COOH
CH2=C-COOH
odm iana ketonowa odm iana enolowa
tautomery
D�-izomery to dwa izomery różniące się położeniem
CH2=CH-CH2-CH3 CH3-CH=CH-CH3
podwójnego wiązania (lub kilku takich wiązań) w
2
1
D� - buten D� - buten
cząsteczce, np.:
D�-izomery
Stereoizomeria
Stereoizomeria, czyli izomeria przestrzenna jest związana z różnym przestrzennym
rozmieszczeniem atomów (lub grup atomów) i układem wiązań w cząsteczce. Według klasycznego
podziału obejmuje ona izomerię geometryczną i izomery optyczne.
Izomery cis-trans -izome r y ge o me t r yczne , zaliczane do stereoizomerów - różnią się
konfiguracją, czyli przestrzennym położeniem wyróżnionych atomów względem wybranej
płaszczyzny, przy czym przyjmuje się, że atomy te nie mają możliwości swobodnego obrotu wokół
podwójnego wiązania (np. w alkenach) lub  w związkach cyklicznych  wokół wiązania C-C.
Izomery, w których takie same lub wyróżnione atomy (albo grupy atomów) znajdują się po tej samej
stronie są nazywane odmianami cis, po przeciwnych stronach  odmianami trans. Izomery cis-trans
mogą różnić się nieco właściwościami fizyko-chemicznymi, natomiast ich właściwości biologiczne są
z reguły całkowicie różne.
H CH3 CH3
H
OH
C C
OH
C
C
H
CH3 H3C H OH
OH
cis -cyklopentano- trans -cyklopentano-
trans -buten-2
cis -buten-2
-1,2-diol -1,2-diol
cis-trans izomery
Izomery optyczne lub ogólnie związki optycznie czynne, tj. skręcające w różny sposób
płaszczyznę światła spolaryzowanego Ta właściwość jest konsekwencją obecności w ich cząsteczkach
centrum chiralnego. Chiralność, to właściwość obiektu polegająca na tym, iż nie pokrywa się on ze
swoim odbiciem w zwierciadle płaskim. Z reguły centrum chiralne izomerów optycznych stanowi
asymetryczny (chiralny) atom lub atomy węgla (oznaczone na rysunkach gwiazdką), wokół których
może występować różna konfiguracja, czyli przestrzenne rozmieszczenie innych atomów lub grup
atomów.
płaszczyzna
zwierciadła
CHO
CHO
CHO
CHO
C* H C* OH
C*
C*
HO H
H OH
H
HO
CH2OH
CH2OH
CH2OH
CH2OH
aldehyd L(-)-glicerynowy
aldehyd D(+)-glicerynowy
Izomery optyczne dzieli się na prawoskrętne (+) lub lewoskrętne (-), w zależności od kierunku, w
którym skręcają płaszczyznę światła spolaryzowanego. W celu ujednolicenia przedstawiania ich
konfiguracji za wzorce przyjęto prawo- i lewoskrętne aldehydy glicerynowe. Grupa aldehydowa jest
lokowana na  górze wzoru, natomiast grupę hydroksylową umieszcza się po lewej stronie (z punktu
widzenia patrzącego), otrzymując w ten sposób wzór aldehydu L(-)-glicerynowego, lub po prawej,
otrzymując wzór aldehydu D-(+)-glicerynowego.
Enancjomery, to pary prawo- i lewoskrętnych izomerów optycznych, stanowiących wzajemne
odbicie w lustrze. Ich właściwości fizyko-chemiczne są identyczne, z wyjątkiem zdolności do
kierunku skręcania płaszczyzny światła spolaryzowanego. Natomiast różnią się właściwościami
biologicznymi. Np. pleśnie Penicillium glaucum z roztworu racemicznego winianu amonowego
zużywają wyłącznie odmianę prawoskrętną.
Racemat (postać racemiczna) to mieszanina równych ilości cząsteczek enancjomerów, nie
wykazująca aktywności optycznej (z uwagi na kompensację) oznaczana znakiem (ą) lub literami D,L-
umieszczanymi przed nazwą lub wzorem związku chemicznego.
Racemizacja, to zjawisko polegające na wzajemnym przekształcaniu się jednego enancjomeru w
drugi, aż do ustalenia się równowagi ilościowej pomiędzy obu odmianami.
Diastereoizomery to izomery optyczne nie będące wzajemnymi odbiciami w lustrze. Różnią się
właściwościami fizyko-chemicznymi i biologicznymi. Poniżej przedstawione są konfiguracje czterech
stereoizomerów kwasu 2,3-dihydroksymasłowego. Wzory (I) i (II) oraz (III) i (IV) przedstawiają pary
enancjomerów, które w stosunku do siebie nawzajem są diaste re oi zo me r a mi .
COOH
COOH COOH
COOH
C*
C* C*
C*
HO
H
OH H OH
H HO
C*
C* C*
C*
H OH
H
OH
HO
H HO
CH3
CH3 CH3
CH3
(IV)
(III)
(II)
(I)
enancjomery
enancjomery
diastereoizomery
Mezo-izomery. Niektóre związki, pomimo obecności asymetrycznych atomów węgla, są
nieczynne optycznie na skutek wewnętrznej kompensacji; nazywamy je związkami mezo. Przykładem
takiego związku jest kwas mezowinowy, który jest diastereoizomerem w stosunku do swoich odmian
prawo- i lewoskrętnej.
COOH COOH
COOH
C* C*
C*
OH
H
zwierciadlo
H OH HO
C* C*
C*
OH
H OH
H
HO
180o
COOH COOH
COOH
kwas D(-)-winowy kwas mezowinowy
kwas L(+)-winowy
enancjomery
diastereoizomery
* * *
Niektóre inne aspekty stereoizomerii poruszone zostaną w następnym rozdziale, przy omawianiu
sacharydów.
2. Węglowodany (sacharydy)
Duża grupa związków zaliczanych do węglowodanów, zwana jest również sacharydami lub
cukrami. Termin  węglowodany obejmuje monosacharydy (cukry proste), oligosacharydy,
polisacharydy oraz związki pokrewne (aminocukry, kwasy uronowe, itp.). Natomiast do innych klas
związków chemicznych zalicza się glikozydy aglikonowe (sacharyd połączony wiązaniem
glikozydowym z aglikonem  związkiem niecukrowym), np. nukleozydy, glikozydy roślinne, itp. W
tabeli wymieniono sacharydy najczęściej spotykane w przyrodzie.
Tabela 1.1. Klasyfikacja sacharydów najczęściej spotykanych w przyrodzie.
Monosacharydy Oligosacharyd Polisacharydy Pochodne
Pentozy Heksozy y polisacharydó
w
aldo aldo disacharydy pentozany Hemicelulozy
Arabinoza Glukoza Sacharoza Araban Pektyny
Ksyloza Mannoza Laktoza Ksylan Aminocukry
Ryboza Galaktoza Maltoza
Celobioza heksozany
keto keto Skrobia
Rybuloza Fruktoza trisacharydy Glikogen
Ksyluloza Sorboza Rafinoza Celuloza
W skład węglowodanów wchodzą: węgiel, wodór i tlen. Z chemicznego punktu widzenia są to
alkohole wielowodorotlenowe, zawierające w cząsteczce grupę aldehydową (aldozy) lub grupę
ketonową (ketozy). 1
1
H C O
CH2-OH
2
2
C O H C*
OH
3
3
HO C* C*
H HO H
4
4
C*
H OH
C*
H OH
C* C*
OH H
H HO
5
5
C*
H OH
C*
H OH
CH2OH CH2OH
6
6
CH2-OH
CH2-OH
szereg D szeregL
D(-)-fruktoza D(+)-glukoza
ketoheksoza aldoheksoza
Związki zbudowane z jednej cząsteczki aldozy lub ketozy nazywa się monosacharydami. Ich
charakterystyczną cechą jest obecność w cząsteczkach asymetrycznych atomów węgla (oznaczonych
na rysunku gwiazdką), co warunkuje istnienie izomerów przestrzennych, czynnych optycznie tzn.
skręcających płaszczyznę światła spolaryzowanego w lewo (-) lub prawo (+). Ich konfigurację
przestrzenną (wywodzącą się od aldehydu glicerynowego) rozróżnienia się na podstawie układu na
przedostatnim węglu, dodając przed nazwą monosacharydu literę D lub L. Izomery D i L różnią się
między sobą właściwościami chemicznymi i fizycznymi.
W środowisku alkalicznym monosacharydy występują w formie łańcuchowej, natomiast w
kwaśnym lub obojętnym w formie pierścieniowej (półacetalowej): piranozowej (sześcioczłonowy
pierścień) lub furanozowej (pięcioczłonowy pierścień).
1
1 6
CH2-OH
CH2OH
C
H OH
1
2 6
O
2 C HOH2C CH2OH
HO
C5 O
H C
OH
H H
3
C C
2
3 C 5
HO H
O H
HO C
H
C 4 1 OH H
C
O
4
OH H
4 H
H C OH 4 3 OH
H C 2
OH 3
HO OH C C
5
C C
5
H C
H C
H OH
6
H
OH
6
CH2-OH
CH2-OH
wzór pionowy wzór Hawortha
wzór Hawortha
wzór pionowy
a�-D-fruktofuranoza
a�-D-glukopiranoza
Pierścień furanozowy jest w zasadzie płaski,
H
natomiast pierścień piranozowy nie leży na płaszczyz
nie,
CH2OH
O
lecz na powierzchni pofałdowanej, przypominającej
C
C
H
HO
formę krzesełkową cykloheksanu.
H H
C
Monosacharydy w postaci cyklicznej mają
HO C
C OH
dodatkowo jeden asymetryczny atom węgla więcej, co
OH
powoduje powstanie nowych izomerów (tzw. anomerów H
a�- i b�-). Jeśli grupa hydroksylowa przy pierwszym
/
wzor konformacyjny Reeves`a
atomie węgla cyklicznej postaci cukru, czyli grypa
a�-D-glukopiranoza
półacetalowa  OH, jest skierowana przestrzennie tak
samo jak grupa wodorotlenowa przy atomie drugim, to izomer (anomer) ten oznaczamy a�, jeśli jest
skierowana przeciwnie, izomer nosi nazwę b�.
6
6
CH2OH
CH2OH
C5 O
C5 O
H
H OH
H
H
H
C4 1C*
C4 1C*
OH H
OH H
HO 3 2
OH
HO 3 2
H
C C
C C
H OH
H
OH
a�-D-glukopiranoza b�-D-glukopiranoza
Glukoza wykazuje zjawisko mutarotacji: w odpowiednich warunkach izomery a�- i b�- mogą
przechodzić jeden w drugi. Związki, w skład których wchodzą izomery a�- lub b�- różnią się znacznie
między sobą wieloma właściwościami (np. amyloza zbudowana jest z a�-glukozy, a celuloza w sposób
analogiczny z b�-glukozy).
Grupa hydroksylowa półacetalowa, czyli leżąca przy pierwszym atomie węgla piranozowej postaci
cukru lub przy drugim furanozowej postaci, ze względu na swoją reaktywność chemiczną, jest
odpowiedzialna za tworzenie wiązań O-glikozydowych, N-glikozydowych i S-glikozydowych.
Dwie aldozy (np. D-glukoza i D-mannoza) różniące się jedynie konformacyjnym położeniem
grupy  OH przy drugim atomie węgla (sąsiadującym z grupą aldehydową) nazywa się epimerami.
Epimeryzacja to przekształcanie jednej takiej aldozy w drugą.
Uwaga. Przy nazewnictwie enzymów, dla wygody, pojęcie epimeryzacji rozszerzono i dwie aldozy różniące
się jedynie przestrzennym położeniem jednej grupy  OH przy którymś z asymetrycznych atomów węgla traktuje
się jako epimery. Np. nazwa  4-epimeraza UDP-glukozowa wskazuje, że enzym może przy czwartym atomie
węgla dokonać epimeryzacji (w tym konkretnym przypadku przekształca UDP-1-glukozę w UDP-1-galaktozę).
2.1. Monosacharydy
Związki zbudowane z jednej cząsteczki aldozy lub ketozy nazywa się ogólnie monosacharydami
(monozami) lub cukrami prostymi. W zależności od ilości atomów węgla w cząsteczce dzieli się je na
triozy, tetrozy, pentozy, heksozy, itd.
Triozy.
Spośród trioz w przyrodzie występuje dihydroksyaceton i oba izomery D- i L- aldehydu
glicerynowego.
CHO
CHO
CH2-OH
C
C H OH
C HO H
O
CH2OH CH2OH
CH2-OH
aldehyd aldehyd
dihydroksyaceton
L-glicerynowy
D-glicerynowy
Związki te w postaci estrów fosforanowych tworzą się w zielonych częściach roślin podczas
fotosyntezy, w organizmach zwierzęcych między innymi podczas glikolizy oraz podczas fermentacji
alkoholowej.
Tetrozy
Spośród tetroz na uwagę zasługują D-erytroza, która pojawia się w cyklu pentozowym, a także
podczas fotosyntezy w zielonych częściach roślin w postaci estru fosforanowego oraz izomery D- i L-
treozy tworzące się podczas degradacji izomerów D- i L- kwasu ksylonowego.
CHO
CHO
CHO
C H
HO
H C
C H OH
HO
C H
HO
C
C H OH
H OH
CH2OH
CH2OH
CH2OH
L-erytroza
D-treoza D-erytroza
Pentozy
Pentozy występują obficie w przyrodzie. Tworzą się one w organizmach zwierzęcych i roślinnych
w znacznych ilościach i to zarówno w stanie związanym, jako O-glikozydy, N-glikozydy lub
wielocukry zwane pentozanami, jak i w stanie wolnym.
D-ryboza i D-dezoksyryboza są składnikami kwasów nukleinowych.
D-rybuloza, m.in. jest związkiem, który przyłącza CO2 podczas fotosyntezy cukrów, w pierwszej
fazie procesu.
L-arabinoza jest jednym z nielicznych L- cukrów występujących w przyrodzie. W postaci
spolimeryzowanej jest składową częścią m.in. śluzów, gum roślinnych, pektyn i hemiceluloz.
D-ksyloza, zwana dawniej cukrem drzewnym, występuje w drewnie w postaci polisacharydu
ksylanu, będącego składnikiem hemiceluloz.
D-ksyluloza pojawia się w postaci fosforanu podczas wzajemnych przemian pentoz w cyklu
pentozowym.
Na uwagę zasługuje również L-ramnoza (uważana za metylopentozę), składnik wielu glikozydów i
antocyjanów.
CHO
CHO CH2OH
CHO CHO CH2OH CHO
C
H OH
H C C
H C CH2 C H C OH O
OH O OH
H C
OH
C H C H
C C C C H HO HO
H OH H OH H OH HO
C H
HO
C C
C C C C H H OH H OH
H OH H OH H OH HO
C H
HO
CH2OH CH2OH CH2OH
CH2OH CH2OH CH2OH
CH3
L-ramnoza
D-ryboza D-dezokyryboza D-rybuloza
L-arabinoza D-ksyluloza
D-ksyloza
Heksozy
Obok wymienionych wcześniej glukozy i fruktozy do najszerzej rozpowszechnionych w świecie
ożywionym monosacharydów z tej grupy należą: D-mannoza i D-galaktoza.
CH2OH
CHO
CHO C
H OH
C C O
C H H OH C
HO H OH
O
C H
C
HO C H HO HO H HO C H
C C H
H OH HO H C OH HO C H
C
H OH C C H
H OH HO C
H
CH2OH CH2OH CH2OH
COOH
kwas
D-mannoza D-galaktoza
L-sorboza
galakturonowy
D -gl u ko za jest najpospolitszą aldozą. Występuje w stanie wolnym w owocach, kwiatach,
miodzie, krwi. Jest częścią składową wielu oligosacharydów (sacharozy, maltozy, laktozy). W
olbrzymich ilościach występuje jako składnik polisacharydów, przede wszystkim skrobi, glikogenu,
celulozy.
D -f r u kt oza , najważniejsza z ketoz, w stanie wolnym występuje w owocach, zielonych częściach
roślin, miodzie. Jest częścią składową sacharozy, rafinozy oraz polisacharydów  inuliny, lewanu.
D -ga l akt oza w stanie wolnym spotykana bywa rzadko (m.in. owoce bluszczu). Jest częścią
składową disacharydu zwierzęcego  laktozy oraz dwóch innych oligosacharydów  melibiozy i
rafinozy. Szczególnie szeroko są rozpowszechnione pochodne zawierające kwas galakturonowy takie,
jak: agar, gumy, pektyny oraz polisacharydy otoczek bakteryjnych.
D - mann oza w stanie wolnym występuje raczej wyjątkowo, np. w skórkach pomarańczy.
Spotykana bywa natomiast w postaci polisacharydów o budowie glikozydowej, zwanych
mannozydami. Do pospolitszych mannozydów należy mannan, występujący w łupinach orzechów, w
drożdżach. Polisacharyd zbudowany z kwasu mannurowego (pochodnej mannanu) występuje dość
powszechnie w wodorostach morskich.
D -s o r bo za , również jedna z heksoz zasługująca na uwagę (z uwagi na jej wykorzystanie jako
podstawowego surowca do produkcji witaminy C), występuje jako produkt utlenienia sorbitolu
obecnego w soku nasion jarzębiny.
2.2. Oligosacharydy
Monosacharydy mogą kondensować tworząc disacharydy (zbudowane z dwóch cząsteczek cukru
prostego), trisacharydy, tetrasacharydy, itd. o ogólnej nazwie oligosacharydów (połączenie od 2 do 10
cząsteczek monosacharydów). Charakter i właściwości powstałego cukru zależą od ilości połączonych
monosacharydów, samych monosacharydów, z jakich zbudowany jest cukier złożony, rodzaju
wiązania glikozydowego z punktu widzenia konfiguracji a�- lub b�- i wreszcie od miejsca ich
połączenia, tzn. miejsca grupy wodorotlenowej jednego z monosacharydów, która utworzyła wiązanie
glikozydowe (połączone mostkiem tlenowym) z grupą hydroksylową półacetalową drugiego
monosacharydu.
Disacharydy
Disacharyd może być zbudowany z dwóch jednakowych lub różnych monosacharydów. Jeżeli w
wiązaniu glikozydowym wzięły udział obie grupy hydroksylowe półacetalowe połączonych
monosacharydów (jak ma to miejsce np. w sacharozie), to taki disacharyd nie wykazuje właściwości
redukujących. Jeżeli w utworzonym disacharydzie jedna z grup hydroksylowych półacetalowych jest
nadal wolna (np. w maltozie), to taki disacharyd wykazuje właściwości redukujące.
Do najczęściej spotykanych w przyrodzie disacharydów należą: sacharoza, maltoza, laktoza,
celobioza, trehaloza.
Sacharoza, zwana również cukrem trzcinowym lub buraczanym, zasługuje na szczególne
wyróżnienie wśród disacharydów, z uwagi na szerokie rozpowszechnienie w przyrodzie. Występuje w
liściach, łodygach, nasionach, owocach, korzeniach i bulwach różnych roślin. Jej zawartość w
łodygach trzciny cukrowej i bulwach buraków cukrowych może dochodzić do 24%. Znaczne jej ilości
zawiera miód naturalny.
6
CH2OH
b�
6
C5 O O
CH2OH
H
H
H
C 5C
2
C4 1C
O
H
OH H 1 OH
HOH2C H
HO 3 2 3 4
C C C C
a�
H OH OH H
sacharoza
Zbudowana jest z jednej cząsteczki a�-D-glukozy i jednej cząsteczki b�-D-fruktozy połączonych
wiązaniem 1-2 i stąd jej nazwa a�-1-D-glukopiranozylo-b�-2- D-fruktofuranozyd. Jest cukrem nie
redukującym.
Maltoza cukier słodowy, tworzy się podczas enzymatycznego rozpadu skrobi. Jest a�-glikozydem
zbudowanym z dwóch cząsteczek glukozy połączonych wiązaniem a�-1,4 i stąd jej nazwa a�-1,4-D-
glukopiranozylo-glukopiranozyd. Jest cukrem redukującym.
6
6
CH2OH
CH2OH
C5 O
C5 O
H
H
H H
H
H
C4 1C
C4 1C
a�, b�
OH H
OH H
HO 3 2
3 2
OH
O
a�
C C
C C
H
OH H
OH
maltoza
Celobioza w stanie wolnym nie znaleziona w przyrodzie. Powstaje podczas enzymatycznej
hydrolizy celulozy. Jest b�-glikozydem zbudowanym z dwóch cząsteczek glukozy połączonych
wiązaniem b�-1,4 i stąd jej nazwa b�-1,4-D-glukopiranozylo-glukopiranozyd. Jest cukrem redukującym.
6
6
CH2OH
CH2OH
b�
C5 O
C5 O
OH
H
H
H
H
C4 1C
C4 1C O
OH H
OH H
3 2 H
HO 3 2 H
C C
C C
H OH
H OH
celobioza
Laktoza, czyli cukier mlekowy, jest związkiem dobrze znanym, występującym w mleku ssaków.
Zbudowanym jest z galaktozy i glukozy połączonych wiązaniem b�-1 od strony galaktozy i stąd jej
nazwa b�-1,4-D-galaktopiranozylo-glukopiranozyd. Jest cukrem redukującym.
6
6
CH2OH
CH2OH
b�
C5 O
C5 O
H H
HO
H
H
C4 1C
C4 1C O
OH H
OH H
3 2
H 3 2 H OH
C C
C C
H
OH
H
OH
laktoza
Spośród innych disacharydów wypada wspomnieć o melibiozie, zbudowanej z galaktozy i
glukozy, połączonych wiązaniem b�-1 od strony galaktozy i stąd jej nazwa b�-1,6-D-galaktopiranozylo-
glukopiranozyd. Jest cukrem redukującym.
Rafinoza, trisacharyd występujący w burakach cukrowych, który podczas ich przeróbki gromadzi
się w melasie. Zbudowana jest z galaktozy, połączonej wiązaniem b�-1,6 z glukozą, a ta wiązaniem a�-
1-b�-2 z fruktozą. Jest cukrem nie redukującym.
melibioza
^
6
CH2OH
b�
C5 O
HO
H
C4 1C O
OH H
6
H 3 2 H
CH2
C C
b�
6
C5 O O
CH2OH
H H
H
OH
H
C 5 C
2
C4 1C
O
H
OH H 1 OH
HOH2C H
HO 3 2 3 4
C C C C
a�
H
OH OH H
v
sacharoza
rafinoza
2.3. Polisacharydy
Polisacharydy zbudowane są z setek a nawet tysięcy połączonych ze sobą cząsteczek
monosacharydów, tworząc jedną olbrzymią cząsteczkę. Ich skład z reguły przedstawia się wzorem
sumarycznym: (C6H10O5)n. Są szeroko rozpowszechnione w przyrodzie. Niektóre, jak skrobia i
celuloza, spotykane są powszechnie u roślin. Do związków pokrewnych polisacharydom zalicza się
także hemicelulozy, aminocukry i pektyny.
Skrobia jest szeroko rozpowszechniona w świecie roślinnym; jest zawarta w ziarnach zbóż i
bulwach roślin. Skrobia jest mieszaniną dwóch polisacharydów: rozpuszczalnej w wodzie amylozy
(około 20%) oraz nierozpuszczalnej w wodzie amylopektyny (około 80%).
A m y l o z a zbudowana jest z reszt ą-D-glukopiranoz połączonych wiązaniem ą-1,4-
glikozydowym. Jej łańcuch jest nie rozgałęziony.
6
6
6
CH2OH
CH2OH
CH2OH
C5 O
C5 O
C5 O
H
H
H
H
H
H
H
H
H
C4 1C
C4 1C
C4 1C
OH H
OH H
OH H
3 2
3 2
O
3 2
O
O C C
O C C
C C
H
OH
H
OH
H
OH
amyloza
A m y l o p e k t y n a , podobnie jak amyloza, zbudowana jest z reszt glukopiranozy połączonych
wiązaniami ą-1,4-glikozydowymi. W przeciwieństwie do amylozy jest jednak rozgałęziona; od jej
głównego łańcucha, co 24-30 reszt glukozowych, odchodzą łańcuchy boczne utworzone przez
wiązania ą-1,6-glikozydowe. Jej budowę można schematycznie przedstawić następująco:
O - reszta glukozowa
O
O O O O O O O O
O O - wiązanie a�-1,4
O O O O O O O O O O O
O
- wiązanie a�-1,6
O O O O O O O O O O O
O
O - końcowa redukująca grupa
amylopektyna
Dekstryny są produktem częściowej hydrolizy skrobi. Biorąc pod uwagę ciężar cząsteczkowy
można je uszeregować następująco:
skrobia amylodekstryna
erytrodekstryna achrodekstryna
Glikogen, zapasowy węglowodan zwierząt, o bardziej rozgałęzionych łańcuchach aniżeli
amylopektyna; co 8-12 reszt glukozowych pojawia się rozgałęzienie utworzone przez wiązanie a�-1,6-
glikozydowe.
Dekstran to wielocukier o masie cząsteczkowej od 40 do 200 kDa, którego budowa przypomina
amylopektynę. Większość cząsteczek glukozy połączona jest jednak wiązaniem a�-1,6-glikozydowym,
a tylko nielicznie występują wiązania a�-1,4 (około 10%).
Inulina, zbudowana podobnie jak skrobia z tym, że jest polifruktozofruktozydem. Reszty
fruktofuranozydowe połączone są za sobą wiązaniem b�-1,2-glikozydowym.
Pulullan, polisacharyd zbudowany z
O
O O
cząsteczek maltotriozy połączonych
O O O - maltotrioza (wiązanie a�-1,4)
O O O
wiązaniem a�-1,6-glikozydowym.
O
- wiązanie a�-1,6
O O O
Schematycznie jego budowę można
O
przedstawić następująco:
pulullan
Celuloza, szeroko rozpowszechnio-
na w przyrodzie, jako główny składnik ścianek komórkowych roślin. Pod względem chemicznym nie
jest jednorodnym związkiem, lecz można ją zaklasyfikować do przynajmniej dwóch głównych klas,
alfa i beta. b�-Celuloza rozpuszcza się w 17% roztworze wodorotlenku sodowego, podczas gdy a�-
celuloza w tych warunkach jest nierozpuszczalna. a�-Celulozę używa się do produkcji sztucznego
włókna.
Budową przypomina amylozę z tym, że reszty glukozowe połączone są wiązaniem b�-1,4-
glikozydowym.
6 6
6
CH2OH CH2OH
CH2OH
b� b�
C5 O C5 O
C5 O
H
H
H
H
H
H
C4 1C
O C4 1C O
C4 1C O O
OH H OH H
OH H
3 2
3 2 H H
3 2 H
C C
C C
C C
H
H OH OH
H
OH
reszta celobiozy
celuloza
Hemicelulozy, niejednorodna grupa polisacharydów występujących, obok celulozy i ligniny, w
zdrewniałych tkankach roślin. Wśród hemiceluloz rozróżnia się ksylany (z D-ksylozą), galaktany (z
D-galaktozą), arabany (L-arabinozą) oraz mannany (z D-mannozą). W skład hemiceluloz wchodzą
również kwasy uronowe.
Ksylan, polisacharyd zaliczany do pentozanów, pochodzący z drewna, otrąb i łupin orzeszka
ziemnego. Po hydrolizie daje D-ksylozę Niektóre ksylany, podobnie jak celuloza, mają strukturę
liniową, inne  rozgałęzioną i dodatkowo zawierają cząsteczki L-arabinozy lub kwasu D-
glukuronowego. Główny łańcuch zbudowany jest z reszt D-ksylopiranozy połączonych wiązaniami b�-
1,4-glikozydowymi, od którego odchodzą liczne rozgałęzienia - głównie przy węglach 2 i 3.
Pektyny zazwyczaj występuje w postaci złożonego kompleksu zwanego protopektyną, którego
skład schematycznie można przedstawić następująco:
araban��zmetoksylowany kwas poligalakturonowy��galaktan
Główną strukturę stanowi łańcuch zbudowany z reszt kwasu D-galakturonowego, połączonych
wiązaniami a�-1,4-glikozydowymi. Grupy karboksylowe reszt kwasu galakturonowego są w
mniejszym lub większym stopniu zestryfikowane alkoholem metylowym. Od węgli 2 i 3 głównego
łańcucha odgałęziają się łańcuchy boczne.
6
6
COOH
COOCH3
C5 O
C5 O
H
H
H
H
H
H
C4 1C
C4 1C
OH H
OH H
3 2
3 2
O
a�
O C C O
C C
H
OH
H
OH
fragment zmetoksylowanego kwasu poligalakturonowego
Aminocukry. W przyrodzie znaleziono dwie pochodne aminowe cukrów: 2-dezoksy-2-
aminoglukozę i 2-dezoksy-2-aminogalaktozę. Reszty N-acetylo-2-aminoglukozy połączone są
wiązaniem b�-1,4-glikozydowym są podstawowym składnikiem chityny. Stąd chitynę uważa się za
pochodną aminową celulozy acetylowaną przy azocie. D-Glukozoamina wchodzi również w skład
kwasu hialuronowego, podstawowej substancji tkanki łącznej.
6
6
CH2OH
CH2OH
C5 O
C5 O
H
H H
H
H
H
C4 1C
C4 1C
OH H
OH H
2
2 3
3
HO OH
HO OH
C C
C C
NH COCH3
NH2 H
H
N-acetylo-2-dezoksy-
2-dezoksy-2-aminoglukoza
2-aminoglukoza
3. Aminokwasy, peptydy i białka
3.1. Aminokwasy
Wszystkie aminokwasy wchodzące w skład białek mają konfigurację L i należą do grupy
a�-�aminokwasów, to znaczy mają grupę aminową przy węglu sąsiadującym z grupą karboksylową.
Ogólny ich wzór jest następujący:
-
-
COO
COO
a�
+ +
C H
H3N lub H3N C
H
R
R
W organizmach żywych występują również aminokwasy nie będącymi składnikami białek.
Poniżej podano wzory najwazniejszych aminokwasów spotykanych w przyrodzie ożywionej.
COOH
COOH
COOH
H C NH2
H C NH2
COOH H C NH2
CH2
COOH
CH
H C NH2 CH2
COOH
COOH
N
H2C CH3
H C NH2 CH
CH2 NH2
CH
H
H3C CH3 H3C CH3 H3C
CH3
glicyna
alanina
walina izoleucyna prolina fenyloalanina
leucyna
COOH COOH
H C NH2
H C NH2
COOH
COOH
CH2
CH2 COOH
COOH
COOH
H C NH2
H C NH2
H C NH2 H C NH2
H C NH2
CH OH
CH2
CH2
CH2 S S
CH2 OH
N
CH3
CH2 S CH3
H
OH
treonina
seryna metionina
cystyna
tryptofan tyrozyna
COOH COOH
COOH
COOH
H C NH2 H C NH2
H C NH2
H C NH2
CH2 CH2
CH2
CH2
COOH
HO
N CH2
CH2
CH OH
H C NH2
COOH
CH2 NH C NH2 CH2
CH2 N
CH2 SH
N
NH
CH2 NH2 H
CH2 NH2
H
histydyna
lizyna
arginina cysteina
hydroksyprolina
hydroksylizyna
COOH
COOH
COOH
COOH
H C NH2
H C NH2
H C NH2
H C NH2
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2 CO NH2
COOH
CO NH2
COOH
kwas
kwas
glutamina
asparagina
glutaminowy
asparaginowy
Aminokwasy spotykane w białkach
11
COOH
COOH
COOH COOH
COOH
COOH
H C NH2 H C NH2
H C NH2 H C NH2
H C NH2 H C NH2
CH2
CH2
CH2 CH2
CH2
CH2
CH2 CH2
CH2 SH
CH2 OH
CH2 NH2 CH2 NH C NH2
J J
J J
O
O
O
homoseryna
homocysteina
ornityna
cytrulina
COOH
COOH
CH2
J
J
CH2 J
*
H2N CH
OH
OH
CH2 NH2
CH3
tyroksyna
trijodotyronina
kwas
b�-alanina
b�-aminomaslowy
tyreoglobulina
Aminokwasy niebiałkowe
Tyroksyna i trijodotyronina pochodne nie występującej w przyrodzie tyroniny, występują jedynie
w tyreoglobulinie, hormonalnym białku tarczycy. �-alanina, karnityna oraz N-metylohistydyna są
aminokwasami biologicznie czynnymi lub też są składnikami biologicznie czynnych substancji
niskocząsteczkowych. Homocysteina i homoseryna są metabolitami pośrednimi przemian metioniny i
cysteiny. Kwas �-aminomasłowy jest produktem końcowym rozkładu nukleotydów pirymidynowych.
Z kolei ornityna i cytrulina biorą udział w syntezie mocznika.
Aminokwasy o konfiguracji D występują w przyrodzie rzadko i to wyłącznie w związkach
względnie prostych, nie będącymi białkami (np. w niektórych antybiotykach pochodzenia
bakteryjnego o budowie peptydowej).
W laboratoriach sztucznie otrzymuje się całą gamę aminokwasów nie spotykanych w przyrodzie
ożywionej. Z ich wykorzystaniem np. do produkcji leków wiąże się duże nadzieje.
Podział ą-aminokwasów
Poszczególne ą-aminokwasy różnią się strukturą rodnika. Stosuje się różne kryteria ich podziału
Rozróżnia się aminokwasy alifatyczne i aromatyczne, a w zależności od ilości grup aminowych i
karboksylowych aminokwasy mono- lub di- aminowe lub karboksylowe. Rodniki aminokwasów
cysteiny i metioniny w swojej budowie zawierają atom siarki (są to aminokwasy siarkowe). Rodniki
waliny, leucyny i izoleucyny posiadają rozgałęziony łańcuch alifatyczny (aminokwasy rozgałęzione).
Prolina jest z kolei iminokwasem (kwasem pirolidyno-karboksylowym).
Często aminokwasy dzieli się biorąc pod uwagę hydrofobowość lub hydrofilowość łańcucha
bocznego. Aminokwasy z niepolarnymi rodnikami węglowodorowymi (glicyna, alanina, walina,
leucyna i izoleucyna) lub zawierające grupę funkcyjną o znikomej polarności (prolina, fenyloalanina,
tryptofan, metionina i cystyna) zalicza się do aminokwasów hydrofobowych.
Z punktu widzenia wartości pokarmowych (dietetycznych) aminokwasy dzieli się na egzogenne
(niezbędne) i endogenne (nie niezbędne). Aminokwasy egzogenne muszą być dostarczone
organizmowi zwierzęcemu z zewnątrz (np. z pokarmem), z uwagi na zanik zdolności do ich
syntetyzowania. Dla człowieka niezbędnymi aminokwasami są wal in a, le ucyna , i zol euc yn a,
f enyloal anina, tr yptof an, t re o ni na, meti oni na i li zyna .
12
3.2. Peptydy
Grupa aminowa jednego ą-aminokwasu może reagować z grupą karboksylową innego
ą-aminokwasu tworząc wi ą za ni e pept yd owe  CO NH , które z chemicznego punktu widzenia
jest szczególnym przypadkiem wiązania amidowego (co ma pewne znaczenie, z uwagi na
specyficzność działania niektórych enzymów). Związki powstałe z takiego połączenia nazwano
p ept yda mi .
R1
R2 R1
R2
H2N CH COOH
+ H2N CH COOH
H2N CH CO NH CH COOH
H2O
aminokwas 1
aminokwas 2
dipeptyd
Podane wyżej równanie przedstawia jedynie schemat syntezy peptydu i jego uproszczony wzór, nie
uwzględniający budowy przestrzennej.
3.2.1. Budowa peptydów - wiązanie peptydowe
Badania krystalograficzne wykazały, że wiązanie C N w wiązaniu peptydowym jest znacznie
krótsze niż zwyczajne pojedyncze wiązanie tego typu. Jest to spowodowane, mezomerycznym
charakterem wiązania peptydowego (hybrydyzazja typu sp2). Wynikiem tej mezomerii jest brak
swobodnego obrotu wokół wiązania C  N i stąd istnienie tylko dwóch stabilnych konformacji cis i
trans. Ogólnie w natywnych peptydach i białkach występuje głównie forma trans.
Zgodnie z tym właściwsze jest przedstawianie wiązania peptydowego za pomocą dwu wzorów
granicznych lub wzorem, na którym symbolicznie zaznaczono delokalizację elektronów.
a�
a�
d�-
-
O C
O C
..
+
C N
C N
a� d�+
a�
C H
C H
delokalizacja elektronow w wiazaniu peptydowym
Z badań rentgenograficznych wynika, że konfiguracja wiązania peptydowego nie zależy od rodzaju
i właściwości łańcuchów bocznych aminokwasów tworzących wiązanie. Wyjątek pod tym względem
stanowi prolina i hydroksyprolina, których grupy iminowe związane są z łańcuchami bocznymi.
Delokalizacja elektronów w wiązaniu peptydowym sprawia, że wszystkie cztery jego atomy:
��CO��NH�� a również i oba atomy Cą łańcuchów bocznych, leżą w jednej płaszczyz
nie (mówi się o
planarności wiązania peptydowego). W konsekwencji wiązanie łączące atom węgla i azotu wykazuje
znaczną sztywność właściwą wiązaniu podwójnemu, a swobodny obrót wokół niego wymaga
przezwyciężenia oporu około 88 kJ/mol. Na poniższym rysunku przedstawiono perspektywicznie
strukturę wiązania peptydowego w hipotetycznym dipeptydzie.
R2
H
H
a�
O
N
a�
C
H C
C
C
COOH
a�
N
H2N C
O
R2
H
R1
H
Drugim ważnym wiązaniem kowalencyjnym, spotykanym w cząsteczkach peptydów, jest wiązanie
disulfidowe (disiarczkowe), tworzone przez sąsiadujące ze sobą grupy tiolowe  SH pochodzące z reszt
cysteiny. Rozróżnia się wewnątrzłańcuchowe wiązania disulfidowe, które występują w tym samym
13
łańcuchu peptydowym, oraz międzyłańcuchowe wiązania disulfidowe występujące między dwoma
różnymi łańcuchami peptydowymi:
NH HN
O C C O
CH CH2 S S H2C HC
HN NH
C O O C
mostek disiarczkowy
Wewnątrzcząsteczkowe wiązania S  S występują np. w oksytocynie, wazopresynie, w łańcuchu A
insuliny i w rybonukleazie. Wiązania te mogą spowodować, że części cząsteczki o zupełnie różnych
sekwencjach znajdują się w bezpośrednim zbliżeniu, jak np. w rybonukleazie. W utlenionej formie
glutationu dwa identyczne łańcuchy peptydowe połączone są przez kowalencyjne wiązanie disulfidowe.
W insulinie w ten sam sposób połączone są dwa różne łańcuchy.
Sąsiadujące ze sobą wiązania peptydowe, np. w dwu równoległych peptydach, mogą tworzyć
wiązania wodorowe >CO...HN<, w których odległość atomu tlenu od atomu azotu wynosi nieco mniej
niż 0,3 nm.
Oprócz tych wiązań, czynnikami mającymi wpływ na przyjęcie przez cząsteczkę peptydu
określonej konformacji są oddziaływania kwasowych, zasadowych, aromatycznych i alifatycznych
łańcuchów bocznych różnych aminokwasów ze sobą lub z łańcuchem głównym peptydu. Te
oddziaływania, zwykle stabilizujące, staja się w pełni efektywne dopiero w białkach, niemniej mają one
także znaczenie dla utrzymania odpowiednich efektywnych konformacji wielu polipeptydów
biologicznie aktywnych.
3.2.2. Nazwy i wzory peptydów
Nazwy peptydów są tworzone w zależności od liczby rodników aminoacylowych tworzących
cząsteczkę peptydu. Peptyd zbudowany z dwu aminokwasów nazywa się dipeptydem, z trzech 
tripeptydem, z dziesięciu  dekapeptydem, itp. Peptydy zawierające w cząsteczce do 10 rodników
aminoacylowych nazywa się oli gope pt yda mi , zawierające zaś większą liczbę 
p oli pept yda mi . Te ostatnie stanowią przejście do białek (zaliczanych do makropeptydów), których
cząsteczki są zbudowane ze 100 i więcej rodników aminoacylowych.
Tabela 1.2. Nazwy i symbole najpospolitszych a�-aminokwasów
Rodnik Symbol Rodnik Symbol
aminoacylowy aminoacylowy
Alanyl Ala Hydroksyprolil Hyp lub Pro(OH)
Arginyl Arg Izoleucyl Ileu (Ile)
Aspargil Asp Leucyl Leu
Asparginyl Asn lub Asp(NH2) Lizyl Liz (Lys)
Cysteil Cys Metionyl Met
Cysteinyl Ornityl Orn
Cys��Cys1
Fenyloalanyl Prolina Pro
Fen (Phe)
Glicyl Seryl Ser
Gli (Gly)
Glutamil Treonyl Tre (Thr)
Glu
Glutaminyl Tryptofanyl Try (Trp)
Gln lub Glu(NH2)
Histydyl Tyrozyl Tyr
His
Hydroksylizyl Walil Wal (Val)
Hyl lub Liz(OH)
W nawiasach podano symbole zalecane przez Unię Biochemiczną.
1
również Cys Cys
14
Szczegółowe nazwy peptydów są albo zwyczajowe, albo mają charakter systematycznych nazw
chemicznych określających je jako aminoacyloaminokwasy. Na przykład tripeptyd zbudowany z
glicyny, alaniny i cysteiny nosi nazwę glicyloalanylocysteiny. Nazwa ta podaje skład aminokwasowy
peptydu i jednocześnie kolejność łączenia się aminokwasów. I tak tripeptyd wspomniany wyżej jest
zupełnie różnym od alanyloglicylocysteiny, peptydu zbudowanego z identycznych aminokwasów, ale
połączonych w innej kolejności.
W celu uproszczenia zapisywania wzorów peptydów i uniknięcia długich nazw, ustalono, by
rodniki aminoacylowe oznaczać pierwszymi trzema literami nazwy aminokwasu. W tabeli 1.2 podano
nazwy i symbole rodników najpospolitszych a�-aminokwasów.
Przy pisaniu wzorów peptydów symbole łączy się krótką kreską, przy czym lewa strona symbolu
odpowiada grupie aminowej, a jego prawa strona - grupie karboksylowej. Wzory przytoczonych wyżej
tripeptydów można więc zapisać symbolicznie: Gli-Ala-Cys oraz Ala-Gli-Cys. Jeżeli zachodzi
specjalna potrzeba wyraz
nego wskazania kierunku, w jakim połączone są ze sobą cząsteczki
aminokwasów w peptydzie (np. przy przedstawianiu struktury peptydów pierścieniowych) wówczas
zaznacza się strzałką �� kierunek powstawania wiązań od grupy karboksylowej do aminowej:
Gli��Ala��Cys. Jeżeli kolejność łączenia się aminokwasów nie jest znana dla jakiegoś fragmentu
łańcucha polipeptydowego, to fragment ten ujmuje się w nawiasy, wewnątrz których symbole oddziela
się przecinkami, np. Gli-Ala-Cys-(Arg, Tyr, Leu)-Pro-Ala-Fen. Końcowy aminokwas z wolną grupą
aminową, tzw. N-terminalny aminokwas, symbolizuje się dopisaniem litery H- lub H2N-, zaś końcowy
aminokwas z wolną grupą karboksylową, czyli C-terminalny aminokwas, dodaniem liter -OH lub -
COOH: H-Gli-Ala-Cys-OH lub H2N-Gli-Ala-Cys-COOH.
3.2.3. Ważniejsze peptydy naturalne
W ciągu ostatnich 20 lat liczba peptydów znalezionych w materiale zwierzęcym, roślinnym i
bakteryjnym ogromnie wzrosła. Większość znajdowanych w przyrodzie peptydów składa się
wyłącznie z aminokwasów, które zwykle spotykamy w białkach. Jednak w naturalnych peptydach
często występują inne proste aminokwasy, takie jak �-alanina i kwas ł-aminomasłowy.
Najprostszym i jednocześnie najwcześniej poznanym dipeptydem wyodrębnionym z tkanek była
ka r nozyna , czyli b�-alanylohistydyna. Obok niej w mięśniach kręgowców spotyka się także
anserynę: b�-alanylo N-metylohistydynę. Rola obydwu dipeptydów jest do dzisiaj nie poznana.
Glutation (GSH) jest tripeptydem, który szeroko rozpowszechniony jest w zarówno w tkankach
zwierzęcych jak i roślinnych. Zawiera on kwas glutaminowy, cysteinę i glicynę. Był pierwszym
znanym peptydem zawierającym wiązanie inne niż ą-peptydowe.
COOH
Glu
a�CH-NH
2
Cys Gli
Glu
CH2 H O
S
-2H+
2
Cys Gli
CH2 C N CH C N CH2 COOH
S
SH
O CH2 H
Cys Gli
SH
Glu
glutation
utlenianie i redukcja glutationu
Związek ten łatwo ulega odwracalnym przemianom oksydacyjno-redukcyjnym. Reakcja
utlenienia jest katalizowana solami Cu i Fe. Redukcja disulfidu i przekształcenie do GSH
katalizowane jest przez reduktazę glutationową.
Funkcje biochemiczne glutationu są bardzo różne. Jest to koenzym hydrolazy
hydroksyacyloglutationowej, dehydrogenazy formaldehydowej, tautomerazy indolilopirogronianowej,
izomerazy maleiloacetooctanowej i innych enzymów. Stanowi on również grupę prostetyczną
dehydrogenazy fosfogliceroaldehydowej oraz odgrywa pewną rolę w działaniu dehydrochlorynazy
DDT, którą odkryto w odpornych na DDT muchach domowych. Glutation jest także bardzo ważnym
związkiem w wielu biologicznych reakcjach redox, ponieważ może stabilizować wolne grupy  SH.
15
Biosynteza glutationu zachodzi następująco:
Glu + Cys +ATP Glu(Cys) + ADP + H PO I
3 4
Gly + Glu(Cys) + ATP Glu(Cys-Gly) + ADP + H PO II
3 4
Reakcja I jest katalizowana przez syntetazę ł-glutamylocysteinową, a reakcja II przez syntetazę
glutationową.
Hormony peptydowe
Hor mo ny są substancjami chemicznymi, produkowanymi w specjalnych organach lub tkankach
i przynoszonymi do miejsca działania poprzez układ krwionośny. Ta chemicznie zróżnicowana grupa
substancji  regulatorów, między innymi, obejmuje pewną liczbę peptydów i białek. Znaczna liczba
hormonów peptydowych i białkowych produkowana jest w gruczołach wydzielania wewnętrznego
(podwzgórze, przysadka, tarczyca, przytarczyce, komórki Langerhansa w trzustce, itp.). Pozostała
część jest produkowana w specjalnych tkankach. Na tej podstawie rozróżniamy hormony gruczołowe i
tkankowe.
Wiele ze znanych hormonów peptydowych ma prekursory białkowe, z których w skutek
działania enzymów następuje uwalnianie aktywnych związków. Typowymi przykładami są
angiotensyna, bradykinina, kalidyna i insulina. Przypuszcza się, że podobne metaboliczne prekursory
istnieją dla wazopresyny, gastryny, glukagonu, hormonu paratyreotropowego i ACTH. Najpierw, na
rybosomach zachodzi synteza biologicznie nieaktywnych prekursorów o dużej masie cząsteczkowej.
Następnie jeden lub więcej enzymów uwalnia hormony lub prohormony. Okres półtrwania wolnych
hormonów nie przekracza zwykle 30 min. Są one dezaktywowane przez różne egzo i endopeptydazy.
Angi o te ns yna II zaliczana do oligopeptydów jest oktopeptydem wytwarzanym w nerkach o
wzorze: H-Asp-Arg-Wal-Tyr-Ileu-His-Pro-Fen-OH. Hormon ten powoduje wzrost ciśnienia krwi i
pobudza wytwarzanie hormonów kory nadnercza. Jest to jeden z najefektywniejszych regulatorów
ciśnienia krwi. Związek ten wywołuje silny skurcz naczyń krwionośnych, przez co automatycznie
zwiększa się ciśnienie krwi.
Peptydy regulacyjne
Od czasów odkrycia pierwszych hormonów rośnie stale liczba  chemicznych posłańców , czyli
związków niosących określoną informację biologiczną od komórek wydzielniczych do komórek
docelowych. Ostatnie 20 lat przyniosło wiele doniesień na temat nieznanych dotąd peptydów o
aktywności: hormonalnej, neuromodulacyjnej, immunoregulacyjnej i mitogennej. Wszystkie te
peptydy określane są często wspólną nazwą p ep t ydów r e gul acyj nyc h .
Przyjmuje się obecnie trzy podstawowe sposoby przekazywania informacji międzykomórkowej z
udziałem peptydów regulacyjnych: endokrynny, parakrynny i autokrynny.
(1) Transport endokrynny, w którym peptyd syntetyzowany przez wyspecjalizowane
komórki wydzielany jest do krwioobiegu i przenoszony z krwią do komórek docelowych. Ten
sposób transportu jest typowy dla hormonów dokrewnych.
(2) Hipoteza transportu parakrynnego zakłada, że peptydy regulacyjne przenoszone są w
drodze dyfuzji międzykomórkowej. Przypuszczalnie wiele peptydów działa lokalnie tą drogą.
Podobny sposób transportu (neuroparakrynny) przyjmuje się w przypadku przenoszenia sygnału
przez synapsy chemiczne w obrębie układu nerwowego.
(3) Hipoteza regulacji autokrynnej przyjmuje, że komórkami docelowymi są te same
komórki, które syntetyzują peptyd regulacyjny. Regulacja autokrynna ma przypuszczalnie istotne
znaczenie w kontroli wzrostu komórek neoplastycznych, aczkolwiek autoregulacja jest zjawiskiem
stwierdzonym wielokrotnie w hodowlach komórek nietransformowanych.
Antybiotyki o budowie peptydowej peptydowe
Liczne antybiotyki wytwarzana przez mikroorganizmy mają budowę peptydową. Niektóre z nich
produkowane są na skalę przemysłowa w oparciu o wgłębną hodowlę bakterii Bacillus. Jako przykład
można wymienić gr a mic ydyn ę S, pierścieniowy dziesięciopeptyd wytwarzany przez Bacillus
brevis. Gramicydynę S stosuje się jako składnik maści i roztworów używanych zewnętrznie do
leczenia owrzodzeń oraz zainfekowanych ran i oparzeń.
16
NH2
L-His CH2-CH3
D-Asn
D-Fen L-Leu
L-Orn L-Wal
S CH CH
CH3
N
D-Fen
L-Asp
L-Pro L-Pro
O C
L-Ile L-Liz L-Ile L-Leu
D-Glu
L-Wal L-Orn L-Leu
D-Fen
D-Orn
gramicydyna S
bac ytracy na
Bakterie Bacillus brevis wytwarzają jeszcze inne antybiotyki, m.in. t yr oc ydyny A, B i C,
będące również cyklicznymi oligopeptydami, zawierającymi a�-D-fenyloalaninę, podobnie jak
gramicydyna S. Znanych jest obecnie ponad 25 antybiotyków wytwarzanych przez różne szczepy tych
bakterii.
Innym przykładem antybiotyku o budowie peptydowej jest bac yt ra c yn a , wytwarzana na skalę
przemysłową (m.in. w PZF  POLFA w Pabianicach) w oparciu o hodowlę bakterii Bacillus subtilis.
Poszczególne szczepy bakterii Bacillus subtilis produkują ponad 65 antybiotyków o budowie
polipeptydowej. Z kolei Bacillus polymyxa wytwarza p oli myks yny. Wszystkie te antybiotyki
działają na bakterie gramujemne, gramdodatnie i grzyby. Ich działanie jest różne. Niektóre blokują
syntezę ściany komórkowej lub zakłócają funkcje błon biologicznych, inne, mniej liczne, zakłócają
replikację, transkrypcję lub translację.
Akt ynomyc yny (nazywane chromopeptydami gdyż zawierają chromofor) są bardzo
toksycznymi antybiotykami produkowanymi przez różne gatunki Streptomyces. Wydzielono i
wykrystalizowano więcej niż 20 różnych związków należących do tej grupy. Różnią się one jedynie
sekwencja aminokwasową układu cyklicznego zbudowanego z dwóch pierścieni laktonowych
przyłączonych do aktynocyny wiązaniami amidowymi. W tej grupie antybiotyków, a kt ynomyc yn a
C1 wykazuje najsilniejsze działanie przeciwbakteryjne.
H3C CO NH Thr D-Val Pro Sar Me-Val
O N
H3C CO NH Thr D-Val Pro Sar Me-Val
O NH2
Sar = sarkozyna (N-metyloglicyna)
Me-Val = metylowalina
aktynocyna
Aktynomycyna C1
Pe ni c yli na jest najstarszym i najlepiej poznanym antybiotykiem - mówi się o niej, że jest
prototypem antybiotyków. Jej budowa ma jednak mało wspólnego z peptydami, tym niemniej
rozpatruje się ją przy okazji omawiania antybiotyków o budowie peptydowej. W niektórych
publikacjach mówi się o pseudopeptydowej budowie penicyliny:
cysteina
S
H3C
C CH CH NH CO R
H3C R = CH2
HOOC HC N C O
benzylopenicylina
walina
penicylina
17
Wytwarzana jest przez pleśń Penicillium notatum. Biogeneza jej wynika z połączenia waliny
oraz cysteiny. W jej cząsteczce występuje silnie napięty czteroczłonowy pierścień b�-laktamowy oraz
drugi pierścień zawierający siarkę. Grupa aminowa cysteiny jest N-acylowana, przy czy rodnik R
kwasu acylującego może mieć różną naturę. Np. benzylopenicylina zawiera rodnik benzylowy.
Depsipeptydy
Nazwa de psi pept yd , jest kombinacją terminów depsyd (ester hydroksykwasu) i peptyd.
Nazwę tę zaproponował Szemiakin w 1953 roku w celu określenia związków, które zawierają
zarówno wiązania estrowe jak i peptydowe.
R1 R2 R1 R2 R1
% % % % %
- NH  CH  CO  O  CH  NH  CH - CO  O  CH  CO  NH  CH  CO 
R1- reszty aminokwasu
R2  reszta hydroksykwasu
Związki cykliczne tego rodzaju wykryto w dużych ilościach w mieszaninie produktów
metabolizmu bakterii. Wykazują one zadziwiająco duża aktywność antybiotyczną. Szersze
zastosowanie tych związków w medycynie jest ograniczone ze względu na to, że wiązania estrowe
bardzo łatwo ulęgają rozszczepieniu w warunkach sprzyjających hydrolizie.
Do depsipeptydów, zawierających wyłącznie aminokwasy (często także ich pochodne
N-metylowe i D aminokwasy) i hydroksyaminokwasy, zaliczamy: eniatyny, amidomycynę,
walinomycynę, sporydesmolidy, serratomolid i esperynę.
W innych depsipeptydach mogą istnieć wiązania estrowe utworzone z udziałem grup
hydroksylowych hydroksyaminokwasów, takich jak seryna i treonina. Depsipeptydy mogą także
zawierać skomplikowane jednostki strukturalne, których nigdy nie wykryto w białkach. Do tej grupy
należą: pektynomycyny, etamycyna i
echinomycyna. Depsipeptydy w zależności od ich
O
struktury dzieli się na O peptydy, peptolidy i
NH2
C
laktony peptydowe.
CH2 CH O
HOOC CH CH2
Najprostszym, występującym w przyrodzie
depsipeptydem jest fitopatogenetyczna toksyna z
HN CH CH3
Pseudomonas tabaci. Cząsteczka tego związku
C
składa się z cząsteczek kwasu mlekowego i
O
2,5-diaminoadypinowego, związanych ze sobą w
taki sposób, że powstaje pierścień
depsipeptyd z Pseudomonas tabaci
dioksomorfolinowy:
Struktura innego depsipeptydu, a mi d omycyn y jest do tej pory nie wyjaśniona. Wiadomo
tylko, że depsipeptyd ten składa się z kwasu D hydrosywalerianowego i D waliny. Jego działanie
antybiotyczne polega na hamowaniu wzrostu niektórych mikroorganizmów wywołujących choroby
roślin oraz niektórych typów drożdży.
W ali n omyc yn a , nazywana tak ze względu na dużą zawartość waliny, jest cyklicznym
dwunastopeptydem. Działa ona na M.tuberculosis
Se rr at omoli d, cykliczny tetradepsipeptyd, oraz e spe r yna zawierają � hydroksykwasy. W
wyniku całkowitej hydrolizy serratomolidu stwierdzono, że zawiera on L serynę i kwas
D-�-hydroksydekanowy.
Protaminy
Do peptydów zalicza się również pr ot a mi ny, polipeptydy o masie cząsteczkowej rzędu 1��6 kDa
wyizolowane z jąder plemników ryb. Zawierają one znaczne ilości argininy, przekraczające połowę
wszystkich aminokwasów w cząsteczce, stąd wybitnie zasadowe właściwości.
18
Toksyny peptydowe
Śmiercionośne toksyny zawarte w kapeluszu muchomora Amanita phalloides dzieli się na
fallatoksyny (falloidyna, falloina i fallacydyna) i amatoksyny (ą-, �-, ł amanidyny), które są bardziej
toksyczne, ale działają wolniej. Związki te są cyklicznymi siedmiopeptydami.
Ala
Trp
H3C CH CO NH CH CO NH CH CH2 R
CH2OH
CH2
NH CO
falloidyna: R= C CH3
NH
CO
OH
H2C S
N
Hyp
H Ala
CH
N CO
HC CH3
H
CH3
NH CO CH NH CO
OH
C CH3
falloina: R=
HO CH
OH
CH3
D-Thr
Cys
fallotoksyny
Fallacydyna zamiast jednostki Ala D-Thr, wchodzącej w skład falloidyny, zawiera kwas
Val-D-erytro �-hydroksyasparaginianowy.
Amatoksyny, które składają się wyłącznie z L aminokwasów są także siedmiopeptydami
cyklicznymi. Zamiast grupy tioeterowej występuje grupa sulfotlenkowa. O toksyczności stanowi
obecność grupy ł  hydroksylowej w łańcuchu bocznym izoleucyny. Amanulina nie zawiera tej grupy
hydroksylowej i mimo to, że pod względem struktury jest bardzo podobna do ł amatyliny, jest
nietoksyczna.
Można się całkowicie zabezpieczyć przed działaniem tych toksyn jedynie wtedy, gdy w tym
samym czasie, co toksynę spożyje się odpowiednią dawkę antamanidyny. Zabezpieczające działanie
antamanidyny i niektórych jej analogów związane jest z ich działaniem na błony. Związki te tworzą
kompleksy z jonami K+ i Na+, analogicznie do tworzenia eniatyny i walinomycyny.
Peptydy strepogeninowe
Str e po ge niny pobudzają wzrost bakterii, głównie bakterii kwasu mlekowego. Ich obecność
stwierdzono np. w ekstraktach z wątroby, soku pomidorowym i częściowych hydrolizatach
enzymatycznych, uzyskanych z insuliny, kazeiny, rybonukleazy, itp.
Wzorcową jednostka aktywności strepogeninowej jest przyrost tempa wzrostu Lactobacillus
casei, spowodowany przez działanie 1 mg wzorcowego ekstraktu z wątroby. Aktywność
strepogeninowa produktów syntetycznych związana jest z obecnością cysteiny. Najwyższą aktywność
stwierdzono w przypadku, gdy cysteina jest albo powiązana z N końcową leucyną, albo umieszczona
między dwoma resztami leucynowymi.
Peptydy endorfinowe
End or fi ny to peptydy będące ligandami receptorów opiatowych, tzn. działających podobnie
jak morfina. Najważniejsze z nich  e nkef ali n y  są pentapeptydami. Obok naturalnie
znajdowanych enkefalin (np. Tyr-Gly-Gly-Phe-Leu), w ostatnim czasie wytwarzane są syntetyczne ich
analogi:
H2C O
Tyr - D-Ala - Gly - Phe - Hse-lakton Hse-lakton =
NH CH O
lakton homoseryny
syntetyczny analog enkefaliny
19
3.3. Białka (proteiny)
Białka, w zasadzie, są olbrzymimi polipeptydami (makropeptydami). Jako kryterium podziału
pomiędzy polipeptydami a białkami umownie przyjmuje się ilość aminokwasów wchodzących w ich
skład. Związki zbudowane z ponad 100 aminokwasów połączonych wiązaniami peptydowymi zalicza
się do białek. Poprawniejsze jest jednak założenie, że masa cząsteczkowa białek jest większa od
10 kDa. Jednakże, w kilku przypadkach, o przynależności do klasy białek decydują właściwości
polipeptydu i jego biologiczna funkcja. Ta koncepcja podziału ma coraz więcej zwolenników.
Rozwiązuje wiele sprzecznych i problematycznych przypadków. Na przykład, wspomniane w
poprzednim rozdziale protaminy, pomimo masy cząsteczkowej od 1000Da do 6000Da, wygodnie i
rozsądniej jest rozpatrywać w kategorii białek.
Składnikami większości białek zwykle jest 21 różnych aminokwasów w rozmaitych kombinacjach
(a ściślej permutacjach), plus Pro(OH) oraz Liz(OH) w kolagenie. Charakterystyczne jest, że
wszystkie aminokwasy występujące w białkach mają konfigurację L. Warto zauważyć, że już z 4
różnych aminokwasów można otrzymać 24 różne peptydy. Różną kolejnością wiązania się
poszczególnych aminokwasów (tzw. sekwencją aminokwasów), tłumaczy się zjawisko ogromnej
różnorodności białek, zarówno pod względem właściwości fizycznych, chemicznych i biologicznych.
Struktura przestrzenna białek zdeterminowana jest właśnie sekwencją aminokwasów (a tak na
marginesie, ta z kolei zdeterminowana jest sekwencją nukleotydów w DNA).
Białka można podzielić na dwie zasadnicze grupy: pro te in y i pr ote id y.
Prot ei ny to białka właściwe (inaczej, białka proste), wśród których można wyróżnić:
�� albumi ny  białka rozpuszczalne w wodzie i w rozcieńczonych roztworach soli; występują w
białku jaj ptasich oraz w nasionach roślin strączkowych,
�� gl obul iny - występują w surowicy krwi, w nasionach roślinnych oraz tkance mięśni,
�� pr ol a mi ny i gl ut eli ny  to są białka wyłącznie roślinne,
�� skl er opr ot ei n y  z kolei białka wyłącznie zwierzęce; wśród których dalej można wyróżnić:
�� kol agen  zasadniczy składnik białkowy tkanki kostnej,
�� ke r at yn a  główny składnik substancji rogowatych (włosy, paznokcie, skóra),
�� e la st yn a  główny składnik komórek w tkankach elastycznych.
Prot ei dy to białka złożone, zawierające oprócz aminokwasów składniki chemiczne niebiałkowe
(tzw. grupy prostetyczne). Do proteidów zalicza się m.in.:
�� n ukl e opro tei dy  główny składnik białkowy jąder żywych komórek,
�� gl i ko protei dy  związki białek właściwych z węglowodorami,
�� l ip opr ote id y  połączenia białek z tłuszczami,
�� c hromopr ot ei dy  połączenia białek z barwnymi związkami (np. flawoproteidy).
�� me t aloprot ei dy  połączenie białka z jonami metali.
Wiele białek będących enzymami należy do proteidów. W skład ich centrum katalitycznego
wchodzą witaminy lub atom metalu. Enzymy, z uwagi na ich rolę i specyficzne właściwości zostaną
omówione oddzielnie w dalszej części podręcznika.
W zależności od b udowy pr ze st r zenn ej cząsteczki białka dzieli się na dwie podstawowe
grupy:
1) b ia ł ka fi br yl ar ne (włókienkowe),
2) b ia ł ka glob ul ar ne (kuliste).
Umownym kryterium tego podziału jest stosunek liczbowy osi dłuższej (l) cząsteczki białka do osi
krótszej (d). Białka, dla których ten stosunek osiowy ma wartość nie większą niż 20 (l/d<20), zalicza
się do b iał e k gl obularnyc h . Ich rozmiary są rzędu kilku do kilkunastu tysięcy nm. Ich kształt
przypomina elipsoidy obrotowe. Kuliste cząsteczki spotyka się rzadko, głównie w przypadku
lipoproteidów.
Białka o stosunku osiowym większym od 20 (l/d>20) zalicza się do fi br yl ar nyc h . Długość ich
cząsteczek przekracza nierzadko sto tysięcy nm, przy średnicy włókna nie większej niż kilkaset nm.
11
3.3.1. Zasady organizacji strukturalnej cząsteczek białek
Cząsteczka białka stanowi trójwymiarowe ułożenie jednego lub kilku łańcuchów
polipeptydowych. Jej przestrzenna struktura jest hierarchicznie uporządkowana i można w niej
wyróżnić cztery poziomy uporządkowania, z których każdy wykazuje odmienność i zależność od
różnych typów wiązań między atomami. W latach pięćdziesiątych Lindestrom Lang badając budowę
białek wprowadził pojęcie ich struktury pierwszo-, drugo- i trzeciorzędowej póz
niej uzupełnione o
strukturę czwartorzędową.
Poziom I (czyli struktura pierwszorzędowa) w hierarchicznym skonstruowaniu cząsteczki
białkowej determinuje poziomy następne (tzw. strukturę wtórną), czyli strukturę przestrzenną danego
białka zwaną też konformacją łańcuchową, która z kolei decyduje o jego funkcji biologicznej.
Struktura I-rzędową mówi o kolejności, czyli sekwe ncj i a mi nokwa sów w łańcuchu
polipeptydowym. Ta struktura uwarunkowana jest wiązaniami peptydowymi. W strukturze
pierwszorzędowej uwzględnia się również położenie wszystkich innych wiązań kowalencyjnych. Są to
głównie wiązania disiarczkowe między resztami cysteiny, sąsiadującymi ze sobą w przestrzeni.
Struktura II-rzędowa białka określa pr zest r zen ne wzaj emne uł oże nie pła szc zyzn
wi ązań p ep t ydowych (ściśle biorąc, atomów tworzących te wiązania).
Struktura drugorzędowa tripeptydu
Kąt � odpowiada rotacji wokół wiązania Cą-C,
Kąt Ć odpowiada rotacji wokół wiązania Cą-N
Uwarunkowana jest przede wszystkim wiązaniami wodorowymi głównie między grupami
karbonylowymi i aminowymi łańcucha polipeptydowego oraz planarnością wiązania peptydowego.
Można rozpatrywać tę strukturę jako lokalne uporządkowanie w przestrzeni fragmentów łańcucha
peptydowego o identycznej konformacji. Elementami tej konfiguracji w białkach globularnych mogą
być: ą - he l is, str uktur a � -f a łd owa oraz za kr ę t y. W kolagenie indywidualnie występuje
str uktura ko la ge nu.
Struktury ą-helis, �-fałdowa i kolagenu zostaną szczegółowo przedstawione w dalszej części
podręcznika przy okazji omawiania białek fibrylarnych. Za kr ęt bet a ( �-zakręt) jest to element
struktury drugorzędowej łańcucha polipeptydowego zapewniający zmianę - odwrócenie - kierunku w
jego przebiegu. Ma postać ciasnej pętli, w której tlen z grupy karbonylowej jednego aminokwasu jest
połączony wiązaniem wodorowym z wodorem grupy aminowej czwartego z kolei aminokwasu.
Regiony łańcucha polipeptydowego pozbawione regularnej struktury drugorzędowej chętnie
przyjmują postać zakrętu beta. Taką postać może przyjąć nawet połowa łańcucha polipeptydowego
typowego białka.
Struktura III-rzędowa cząsteczki białka lub jej podjednostki określa u ł ożenie w
p r ze str ze ni ł a ńc uc h a poli pe pt ydo we go (a ściślej, rozlokowanie w przestrzeni wszystkich
jego atomów). To przestrzenne upakowanie łańcucha polipeptydowego wywołane jest wewnątrz
cząsteczkowymi wzajemnymi oddziaływaniami łańcuchów bocznych aminokwasów oraz miedzy tymi
łańcuchami a cząsteczkami wody. Czynnikami warunkującymi powstawanie i utrzymywanie w
białkach struktury III rzędowej są wiązania chemiczne wszystkich typów, w tym wspomniane
wcześniej wiązanie disiarczkowe i wodorowe, a ponadto oddziaływania jonowe, hydrofobowe i siły
van der Waalsa.
12
Struktura IV-rzędowa jest to spo só b ułoże ni a w pr zest r zeni ki l ku ł ań cu chów
p oli pept ydowyc h stanowiących podjednostki cząsteczki białka oraz zespół oddziaływań między
nimi
Czynniki strukturotwórcze białek
Rola wiązań peptydowych w budowie białek jest oczywista. Omówione teraz zostaną krótko
wszystkie pozostałe wiązania i oddziaływania chemiczne ogrywające rolę w powstawaniu i
utrzymaniu właściwej konformacji łańcucha polipeptydowego cząsteczki białka. Kolejność ich
omawiania wynika z roli i znaczenia, jakie pełnią.
Oddziaływania hydrofobowe (e fe kt hydr of obowy). Cząsteczki niepolarne nie zawierają
spolaryzowanych wiązań ani atomów - powoduje to, że są one nierozpuszczalne w wodzie.
Właściwość tą nazywa się hydr of o bowości ą . W środowisku wodnym oddziaływanie z polarnymi
cząsteczkami H2O doprowadzi do takiego układu, w którym fragmenty hydrofobowe będą "unikały"
kontaktu z wodą grupując się razem, natomiast części hydrofilowe "chętnie" będą z nią oddziaływać.
y
ródłem energii oddziaływań hydrofobowych jest niechęć cząsteczek wody zwiększenia stopnia
organizacji.
Efekt tych oddziaływań sprawia, że syntetyzowany wewnątrz komórki w środowisku wodnym
łańcuch polipeptydowy fałduje się spontanicznie w ten sposób, że większość jego hydrofobowych
rodników bocznych (przede wszystkim wa l iny, leucyny, i zo le uc yn y, a la ni n y i
f enyloal aniny) zostaje skierowana do wnętrza powstającej struktury, a większość jego polarnych,
obdarzonych ładunkiem bocznych łańcuchów znajduje się na powierzchni.
Wiązania disiarczkowe (m o s t k i d i s i a r c z k o w e ). Najsilniejszym wiązaniem (pomijając
:ŁS :ŁS :Ł) powstające pomiędzy
peptydowe) jest kowalencyjne w i ą z a n i e d i s i a r c z k o w e (
dwoma grupami  SH sąsiadujących ze sobą w przestrzeni dwóch reszt cysteiny w tym samym
łańcuchu lub łącząc dwa różne łańcuchy.
Energia wiązania disiarczkowego wynosi 300 kJ/mol, a odległość między atomami siarki S S
jest nie większa niż 0,15nm.
Wiązanie to odgrywa znaczną rolę jako czynnik strukturotwórczy ker a t yn, łącząc między sobą
sąsiadujące łańcuchy polipeptydowe, jednocześnie uodparniając te białka na działanie czynników
chemicznych. W cząsteczce �-keratyny ilość tych wiązań może sięgać nawet kilkudziesięciu.
Natomiast w białkach globularnych mostek disiarczkowy odgrywa jedynie rolę strukturotwórczą
w odniesieniu do pewnych fragmentów łańcucha polipeptydowego. Bez wątpienia usztywnia jednak
kształt tych białek i zwiększa ich termostabilność. W wielu enzymach reszty cysteiny tworzące mostki
disiarczkowe pełnią rolę aminokwasów pomocniczych (patrz: budowa centrum aktywnego enzymów).
Ilość wiązań disiarczkowych w cząsteczce białka globularnego jest rzędu kilku. Znanych jest ponadto
wiele białek (zwłaszcza pozakomórkowych enzymów), które nie posiadają mostków disiarczkowych.
Ta cecha czyni cząsteczki tych białek bardziej plastycznymi, co ma niewątpliwie znaczenie przy ich
sekrecji (wydzielaniu poza komórkę). Do takich enzymów należą rybonukleaza czy subtilizyna
Wiązania jonowe. Wiązania te są wywołane elektrostatycznym przyciąganiem się jonów o
przeciwnych znakach. W białkach wiązania jonowe tworzone są pomiędzy dodatnio naładowanymi
grupami amoniowymi łańcuchów bocznych lizyny i argininy oraz naładowanymi ujemnie grupami
karboksylanowymi kwasu glutaminowego i asparaginowego ( NH3+....-OOC ). Ponadto udział w
powstaniu tego wiązania w pewnym stopniu może mieć dodatnio naładowany rodnik histydyny.
Energia tych wiązań waha się w granicach 14-29 kJ/mol, ich zasięg wynosi ponad 1 nm, a siła
oddziaływania jest odwrotnie proporcjonalne do r2. Tak więc, wiązania te są względnie silne. Ich ilość
13
w cząsteczce białka może dochodzić nawet do kilkudziesięciu. Na przykład we wspomnianej
subtilizynie (pozakomórkowej proteinazie serynowej z Bacillus subtilis) na powierzchni cząstki
enzymu występuje 16 krzyżowych wiązań jonowych stabilizujących skutecznie trzeciorzędową
strukturę białka. U enzymów tych brak jest mostków disiarczkowych, a mimo to są one odporne na
działanie wielu czynników denaturujących.
Wiązania wodorowe. Tworzą się one pomiędzy atomem wodoru związanym kowalencyjnie z
atomem o dużej elektroujemności a atomem z wolnymi parami elektronowymi (np. w białkach
najczęściej: >C=O.....H N< lub  O H...O=C<). Wiązanie to symbolizowane we wzorach jest
kropkowaną linią, jak to widać w prezentowanych układach. Wiązanie wodorowe wykazuje wyraz
ne
ukierunkowanie. Jest ono tym silniejsze, im bardziej linearnie są ułożone wszystkie trzy tworzące je
atomy. Dla struktury białek, istotne wiązania wodorowe mają zasięg oddziaływania rzędu 0,26-0,31
nm, a energia pojedynczego wiązania waha się w granicach od 12 do 29 kJ/mol  a więc są to słabe
oddziaływania. Wiązania wodorowe mogą powstawać zarówno między atomami tej samej cząsteczki
jak i atomami różnych cząsteczek.
Pomimo, że wiązania wodorowego należą do słabych oddziaływań, są one chyba
najważniejszymi siłami, które utrzymują przestrzenną konformację cząsteczki białka. Wynika to z
faktu, iż w cząsteczce białka występują tysiące wiązań wodorowych, w sumie mają więc one dużą
wartość energetyczną.
Ogólnie należy stwierdzić, że wiązania wodorowe są niezmiernie ważnym elementem
strukturalnym układów biologicznych. Biorą one udział w tworzeniu struktur cząsteczek białek,
kwasów nukleinowych i polisacharydów. Powstawanie wiązań wodorowych między cząsteczkami
wody i cząsteczkami substancji rozpuszczonej jest warunkiem rozpuszczania w wodzie wielu
związków organicznych. Nadto tworzenie się i rozpad wiązań wodorowych warunkuje szereg tak
ważnych biologicznie funkcji, jak np. działanie enzymów.
Siły van der Waalsa są wynikiem wzajemnego oddziaływania elektronów i jąder w cząsteczkach,
są więc przykładem oddziaływań elektrostatycznych. Ogólnie biorąc energia wiązań powstałych na
bazie sił van der Waalsa jest bardzo mała, rzędu 4-8 kJ/mol. Mechanizm powstawania tych
oddziaływań może być różny. Rozróżnia się m.in. efekt dyspersyjny, efekt indukcyjny czy efekt
kierunkowy.
Ef e kt dys p er s yj ny (siły dyspersyjne) pojawia się jedynie wtedy, gdy cząsteczki znajdują się
bardzo blisko siebie, tak że prawie się stykają. W wyniku ruchu elektronów walencyjnych gęstość
ładunku ujemnego na zewnętrznej powłoce atomów ulega szybkim fluktuacjom wzbudzając podobną
fluktuację w powłoce walencyjnej sąsiednich atomów. Powstają szybkozmienne dipole, które
wzajemnie przyciągają się zwiększając, w miarę zbliżania się, wzajemną polaryzację elektronową.
Siły te występują przez bardzo krótki czas (rzędu 10-9 s) i są bardzo słabe (ok. 4 kJ/mol).
Ef e kt i ndukc yj ny polega na oddziaływaniu indukowanych dipoli (jego znaczenie jest
niewielkie).
Ef e kt kier unko wy związany jest z asymetrią elektryczną cząsteczek (dipole) powodującą
oddziaływanie orientacyjne i przyciąganie odpowiednio utrwalających się dipoli.
Sił y van der W aal s a maleją odwrotnie proporcjonalnie z siódmą potęgą odległości (r7) i są
one bardzo małe w porównaniu do innych omówionych wiązań. Tym niemniej, sumując się wywołują
efekty o dużym znaczeniu dla stabilizacji niektórych struktur białka.
Do czynników strukturotwórczych, we dł u g a utor a, można też zaliczyć białka zwane
molekularnymi opiekunkami.
14
Molekularne opiekunki (chaperones). Nawet cząsteczki białka, którym udało się uzyskać prawidłowy kształt
w fazie posttranslacyjnej (po zakończeniu biosyntezy), mogą w każdej chwili ulec deformacji wskutek działania
różnych czynników denaturujących. Od lat zadawano sobie pytania:
�� Jak ludzkie komórki radzą sobie z rozpoznawaniem białek, które mają złą strukturę przestrzenną?
�� Czy takie z
le zwinięte białka mogą powrócić do prawidłowego kształtu?
�� Co dzieje się, kiedy cząsteczka białka jest tak beznadziejnie zniekształcona, że już w żaden sposób
nie może przybrać prawidłowej konformacji?
W ostatnich latach częściowo znaleziono odpowiedz
na te pytania. Okazuje się, że w tych przypadkach
wkracza do akcji specjalna grupa białek: białka opiekuńcze, zwane też przyzwoitkami.
Białka opiekuńcze łączą się z odkształconymi białkami i pomagają im w uzyskaniu odpowiedniej struktury
trójwymiarowej. Często wymaga to zużycia pewnej ilości energii zmagazynowanej w ATP. Następnie komórkowe
opiekunki odłączają się od białek, które uzyskały odpowiedni kształt, i zajmują się innymi cząsteczkami białek o
nieprawidłowej konformacji. Same białka opiekuńcze są bardzo odporne na denaturację.
Białka opiekuńcze są bardzo wszędobylskie. Można je znalez
ć w cytoplazmie (tam biorą udział w
nadawaniu kształtu białkom wytwarzanych w procesie translacji oraz w naprawianiu zdeformowanych białek), w
jądrze komórkowym, w szorstkiej siateczce śródplazmatycznej (gdzie uczestniczą w kształtowaniu białek
przeznaczonych do wydzielenia przez komórkę) oraz w pobliżu błon białkowo-lipidowych (białka opiekuńcze są
potrzebne w procesie transportu innych białek przez błony biologiczne: z jednej strony błony jedna przyzwoitka
rozwija białko i wpuszcza je do kanału w błonie, a po przeciwnej stronie błony białkowo-lipidowej inna przyzwoitka
odbiera transportowany łańcuch polipeptydowy i nadaje mu odpowiednią konformację). Bez udziału białek
opiekuńczych wiele procesów metabolicznych nie mogłoby przebiegać prawidłowo, a naprawienie popsutej
cząsteczki białka przekraczałoby możliwości komórki.
15
3.3.2. Białka fibrylarne
Białka fibrylarne (skleroproteiny) to białka o budowie włókienkowej, nierozpuszczalne w wodzie,
rozcieńczonych kwasach, alkoholu; odporne na działanie enzymów proteolitycznych i czynników
chemicznych. Są głównym składnikiem substancji podporowych i strukturalnych organizmu, np.
skóry i kości (kolagen), ścięgien i wiązadeł (elastyna), paznokci, piór, włosów (keratyna), jedwabiu
naturalnego (fibroina), rzęsek bakterii (flagellina), pancerzy owadów (sklerotyna). Białka te nie mają
wartości odżywczych.
Białka fibrylarne wykazują wysoki stopień regularności i uporządkowania struktury. Obok
wiązań peptydowych podstawowym czynnikiem strukturotwórczym białek fibrylarnych są
wiązania wodorowe. Długie łańcuchy polipeptydowe tych białek przyjmują najczęściej regularną
strukturę drugorzędową, w której szkielet skręcony jest wokół własnej osi, tak że powstaje
przestrzenna możliwość utworzenia stabilizujących układ wiązań wodorowych między atomami
oddalonych od siebie ugrupowań peptydowych.
Struktura kolagenu. Kolagen jest głównym składnikiem białek skóry, tkanki łącznej (m.in.
wiązadła i ścięgna) oraz białek wchodzących w skład chrząstek i kości. Kolagen odznacza się dużą
wytrzymałością na rozciąganie. Jego skład aminokwasowy jest
następujący: glicyna 33%, prolina 12%, hydroksyprolina 9%,
ponadto 9,5% Ala, 3% Wal, l,5% Liz(OH); przy absolutnym
braku Cys i Try. Ustalono, że we włókienkowych cząsteczkach
kolagenu trzy podstawowe aminokwasy tworzą łańcuch
peptydowy układający się wzdłuż linii śrubowej o bardzo dużym
skoku (3,3 reszty aminokwasowe na 1 skręt), a trzy takie
łańcuchy splatają się ze sobą na kształt liny (rysunek obok).
Poszczególne łańcuchy łączą się między sobą wiązaniami
wodorowymi tworzonymi przez atomy azotu i tlenu wiązań
peptydowych.
CH2
CH2
H
H2C
108o H
O
N
a�
C
H C
C
C
COOH
a�
N
- glicyna
H2N C
O
R2
- prolina
- hydroksyprolina
H
H
110o
Struktura II-rzędowa kolagenu
O przestrzennej strukturze kolagenu decyduje przede wszystkim jego niezwykły skład
aminokwasowy. Periodyczna struktura pierwszorzędowa wygląda następująco: -Gly-X-Y-Gly-X-Y-.
X często jest proliną (nigdy hydroksyproliną), Y jest często hydroksyproliną. Należy sobie
uświadomić, że wiązania peptydowe utworzone z udziałem proliny i hydroksyproliny są
 zdeformowane (patrz rysunek powyżej) na skutek pierścieniowej budowy tych aminokwasów.
Stąd kąt rozwarcia płaszczyzn wiązań peptydowych za proliną wynosi 110��, podczas gdy normalnie
wynosi on około 100��.
Hydroksyprolina (Hyp) i hydroksylizyna (Lys-OH) nie są wbudowywane w łańcuch podczas
syntezy. Oba te aminokwasy powstają w gotowych łańcuchach prokolagenu z proliny i lizyny pod
działaniem dioksygenaz - enzymów wbudowujących atomy tlenu z wytworzeniem grup
hydroksylowych.
Trzy enzymy modyfikują prokolagen: 4-dioksygenaza prokolageno-prolinowa (EC 1.14.11.2),
3-dioksygenaza prokolageno-prolinowa (EC 1.14.11.7) i 5-dioksygenaza prokolageno-lizynowa (EC`1.14.11.4).
16
Struktura fałdowa. Białka zwane �-ke r at yna mi stanowią składniki naskórka, włosów,
paznokci, kopyt. Podobnie jak kolagen są nierozpuszczalne wodzie i cechuje je odporność na
czynniki chemiczne. Ich cząsteczki są zbudowane głównie z aminokwasów o hydrofobowych
łańcuchach bocznych i aminokwasów zasadowych oraz znacznych ilości cysteiny.
Keratyna rozciągniętego włosa (�-keratyna) charakteryzuje się regularną strukturą. Struktura ta
zwana jest fałdową, inaczej: strukturą pofałdowanej kartki, harmonijkową lub beta fałdową. Między
różnymi łańcuchami polipeptydowych lub różnymi częściami tego samego łańcucha powstają
wiązanie wodorowe wytworzone głównie w obrębie wiązań peptydowych. Płaskie wiązanie
peptydowe sprawia, że łańcuch przyjmuje postać pofałdowanej kartki z łańcuchami bocznymi
znajdującymi się poniżej lub powyżej tej płaszczyzny. A
ańcuchy boczne sterczą teraz niemal pionowo
w górę, względnie w dół, jak widać na modelu przedstawionym poniżej. A
ańcuchy sąsiadujące ze sobą
mogą być równoległe lub antyrównoległe zależnie czy przebiegają one odpowiednio: w tym samym
kierunku lub kierunku przeciwnym (rysunek poniżej).
R CH
R CH
C
C O
C
C O
HN
HN
R
C R
H
C R
H
O C
O C
NH
NH
R
H
C
R CH
R CH
N
O
C
C
R
C O
O
C O
C
H
H
HN
C N
HN
N C
H N
O
C C R N
C H
N C R
H
O
O
C C
R C
H
O
H O C
C N
O C
C N
N
H
N
H C
O NH
C
C NH
O
O B
C C
C
H
O
H
C N
C N
N
H
N
H C
O
C
C
O
C R
O R CH H
C C
C
R
H O C
H
C N
C N N
C O HN
H
N
H C
HN
O
C C
C O
R
O
C N
HC R
R CH
H
C
H
O C
NH
R
NH
O C
R CH C R
H
R
A
HN
C O
HN
C O
N
C
HC R
R CH
O C NH
NH O C
C
A - Struktura fałdowa, B  układ peptydów równoległy, C  układ peptydów antyrównoległy
Struktura ą-helisy. Helisa (z grec. heliks, helikos = skręcony) to linia śrubowa, linia leżąca na
powierzchni walca (poprawniej: cylindra). Strukturę ą-helisy w 1951 roku zaproponowali Pauling i
Corey. ą-He l i sa w przypadku struktury białek to łańcuch polipeptydowy płaszczyznowo nawijający
się na hipotetyczny walec (rysunek poniżej). Sposób jego ułożenia umożliwia utworzenie się
wewnątrz łańcuchowych wiązań wodorowych pomiędzy atomami wiązań peptydowych w kolejno po
sobie następujących zwojach helisy. Grupa >C=O każdego aminokwasu wiąże się wiązaniem
wodorowym z grupą HN< aminokwasu, zajmującego w sekwencji liniowej pozycję wysuniętą do
przodu o cztery reszty aminokwasowe. Ostatecznie wszystkie grupy >NH i >C=O łańcucha głównego
łączą się wiązaniami wodorowymi. Każda reszta aminokwasowa jest przesunięta w stosunku do
sąsiedniej o 0,15 nm wzdłuż osi helisy i obrócona o kąt 100� wokół osi. Na jeden obrót helisy
przypada więc 3,6 reszt aminokwasowych. W ten sposób, co czwarte reszty aminokwasowe w
ą-helisie znajdują się przestrzennie blisko siebie. A
ańcuchy boczne aminokwasów wystają na zewnątrz
cylindra w ułożeniu śrubowym. Prolina  deformuje ą-helisę. Odmiana helisy prawoskrętna jest
bardziej stabilna dla łańcuchów polipeptydowych.
17
3,6�
5,4�
Struktura ą-helisy charakterystyczna jest dla niezbyt długich łańcuchów polipeptydowych takich,
jakie występują w ą-ke r atyni e (białko fibrylarne) lub mi ogl obi ni e (białko globularne).
Włókienka ą-ker at yny zbudowane są z dwóch typów łańcuchów polipeptydowych. Oba mają
budowę ą-helisy, ale oś jednego (I) jest prosta, drugiego (II) zaś tworzy linię śrubową o znacznie
większym skoku aniżeli w ą-helisie. A
ańcuch typu I stanowi trzon, wokół którego oplata się 6
śrubowych łańcuchów typu II.
3.3.3. Białka globularne
Omawiane poprzednio białka fibrylarne stanowią agregaty wielocząsteczkowe o uporządkowanej
budowie. W przeciwieństwie do nich białka globularne w stanie naturalnym to pojedyncze, niezależne
od siebie cząsteczki, przypominające  kłębuszki poplątanej wełny . A
ańcuch polipeptydowy białek
globularnych jest z reguły nieregularne poskręcany i pofałdowany. Brak w strukturze trzeciorzędowej
tych białek wyraz
nej regularności i uporządkowania. Na rysunku przedstawiono schematyczny model
cząsteczki białka globularnego. Wewnątrz  kłębuszka znajduje się strefa hydrofobowa, a na zewnątrz
strefa hydrofilowa, co decydująco wpływa na właściwości tych białek.
- Rodniki hydrofobowe
- Rodniki hydrofilowe
18
Schematyczny model cząsteczki białka globularnego.
W białkach globularnych występują jedynie dwa typy struktur drugorzędowych: ą-helisa i
�-fałdowa. W wielu białkach globularnych fragmenty łańcucha polipeptydowego o strukturze ą-helisy
są poprzedzielane strukturą �-fałdową. Ponadto obie te struktury mogą oddziaływać pomiędzy sobą
tworząc bardziej złożone struktury  ponad drugorzędowe zwane motywami. Motywy strukturalne,
powstają wskutek asocjacji ą-helisy lub struktury �-fałdowej. Powszechnie występującym
motywem �, czyli powstałym jedynie na bazie struktury �-fałdowej jest motyw  szpilki do włosów .
Ten motyw zbudowany jest z jednego łańcucha polipeptydowego, przyjmującego antyrównoległą
strukturę typu harmonijki. Innym przykładem bardziej złożonej struktury opierającej się na strukturze
�-fałdowej jest motyw  klucza greckiego . Jest to bardziej rozbudowany motyw  szpilki do włosów ,
gdzie jeden łańcuch polipeptydowy tworzy ze sobą cztery struktury �-fałdowe ułożone względem
siebie antyrównoległe. Struktura ą-helisy podobnie jak harmonijkowa tworzy własne motywy
strukturalne. Najczęściej jest to motyw  helisa-pętla-helisa". Innym przykładem motywów ą, są
struktury tzw.  suwaków leucynowych , zbudowanych z dwóch oplecionych ze sobą ą-helis,
bogatych w leucynę. Oprócz motywów � lub ą, występują struktury mieszane typu ą / �. Za przykład
może posłużyć motyw �ą�, w którym pomiędzy dwoma ułożonymi równolegle łańcuchami struktury
�-fałdowej znajduje się ą-helisa. Hydrofobowa strona łańcuchów � jest ciasno upakowana i kontaktuje
się z hydrofobową stroną ą-helisy.
Wszystkie omówione motywy dotyczą białek globularnych zbudowanych jedynie z jednego
łańcucha polipeptydowego. Jednakże wiele białek zbudowanych jest z kilku łańcuchów
polipeptydowych, fałdujących się niezależnie od siebie i pomiędzy którymi również formują się
swego rodzaju motywy, zwane domenami. Domeny można zdefiniować, jako precyzyjnie splecione ze
sobą fragmenty łańcuchów polipeptydowych, tworzących w przestrzeni szczególnie regularne rejony.
Zbudowane są one ze 100 do 400 reszt aminokwasowych. Można za przykład podać domenę
składającą się z czterech ą-helis tworzących złożony motyw  helisa-pętla-helisa", ułożonych
wzajemnie równolegle, w ten sposób, że reszty aminokwasowe poszczególnych łańcuchów zazębiają
się między sobą tworząc przestrzeń hydrofobową w centralnej części domeny. Inną, bardzo podobną
strukturą, charakterystyczną dla białek globularnych jest domena  globinowa . Powstaje ona w
wyniku dopasowania grzbietów jednej ą-helisy w grzbiet drugiej. Domeny często są składnikami
części funkcjonalnych białek.
19
Niektóre białka mają niezwykle skomplikowaną strukturę trzeciorzędową, nawet z kilkunastoma
motywami i kilkoma domenami, jak np. dystrofina.
Dystrofina jest białkiem kodowanym przez gen leżący na chromosomie X. Mutacje tego genu wywołują
choroby zwane dystrofiami mięśniowymi Duchenne a i Becker a. D y s t r o f i n a zbudowana jest z 3685
aminokwasów (M = 427 kDa). Podzielona jest na cztery domeny - pierwsza domena na N-końcu o masie
cz
cząsteczkowej 30 kDa jest homologiem ą-aktyniny, domena centralna zbudowana z 25 powtórzonych motywów
potrójnych helis podobnych do występujących w spektrynie, domena bogata w cysteiny (280 reszt) oraz C-
końcowa domena. C-końcowa domena zawiera kilka charakterystycznych motywów  domenę WW (posiadają
dwie konserwatywne reszty tryptofanu), motyw  EF hands , domenę ZZ (motyw wiążący cynk) oraz dwie ą-helisy.
Allosteria (z grec. allos = obcy, inny; stereos = stanowiący bryłę) to innokształtność
przestrzenna, czyli zmiana konformacji łańcuchowej. Cząsteczki większości białek globularnych
odznaczają się względnie dużą elastycznością. Trzeciorzędowa struktura wielu z nich może ulegać
odwracalnym  odkształceniom na skutek niekowalencyjnego przyłączenia jakiejś innej cząsteczki
(tzw. li gandu ). Takie białka nazywa się bi ał ka mi all oste r ycznymi . Ef ekt a ll o ste r yc zn y
polega na odwracalnej zmianie konformacji białka w pewnym ściśle określonym obszarze jego
cząsteczki na skutek przyłączenia ligandu (efektora allosterycznego) w innym miejscu. Ta zmiana
konformacji pociąga za sobą zaburzenia aktywności biologicznej białka. Najlepiej poznanym białkiem
allosterycznym jest hemoglobina. Wiele enzymów również jest białkami allosterycznymi. Na zasadzie
allosterii działają aktywatory i inhibitory niektórych enzymów.
Hemoglobina zawarta w erytrocytach działa jako przenośnik tlenu we krwi oraz odgrywa decydującą rolę w
transporcie dwutlenku węgla i jonów wodorowych (pokrewnym białkiem jest mioglobina, odpowiedzialna za
transport tlenu w mięśniach). Kształt cząsteczki hemoglobiny jest zbliżony do kuli o średnicy 5,5 nm.
Hemoglobina jest białkiem złożonym. Składa się z dwóch łańcuchów ą (po 141 aminokwasów) i dwóch łańcuchów
� (po 146 aminokwasów). A
ańcuchy te są upakowane w formę czworościanu. Oddziałują ze sobą za
pośrednictwem wiązań niekowalencyjnych tworząc charakterystyczny tetramer oznaczany jako ą-�-ą-� lub ą2 2
� .
Oba typy łańcuchów mają bardzo zbliżoną strukturę trzeciorzędowa i zawierają taką samą niebiałkową grupę
prostetyczną  cząsteczkę hemu. Grupy hemowe są umiejscowione, pojedynczo w każdej podjednostce, w
zagłębieniach na ich powierzchni. Hem jest związkiem kompleksowym, w którym atom żelaza dwuwartościowego
(Fe2+) znajdujący się w środku układu porfirynowego tworzy wiązania koordynacyjne z czterema atomami azotu
porfiryny. Atom żelaza może przyłączyć cząsteczkę O bez zmiany swojej wartościowości, tworząc tzw.
2
utlenowaną formę hemoglobiny (zwaną też oksyhemoglobiną) o jasnoczerwonym kolorze. Cztery miejsca
wiązania tlenu są znacznie od siebie oddalone; odległość między dwoma najbliżej położonymi atomami żelaza
wynosi 2,5 nm. Przyłączanie tlenu jest odwracalne i zależy od ciśnienia cząstkowego tlenu w narządach.
Przyłączenie tlenu (będącego w stosunku do hemoglobiny ligandem) do jednego z protomerów zwiększa
zdolność przyłączania O przez pozostałe protomery. W miarę postępującego utlenowania hemoglobiny jej
2
protomery łączą się coraz łatwiej z tlenem na skutek zmian konformacyjnych wywołanych efektem
allosterycznym. Utlenowana cząsteczka hemoglobiny jest bardziej upakowana. Na przykład, w wyniku
utlenowania odległość między atomami żelaza zmniejsza się z 4,0 do 3,3 nm. Reszty aminokwasów C-terminalne
wszystkich czterech łańcuchów mają prawie całkowitą swobodę rotacji. Terminalne grupy karboksylowe i
20
łańcuchy boczne aminokwasów na końcach C tworzą wiązania jonowe, które krępują tetramer. Ze względu na
obecność ośmiu wiązań jonowych cząsteczka nieutlenowanej hemoglobiny jest bardziej napięta i skrępowana niż
hemoglobiny utlenowanej.
Właściwości białek globularnych
Białka, które posiadają określone właściwości biologiczne (tzn. wypełniają określone funkcje w
komórce), i te właściwości nadal zachowują niezależnie od tego, czy są wewnątrz komórki czy też
zostały z niej wyizolowane określa się nazwą bia ł ka nat ywne (rodzime). Białka natywne wykazują
kilka charakterystycznych właściwości.
Punkt izoelektryczny. Cechą charakterystyczną każdego białka jest jego pun kt
i zo el ektr yc zn y. Jest to takie pH, w którym ilość ładunków dodatnich i ujemnych cząsteczki białka
jest jednakowa. Taka cząsteczka, oczywiście, nie wędruje w polu elektrycznym.
Denaturacja. Część białek natywnych należy do grupy związków bardzo delikatnych. Pod
wpływem wielu czynników zarówno fizycznych, jak i chemicznych, np. wysokiej temperatury,
znacznych zmian pH, promieni ultrafioletowych, rozpuszczalników organicznych itp., struktura białek
ulega trudno odwracalnym lub całkowicie nieodwracalnym zmianom połączonym z utratą natywnych
właściwości biologicznych (m.in. białka będące enzymami tracą swoje właściwości katalityczne).
Proces ten nazywa się denaturacj ą .
De n at ur acj ę bi ał ka można więc zdefiniować jako utratę natywnych właściwości
biologicznych lub innej indywidualnej cechy charakterystycznej tego białka spowodowaną
zniszczeniem jego struktury wtórnej (przy zachowaniu struktury pierwszorzędowej). W wyniku
denaturacji białka mogą wystąpić zmiany rozpuszczalności i przesunięcie punktu izoelektrycznego.
Rozwinięcie łańcucha peptydowego może prowadzić do wzrostu lepkości, a także zmian absorpcji w
nadfiolecie. Obserwuje się również często procesy agregacji i wytrącania, co jest związane ze
zmianami stopnia hydratacji i rozpuszczalności zdenaturowanych białek.
Ogólnie biorąc, mechanizm denaturacji związany jest ze zniesieniem oddziaływań czynników
strukturotwórczych, które odpowiedzialne są za stabilizację struktury przestrzennej cząsteczki białka.
Podczas denaturacji rozrywane mogą być wiązania wodorowe, jonowe, disulfidowe oraz niszczone
oddziaływania elektrostatyczne van der Waalsa. I tak:
�� działanie p odwyżs zonej t e mpe ra tu r y doprowadza do zerwania wiązań wodorowych oraz
zniesienia oddziaływań van der Waalsa, co w konsekwencji skutkuje zniszczeniem struktur II-,
III- i IV-rzędowej białka,
�� pod wpływem roztworu mo czni ka (6-8 mol/dm3) lub chl or ku gua ni dyny (4 mol/dm3 ) i
innych związków chemicznych silnie polarnych zerwaniu ulegają wiązania wodorowe,
�� j ony metali ci ę żkic h (Hg2+, Pb2+, Cu2+, itp.) powodują zerwanie mostków
disiarczkowych, a ponadto częściowo wiązań jonowych, co w niektórych przypadkach może
prowadzić do wbudowania się tych jonów w cząsteczkę białka,
�� na skutek działania kwasów l ub za sad (wartość pH poniżej 3 lub powyżej 9) zerwaniu
ulegają wiązania jonowe i w pewnym stopniu wodorowe, co przede wszystkim skutkuje
zniszczeniem III-rzędowej struktury białka,
�� p r omi eniowanie (nadfioletowe, rentgenowskie i radioaktywne) w skrajnych przypadkach
może nawet prowadzić do rozrywania wiązań kowalencyjnych,
21
�� innymi czynnikami mogącymi wywoływać denaturację białek są: intensywne mi es za n ie ,
wyt r ząsa ni e l ub dział a ni e u ltr a dz
wi ękami .
Wpływ pH i stężenia elektrolitu na rozpuszczalność białek globularnych. Ze względu na
r ozpus zc za lno ść w wodzie białka globularne dzieli się na dwie grupy:
1) albumi n y - rozpuszczalne w wodzie,
2) gl obul iny - rozpuszczalne w rozcieńczonych elektrolitach (np. w 0,1-1%-owych roztworach
NaCl).
Białka najmniejszą rozpuszczalność posiadają w punkcie izoelektrycznym. Im pH roztworu jest
bardziej oddalone od pI białka, tym lepsza jest jego rozpuszczalność. Zjawisko to można wyjaśnić
następująco. W roztworach o pH różnym od pI cząsteczki białka posiadają ładunek (dodatni lub
ujemny). Dwa ładunki jednoimienne odpychają się (m.in. tym silniej im większy jest ten ładunek). Nic
więc dziwnego, że naładowane cząsteczki białka też się odpychają, co ułatwia ich hydratację i w
efekcie zwiększa rozpuszczalność. Podobnie podczas wysalania (o czym będzie mowa poniżej)
jednoimiennie naładowane cząsteczki białka znacznie trudniej ulegają agregacji i trudniej wytrącić je
w postaci osadu.
1%NaCl
100
H2O
wsalanie
80
20%(NH4)2SO4
60
wysalanie
40%(NH4)2SO4
40
20
0
3 4 5 6 7 8 9 10 11
pI
pH
Wpływ pH i stężenia elektrolitu na rozpuszczalność modelowego białek globularnych o pI = 6.
W wielu przypadkach niewielkie stężenie elektrolitu - np. 0,8% wodny roztwór NaCl, czyli sól
fizjologiczna - znacznie poprawia rozpuszczalność wielu białek (tzw. pr oce s ws al ania bi ałe k).
Niektóre białka w ogóle nie rozpuszczają się w wodzie i
+ - - +
wprowadzenie ich do roztworu wymaga obecności jonów - + - +
- + - +
elektrolitu. Mechanizm zjawiska polega na tym, że
+ -
- +
niezależnie od ogólnego (sumarycznego) ładunku
molekuły, cząstkowe ujemne i dodatnie ładunki nie są
równomiernie rozmieszczone na powierzchni cząsteczki białka. W efekcie cząsteczki białka są
dipolami. W punkcie izoelektrycznym dipol taki posiada znaczny moment, kilkaset razy większy od
mementu dipolowego wody. Zjawisko to wpływa na silne, wzajemne przyciąganie pomiędzy
-
molekułami białka. Dodatek NaCl sprawia, że w roztworze pojawiają się jony Na+ i Cl , które
neutralizując te cząstkowe ładunki na powierzchni białka znoszą efekt przyciągania się cząsteczek,
tym samym ułatwiają ich rozpuszczanie się.
Przekroczenie pewnego progowego stężenia elektrolitu powoduje wytrącanie się białka z roztworu
w postaci osadu (tzw. proc es wys al a nia biał ek), co po oddzieleniu od cieczy i wysuszeniu
pozwala otrzymać białko w stanie stałym. Dobrym odczynnikiem
Molekuła
wysalającym białka jest siarczan amonu. Okazuje się, że zarówno jony
białka
H2O
22
Rozpuszczalność [%]
NH4+, jak i SO42- mają bardzo duże powinowactwo do cząsteczek wody i odrywają je od otoczki
hydratacyjnej białka.
Frakcjonowane wysalanie białek. Dobierając odpowiednio pH i stężenie elektrolitu można na
drodze wysalania z grubsza rozdzielić mieszaninę białek na pojedyncze frakcje, zawierające znacznie
podczyszczone indywidualne białka.
23
Wytrącanie białek globularnych rozpuszczalnikami organicznymi. Niektóre rozpuszczalniki
organiczne o silnych właściwościach hydrofilowych, takie jak np. etanol, aceton mają zdolność
wytrącania białka z roztworu. Związki te mają bardzo silne powinowactwo do wody i wyrywają jej
cząsteczki z otoczki hydratacyjnej białka. Niestety, część molekuł białka ulega denaturacji.
Skuteczność procesu wytrącania aktywnego biologicznie białka, czyli niezdenaturowanego, można
poprawić poprzez obniżenie temperatury wytrącania do 4��C, dbania o względnie niskie stężenie
rozpuszczalnika wobec cząsteczek białka, (co, m.in. zapewnia dozowanie rozpuszczalnika do
roztworu białka!) i maksymalnie możliwe skrócenia czasu kontaktu rozpuszczalnika z cząsteczkami
białka. W ten sposób można z dużą wydajnością (sięgającą nawet 86%) skutecznie wytrącać natywne
białko z roztworu. Za takim sposobem otrzymywania białka w stanie stałym, w porównaniu z
wysalaniem, przemawia łatwość regeneracji odczynnika wytrącającego. [Od autora: siarczan
amonowy stosowany do wysalania białek jest trudny do regeneracji, a jego obecność w ściekach
powoduje bardzo groz
ną korozję wszelkich elementów betonowych (umocnień wałów
przeciwpowodziowych, filarów mostów, itp.)].
Suszenie rozpyłowe. W ostatnich latach, dzięki zastosowaniu ultrafiltracji, białko w stanie stałym (m.in.
enzymatyczne) korzystnie jest otrzymywać z zastosowaniem suszenia rozpyłowego. Wydajność tego procesu
sięga nawet 94%, a otrzymane białko w stanie stałym może być jednocześnie znacznie podczyszczone.
Odbiałczanie roztworów. W niektórych sytuacjach nieodzowne jest pozbycie się białka z
roztworu wodnego. Można efekt taki osiągnąć stosując odczynniki odbiałczające, m.in. 5% roztwór
kwasu trichlorooctowego lub 10% roztwór kwasu sulfosalicylowego. Oba te związki prawie ze 100%
skutecznością wytrącają zdenaturowane białko z wodnych roztworów.
Roztwory koloidalne białek. Roztwory wodne białek globularnych mają charakter ko lo id ów
h ydr of il owyc h . I jako takie, posiadają charakterystyczne cechy koloidów hydrofilowych, o których
naucza chemia fizyczna. M.in. obniżają napięcie powierzchniowe, wykazują znaczną lepkość, są silnie
uwodnione, żelatynują, wykazują słabą opalescencję i mały efekt Tyndala, itp.
Dializa. Białka są olbrzymimi molekułami i jako takie nie di ali zuj ą , tzn. nie wykazują zdolności
do dyfundowania przez błony półprzepuszczalne. Zjawisko to wykorzystuje się m.in. do odsalania
roztworów białek. Wszystkie związki niskocząsteczkowe (np. jony, sole, mono- i disacharydy,
aminokwasy, peptydy, itp.) ulegają dializie, tzn. dyfundują przez błonę półprzepuszczalną woreczka
dializacyjnego do otaczającego go roztworu, natomiast białko pozostaje wewnątrz woreczka.
Elektroforeza. Cząsteczki białka zawieszone w roztworze wodnym o pH różnym od ich pI
(punktu izoelektrycznego) posiadają ładunek elektryczny. Oczywiście, ładunek ten jest tym większy,
im większa różnica pomiędzy pH roztworu a pI. Takie białko umieszczone w polu elektrycznym
zacznie wędrować w kierunku elektrody o przeciwnym znaku, z prędkością tym większą, im większy
posiada ładunek.
Punkty izoelektryczne białek są dość zróżnicowane. Istnieje duże prawdopodobieństwo, że w
mieszaninie białek zawieszonych w buforze o jakimś dobranym pH, część cząsteczek naładowana
zostanie dodatnio, część ujemnie, a nadto znajdą się i takie, które nie będą miały ładunku. Jeżeli taką
mieszaninę umieści się w polu elektrycznym, to cząsteczki białek zaczną wędrować w kierunku
elektrod o przeciwnych znakach (oczywiście, te bez ładunku pozostaną w punkcie startowym).
Umożliwia to na skuteczne rozdzielenie mieszaniny białek. Ogólnie rozpowszechnionymi metodami
elektroforezy są elektroforeza bibułowa lub płytkowa cienkowarstwowa.
Oczyszczanie białek. W obecnej dobie istnieje wiele metod pozwalających szybko i skutecznie wyizolować
białko z mieszaniny różnych związków (w tym, innych białek) i oczyścić je do stanu homogenności (jednolitości).
Metody te opisywane są w fachowej literaturze dotyczącej omawianego problemu.
24
4. Tłuszczowce (lipidy)
Do grupy związków objętych nazwą tłuszczowce lub lipidy zalicza się estry wyższych kwasów
tłuszczowych z mono- lub wielowodorotlenowymi alkoholami. Są one nierozpuszczalne w wodzie.
Dzieli się je na dwie podstawowe grupy:
-� lipidy proste, w skład których wchodzą wyłącznie alkohole i kwasy,
-� lipidy złożone, zawierające oprócz tych podstawowych składników inne związki.
Lipidy proste dzieli się na:
1) tłuszcze właściwe - estry kwasów tłuszczowych z glicerolem.
Tłuszcze właściwe, zwane w skrócie tłuszczami, stanowią substancje zapasowe żywych
organizmów. Są szeroko rozpowszechnione w świecie roślinnym, jak i zwierzęcym. Pod
względem budowy chemicznej stanowią mieszaninę estrów glicerolu z kwasami tłuszczowymi
CH 2 O CO-R1 gdzie: R-CO- reszta acylowa wyższego
kwasu tłuszczowego
CH O CO-R2
CH2 O CO-R3
ogólny wzór tłuszczów właściwych
Wszystkie kwasy tłuszczowe, wchodzące w skład tłuszczów występujących w przyrodzie,
poza nielicznymi wyjątkami, mają parzystą ilość atomów węgla (co jest zrozumiałe, biorąc pod
uwagę sposób ich syntezy). W zależności od budowy chemicznej kwasy tłuszczowe dzieli się na
2 grupy:
ż� kwasy tłuszczowe nasycone - nie zawierające wiązań podwójnych,
ż� kwasy tłuszczowe nienasycone - zawierające wiązania podwójne.
W przyrodzie tłuszcze występują przeważnie jako glicerydy mieszane, o różnym składzie
kwasowym, głównie zawierające trzy różne kwasy tłuszczowe.
Przykłady wyższych kwasów tłuszczowych:
C15H31 COOH kwas palmitynowy,
C17H35 COOH kwas stearynowy,
C17H33 COOH kwas olejowy (kwas nienasycony),
rycynolowy (hydroksylowa pochodna kwasu olejowego), a także inne wielonienasycone linolowy,
linolenowy, arachidonowy.
Kwasy wielonienasycone występują szczególnie obficie w olejach roślinnych. Niektóre ssaki nie posiadają
zdolności syntetyzowania tych związków i w takim przypadku stanowią one nieodzowny składnik ich
pożywienia (tzw. związki egzogenne) i stąd noszą nazwę witaminy F.
2) woski - estry kwasów tłuszczowych z wyższymi alkoholami jednowodorotlenowymi, głównie
alifatycznymi, np.
C30H61-CO-O C16H33 melisynian cetylowy
Lipidy złożone również dzielą się na kilka grup w zależności od dodatkowych składników
nietłuszczowych, np. fosfolipidy, sfingomieliny, glikolipidy, itp. Do tłuszczowców zalicza się, ze
względu na niektóre podobne cechy, również sterydy, które są estrami kwasów tłuszczowych i
jednowodorotlenowych wielkocząsteczkowych alkoholi pierścieniowych.
Wśród tłuszczowców złożonych na uwagę zasługują fosfolipidy (zwane też fosfatydami).
Głównym reprezentantem tej grupy jest lecytyna (fosfatydylocholina). Zbudowana jest ona z glicerolu,
którego dwie grupy wodorotlenowe zestryfikowane są kwasami tłuszczowymi, zaś trzecia - kwasem
fosforowym połączonym z choliną.
20
R1 - reszta kwasu tluszczowego nasyconego
CH2 O CO R1
CH O CO R2 R2 - reszta kwasu tluszczowego nienasyconego
+
CH2 O
P O CH2 CH2 N(CH3)3
+
HO CH2 CH2 N(CH3)3
lecytyna
cholina
umownie oznacza fosforan
P
Z kolei wśród sterydów na uwagę zasługuje cholesterol, występujący niemal we wszystkich
komórkach ludzkiego organizmu. Jego stężenie we krwi wynosi od 140 do 250 mg%.
HO
cholesterol
* * *
Bardziej szczegółowe informacje dotyczące dotychczas omówionych związków można znalez
ć w
wielu popularnych, łatwo dostępnych podręcznikach (np. z zakresu chemii organicznej, biochemii,
itp.).
21
ROZDZIAA
2. ELEMENTY ENZYMOLOGII
Enzymy są swoistymi białkami, katalizującymi zachodzące w przyrodzie ożywionej reakcje
chemiczne. Pod pojęciem katalizy enzymatycznej rozumie się zwiększenie szybkości reakcji termody-
namicznie możliwych (nawet milionkrotne), jedynie poprzez zmniejszenie energii aktywacji cząste-
czek substratu bez naruszania stanu końcowej równowagi. Enzym nie wchodzi w skład końcowych
produktów reakcji i zasadniczo pozostaje w stanie nie zmienionym po zakończeniu reakcji.
Zdecydowana większość dotychczas poznanych enzymów ma budowę białkową. Niektóre z nich
są białkami prostymi, zbudowanymi wyłącznie z aminokwasów (np. większość hydrolaz). Jednak w
przeważającej liczbie przypadków składają się one z części białkowej (a p oe nzymu ) i niebiałkowej
(witamin i ich pochodnych, jonów metali oraz małocząsteczkowych związków organicznych) tzw.
gr up prost et ycznych i koe n zy mów . Pod nazwą gr up a pr ost et yc zna rozumie się
różnorodne niebiałkowe związki chemiczne (sacharydy, żelazoporfiryny) i jony metali luz
no związane
z apoenzymem oraz silnie związane z częścią białkową koenzymy. K oe nzymy są witaminami lub
ich pochodnymi. Połączenie koenzymu z apoenzymem określa się mianem holoe nzymu . Trwałość
tego połączenia jest różna; bardzo często koenzym łatwo oddysocjowuje od apoenzymu.
Ap oe n zym jest czynny wyłącznie w połączeniu z koenzymem lub grupą prostetyczną i
decyduje o swoistości substratowej enzymu, a niekiedy również kierunkowej, np. dekarboksylację i
transaminację aminokwasów katalizują enzymy o różnych apoenzymach i tych samych koenzymach.
Dla porządku należy wspomnieć, iż aktywność biokatalityczną mogą również wykazywać cząsteczki kwasów
nukleinowych (Nagroda Nobla w 1989 roku dla G. Altmana i T. Czecha).
2.1. Ogólne właściwości katalityczne enzymów
Szczególną cechą enzymów jest ich duża specyficzność (określana także jako wybiórczość czy
swoistość) zarówno pod względem rodzaju katalizowanej reakcji chemicznej - tzw. specyficzność
kierunkowa, jak i wobec związków (substratów) biorących w niej udział - tzw. specyficzność
substratowa. Swoistość idzie często tak daleko, że enzym rozróżnia odmianę stereoizomeryczną
substratu, działając wyłącznie na jedną z nich  tzw. stereospecyficzność. Nic więc dziwnego, iż
enzymy mogą katalizować w sposób wybiórczy takie przekształcenia, których trudno lub wręcz nie
można dokonać w inny znany sposób.
Specyficzność kierunkowa. Określony enzym katalizuje na ogół pojedynczą reakcję lub grupę
ściśle spokrewnionych przemian chemicznych. Dokonuje on niejako selekcji wśród możliwych
reakcji, wybierając jedną z nich. Na przykład cząsteczka glukozo-6-fosforanu może w komórce ulec
wielu różnym przemianom, w tym utlenieniu (do laktonu kwasu 6-fosfoglukonowego), izomeryzacji
(do fruktozo-6-fosforanu) czy też mutarotacji (do glukozo-1-fosforanu).
Każda z tych reakcji jest katalizowana przez inny enzym: pierwszą katalizuje dehydrogenaza
glukozo-6-fosforanu, drugą  izomeraza heksozofosforanowej, wreszcie trzecią - fosfoglukomutaza.
CH2O
P
C O
dehydrogenaza H
glukozo-6-fosforanowa
H
C C O
OH H
HO
C C
H
OH
CH2O
P
lakton kwasu 6-fosfoglukonowego
C O
O
H
H P OH2C CH2OH
H
C C
C C
izomeraza
OH H
H
OH
heksozofosforanowa
HO OH
H
OH
C C
C C
H OH
H OH
CH2OH
glukozo-6-fosforan
fruktozo-6-fosforan
C O
H H
fosfoglukomutaza
H
C C
OH H
HO O
P
C C
H OH
glukozo-1-fosforan
33
Specyficzność substratowa. Od specyficzności działania enzymu należy odróżnić jego
specyficzność substratową, polegającą na katalizowaniu przez dany enzym przemiany chemicznej
tylko jednego określonego substratu lub ograniczonej ich liczby. Znane są enzymy, wykazujące
absolutną wybiórczość wobec substratu: np. ureaza działa tylko i wyłącznie na mocznik powodując
jego rozpad, dehydrogenaza metanolowa utlenia jedynie metanol. Jednakże nie wszystkie enzymy
wykazują tak daleko posuniętą specyficzność substratową, np. proteinazy, lipazy czy amylazy
hydrolizują większość swoich substratów tj. odpowiednio białek, lipidów oraz pochodnych ą-glukanu
niezależnie od specyficznych cech budowy tych związków. O tych enzymach mówi się, że wykazują
szeroką specyficzność (są mało specyficzne). Ich przeciwieństwem są enzymy o wąskiej
specyficzności (wysoko specyficzne).
Stereospecyficzność. W Rozdziale 1 tego podręcznika omówiono zjawisko izomerii związków
chemicznych. Wiele enzymów rozróżnia izomery i wykazuje aktywność katalityczną wyłącznie w
stosunku do jednej z odmian izomerycznych związku lub też tworzy jedynie jedną z nich, np. cis lub
trans, ą- lub �-, D- lub L-, itp. Klasycznym
FAD FADH2
przykładem jest dehydrogenaza bursztynianowa,
H2C COOH
HC COOH
która przekształca bursztynian do fumaranu
dehydrogenaza
H2C COOH
HOOC CH
(odmiana trans kwasu etenodikarboksylowego-
bursztynianowa
1,2). Kwas maleinowy (odmiana cis kwasu
bursztynian
fumaran
etenodikarboksylowego-1,2) nie tylko, że nie
powstaje w tej reakcji, lecz ją hamuje.
Innym przykładem, który dobrze obrazuje zagadnienie stereospecyficzności enzymów, jest
ą-glukozydaza. Ta hydrolaza działa na wszystkie ą-D-glukopiranozydy, nie biorąc jednak udziału w
reakcjach hydrolizy innych glikozydów (np. �-D-glukopiranozydów, fruktofuranozydów, itp.). Z kolei
subtilizyna (serynowa proteinaza z B.subtilis) z mieszaniny racemicznej estrów
N-acetyloaminokwasów hydrolizuje jedynie formę L-aminokwasu.
Znane są enzymy wykazujące regioselektywność. Rozpoznają one miejsce w cząsteczce związku
chemicznego (np. atom węgla, grupę funkcyjną, itp.), w którym pod
działaniem enzymu następuje przekształcenie właściwe dla jego
O CH3
specyficzności kierunkowej. Takie właściwości przejawiają m.in.
C
a� monooksygenazy, które mogą selektywnie wbudowywać atom tlenu w
jedno, ściśle określone miejsce cząsteczki, hydroksylując ją. Niektóre z
11
15
nich, hydroksylujące np. progesteron, mogą przejawiać jednocześnie
stereospecyficzność. To, czy hydroksylowanie nastąpi w pozycji a� lub
a�,�b�
6
b� oraz w którym pierścieniu i przy którym atomie węgla zależy, z
O
jakiego drobnoustroju pochodzi enzym. Monooksygenazy bakterii
b�
B.megaterium ATCC, jako jedne z nielicznych, hydroksylują
progesteron przy 15 atomie węgla w pozycji a� i b�.� Monooksygenazy
Progesteron
szczepu B.megaterium KM hydroksylują progesteron w kilku
pozycjach: 15 a� i b�,� 6 b� oraz 11a�.
Natomiast tautomerazy, epimerazy lub "-izomerazy przekształcają jeden izomer w drugi.
Przykładem może być epimeraza UDP-glukozowa przekształcająca UDP 1-glukozę w UDP-1-
galaktozę.
2.2. Istota katalizy enzymatycznej
Według aktualnej wiedzy, katalityczne działanie enzymów związane jest ze zjawiskiem
międzycząsteczkowych oddziaływań. Enzym (E) i substrat (S) - ewentualnie substraty - tworzą
przejściowo połączenie ES, w którym na skutek specyficznych właściwości centrum katalitycznego
enzymu następuje aktywacja cząsteczki substratu z jednoczesnym osłabieniem niektórych jego wiązań
kowalencyjnych. Uaktywniony kompleks ES przekształca się w połączenie EP, gdzie P oznacza
produkt reakcji. W końcowym etapie połączenie EP rozpada
ES EP
się na wolny enzym i produkt reakcji. Schematycznie reakcję E + S E + P
taką można zapisać równaniem:
Dokładne poznanie natury oddziaływań odpowiedzialnych za katalizę enzymatyczną jest
przedmiotem badań i rozważań w literaturze naukowej od wielu lat. Pionierami w tej dziedzinie byli
34
E. Fischer, pierwszy sugerujący komplementarność centrów aktywnych enzymów do substratów, oraz
L.Pauling, autor koncepcji silnej stabilizacji stanu przejściowego przez centrum aktywne. Od tego
czasu, pojawiało się wiele alternatywnych propozycji jak teoria naprężeń sterycznych, optymalnego
nałożenia orbitali, elektrostatycznego klucza i zamka, itp.
Jedno z bardziej nowoczesnych opracowań na temat czynników odgrywających rolę w katalizie
enzymatycznej zawarł w swojej książce Warshel*. Na drodze rozważań teoretycznych (półempirycznych)
dochodzi on do wniosku o dominującej roli oddziaływań o naturze elektrostatycznej w katalizie enzymatycznej.
Warshel rozpatruje następujące czynniki, które w różnych modelach teoretycznych proponowano jako z
ródło
aktywności katalitycznej enzymów:
-� naprężenia steryczne;
-� desolwatację reagentów;
-� optymalne nakładanie orbitali (OS);
-� wiązania wodorowe o niskiej barierze przeniesienia protonu (LBHB);
-� efekty dynamiczne;
-� zmiany entropii w wyniku wiązania z enzymem,
-� oddziaływania elektrostatyczne w preorientowanym, polarnym centrum aktywnym.
Zmiany energii swobodnej podczas reakcji niekatalizowanej i enzymatycznej można przedstawić
schematycznie jak na rysunku obok. Wielkość energii swobodnej tworzenia stanu przejściowego
wyznacza barierę energetyczną dla całej
stan przejściowy
reakcji. Ta bariera dla reakcji
enzymatycznej jest wyraz
nie niższa (o "GE)
"GE
niż bariera energetyczna dla reakcji
niekatalizowanej. Enzymy: zmniejszając
energię swobodną tworzenia stanu
przejściowego znacznie przyspieszają
substraty
produkty
przekształcenie substratów w produkty.
reakcja enzymatyczna
2.2.1. Mechanizm działania enzymów
Postęp reakcji
W czasie reakcji enzymatycznej
cząsteczka substratu jest wiązana w
określonym obszarze do cząsteczki enzymu
w tzw. centrum aktywnym, przez co tworzy się kompleks enzym substrat. Dzięki specyficznemu
rozkładowi grup chemicznych w centrum, enzym oddziałuje na ugrupowania chemiczne substratu
rozluz
niając konkretne wiązanie chemiczne. W wyniku rozerwania tych wiązań substrat przekształca
się w produkt, który uwalniany jest z kompleksu z enzymem. Enzym po powrocie do formy
pierwotnej (w enzymach złożonych po przyłączeniu przenoszonych grup do innego związku) tworzy
nowy kompleks z następną cząsteczką substratu itd.
Mechanizm łączenia enzymu z substratem tłumaczy się obecnie indukowanym dopasowaniem,
polegającym na dopasowaniu kształtu enzymu do substratu i przekształceniu go w produkt. Przy tym
enzym może zniekształcić substrat wymuszając
w nim konformację podobną do stanu
E + S E S
przejściowego. Przykładem może być wiązanie
glukozy z heksokinazą.
Centrum aktywne enzymów. Centrum aktywne to określony obszar cząsteczki białka
enzymatycznego, w którym podczas katalizy następuje wiązanie substratu i następnie jego
przekształcenie w produkt względnie produkty reakcji. Specyficzność kierunkowa i substratowa
enzymów, a także wiele ich właściwości, zdeterminowanych jest budową centrum aktywnego.
Przyjmuje się, że centrum aktywne enzymów zlokalizowane jest w głębi globularnej cząsteczki białka
w kieszonce kształtem przypominającej szczelinę lub rowek. Obszar centrum aktywnego w
przeważającej ilości tworzą reszty aminokwasów o właściwościach hydrofobowych, a co za tym idzie,
panują w tym obszarze warunki hydrofobowe. Tak więc, jest to mikrośrodowisko o małej stałej
* [Warshel, A.: Computer Modelling Of Chemical Reactions In Enzymes And Solutions", John Wiley & Sohns,
Inc., New York, Chichester, Brisbane, Toronto and Singapore, 1991 ]
35
Energia swobodna
dielektrycznej, a stąd o zwielokrotnionych oddziaływaniach elektrostatycznych. Dzięki temu możliwe
jest rozluz
nienie określonych wiązań kowalencyjnych w cząsteczce substratu i ich przekształcenie w
inne układy wiązań.
Aminokwasy wchodzące w skład centrum aktywnego - z uwagi na funkcję, jaką pełnią  dzieli się
na cztery kategorie:
1. aminokwas lub ami no kwas y b e zpośre dni o dzi a łaj ą ce ; w enzymach złożonych ich
rolę pełnią koenzymy lub grupy prostetyczne,
2. a mi n okwa s y ws poma gaj ące ,
3. a mi n okwa s y konta kt owe , zwane również wiążą cymi ,
4. a mi n okwa s y po mo cnic ze .
Ami nokwa s y p omoc ni c ze nie biorą bezpośredniego udziału w katalizie, lecz niezbędne są
do utrzymanie właściwej konformacji przestrzennej pozostałych aminokwasów centrum aktywnego
(można je traktować, jako czynniki strukturotwórcze centrum aktywnego).
Ami nokwas y kont akt owe (wi ą żąc e ) odpowiedzialne są za rozpoznanie substratu i
 wciągniecie go do kieszonki centrum aktywnego. Z reguły są zlokalizowane na obrzeżach
kieszonki. Odpowiedzialne są za specyficzność substratową enzymów.
Rola a mi nokwa s u b ezpo śr ed ni o dzi ał aj ącego i ami no kwasów wsp omagaj ą c ych
zostanie wyjaśniona na przykładzie centrum katalitycznego endopeptydaz serynowych. Enzymy te
hydrolitycznie rozszczepiają wiązania peptydowe w białkach. Omawiane aminokwasy zlokalizowane
są w głębi kieszonki; w przestrzeni znajdują w bliskiej od siebie odległości przyjmując z góry ściśle
określoną konfigurację (tak, jak to pokazano na rysunku).
32
64
32
64
Asp
His
Asp
His
221
221
Ser
Ser
CH2 CH2
CH2 CH2
CH2
CH2
C
C
O O- H N N H O
O OH N N H O-
221
221
Ser
Ser
221
Ser
CH2
CH2
R2
CH2
R2
O C
O-
R2 COOH +
d�+C
O-
O -
NH
OH
-
d�
O
R1
H2O
NH2
R1
Mechanizm działania centrum katalitycznego proteinaz serynowych (opis w tekście).
W centrum katalitycznym wszystkich proteinaz serynowych występuje triada aminokwasów.
Aminokwasem bezpośrednio działającym jest seryna, która w subtilizynach zajmuje pozycję 221 w
łańcuchu polipeptydowym, a np. w chymotrypsynie 195. Aminokwasami wspomagającymi są
histydyna i kwas asparaginowy. W środowisku alkalicznym zdysocjowana, silnie ujemna grupa
karboksylanowa rodnika aspartylowego wywołuje efekt indukcyjny, który w wyniku rezonansu
przenosi się poprzez rodnik imidazolowy histydyny i na azocie 3 pojawia się silny ładunek ujemny; w
konsekwencji wodór grupy hydroksylowej seryny zostaje przeniesiony na azot i jednocześnie
powstaje ujemny jon alkoholanowy seryny. Jeżeli w jego pobliżu znajdzie się odpowiednio ustawiony
przestrzennie węgiel wiązania peptydowego  naładowany dodatnio  to oba przeciwnie naładowane
atomy zaczną się zbliżać do siebie. Na skutek silnych oddziaływań elektrostatycznych panujących w
tym obszarze wiązanie peptydowe ulegnie rozerwaniu. Proton z cząsteczki wody przyłączy się do
atomu azotu grupy aminowej i ten fragmentu łańcucha peptydowego odłączy się od centrum
36
aktywnego. Drugi fragment łańcucha peptydowego przejściowo utworzy wiązanie estrowe z resztą
seryny centrum aktywnego, by po chwili ulec hydrolizie pod działaniem wolnej grupy OH- i też
oddzieli się od centrum aktywnego proteinazy.
2.2.2. Koenzymy i grupy prostetyczne.
W enzymach złożonych rolę aminokwasu bezpośrednio działającego pełnią koenzymy lub grupy
prostetyczne. Spełniają one rolę przenośników elektronów, atomów lub niewielkich grup
chemicznych. Biorą udział w 2 kolejnych reakcjach enzymatycznych: w pierwszej pobierają z jednego
substratu grupę chemiczną, w drugiej oddają ją drugiemu substratowi, odtwarzając się w pierwotnej
postaci, po czym proces się powtarza. Przenoszenie takie może również odbywać się w obrębie tej
samej cząsteczki i mamy wtedy do czynienia z izomeryzacją substratu. Trwałość połączenia
apoenzymu z koenzymami jest różna; jeśli koenzym łatwo dysocjuje, reakcje przenoszenia grup
chemicznych na koenzymy i z koenzymów katalizuje układ złożony z 2 enzymów o wspólnym
koenzymie; jeśli koenzym jest związany z enzymem trwale (pełniąc rolę grupy prostetycznej), enzym
ten katalizuje kolejno obie reakcje. Uogólniając, niebiałkowe składniki enzymów można traktować,
jako kosubstraty reakcji enzymatycznej. W tabeli 2.1. zestawiono ważniejsze koenzymy i grupy
prostetyczne, których budowa chemiczna i mechanizm działania zostaną omówione dalej.
Tabela 2.1. Ważniejsze koenzymy i grupy prostetyczne
Przenoszone grupy lub
Nazwa koenzymu lub grupy prostetycznej Skrót
charakterystyczna cecha
Koenzymy oksydoreduktaz
Dinukleotyd nikotynamidoadeninowy NAD Atomy wodoru i epimeryzacja
Fosforan dinukleotydu NADP Atomy wodoru
nikotynamidoadeninowego
Dinukleotyd flawinoadeninowy FAD Atomy wodoru i koenzym oksydaz
Mononukleotyd flawinowy FMN Atomy wodoru
Metaloflawoproteidy Me-Fp Transport elektronów
Flawoproteidy transportujące elektrony ETF Transport elektronów
Ubichinon Q Transport elektronów
S
Lip
Liponian Atomy wodoru i grupy acylowe
S
Porfiryny - Cytochromy, oksydaza cytochromowa
koenzym katalazy i peroksydaz
Koenzymy transferaz
- Grupy metylowe
Adenozynometionina
ATP Grupy fosforanowe, pirofosforanowe i
Adenozynotrifosforan
AMP
CO2 (koenzym karboksylaz)
-
Biotyna
Grupy aldehydowe lub dekarboksylacja
DPT
Difosfotiamina
Przemiany aminokwasów (w tym
TPP
Fosforan pirydoksalu
deaminacja)
Grupy acylowe
CoASH
Koenzym A
B12 Wewnątrzcząsteczkowe przeniesienie
Koenzym B12
grupy -COOH
FH4 Grupy formylowe, hydroksymetylowe,
Kwas foliowy
formimidowe
Reszta kwasu siarkowego
PAPS
Siarczan fosfoadenilowy
Grupy glikozylowe
UDP
Urydynodifosforan
37
Koenzymy i grupy prostetyczne oksydoreduktaz
Nukleotydy nikotynamidowe. Koenzymem wielu dehydrogenaz, czyli enzymów odrywających
lub przyłączających atomy wodoru do substratów, jest dinukleotyd nikotynamidoadeninowy (NAD+)
lub jego fosforan - NADP+. Jak wskazuje nazwa, koenzymy te są dinukleotydami
O
C
zbudowanymi z nukleotydu adeninowego i nukleotydu nikotynamidowego lub jego
NH2
fosforanu. Podstawowym składnikiem nukleotydu nikotynamidowego jest amid
N
kwasu nikotynowego. Kwas nikotynowy, (znany także jako niacyna), jest pochodną
amid kwasu
pirydyny i jest jedną z witamin z grupy B o nazwie witamina PP.
nikotynowego
Niedobór witaminy PP w organizmie człowieka powoduje zaburzenia czynności przewodu pokarmowego
oraz ośrodkowego układu nerwowego a także powoduje zmiany skórne znane jako pelagra. Kwas nikotynowy w
wystarczających dla człowieka ilościach występuje w mięsie, rybach oraz nasionach zbóż. Dzienne
zapotrzebowanie człowieka na tę witaminę wynosi około 30mg.
Postać utleniona dinukleotydu nikotynamidoadeninowego przedstawiana jest skrótem NAD+, a
jego forma zredukowana NADH + H+. Umownie, dla wygody, dopuszcza się również symboliczne
zapisy NAD (zamiast NAD+) i NADH2 (zamiast NADH+H+).
NH2
CONH2
H H
CONH2 XH2 X
CONH2
N N
+
N
+
N N +
H+
N
CH2O OH2C N
P P
O
OH HO
Ryb Aden
P P Aden
Ryb P P
O
NAD
NADH + H+
OH OH ( )
P
mechanizm odrywania wodoru od substratu XH2
dinukleotyd nikotynamidoadeninowy (NAD)
przez NAD
i jego fosforan (NADP)
Poznano przeszło 200 dehydrogenaz sprzężonych z NAD lub NADP. Właściwości i działanie
obu koenzymów jest analogiczne. Stężenie NAD w komórkach jest znacznie większe niż NADP i stąd
dehydrogenazy sprzężone z NAD są liczniejsze. Ogólnie można przyjąć, że NAD pełni w żywej
komórce rolę akceptora wodoru, natomiast jego fosforan jest donorem wodoru (pełni rolę reduktora).
W wielu przemianach enzymatycznych oba koenzymy mogą być nawzajem wymieniane. Ale znane są
przemiany, w których różnice pomiędzy NAD i NADP są bardzo wyraz
ne. Np. dehydrogenaza
alkoholowa z NAD (EC 1.1.1.1) jest 10000 razy aktywniejsza niż z NADP (EC 1.1.1.2); stąd
rozróżnienie w klasyfikacji enzymów. Istnieje możliwość wymiany H pomiędzy obu koenzymami:
transdehydrogenaza
NADP + NADH2
NADPH2 + NAD
EC 1.6.1.1
Zredukowane formy NADH2  wyjątkowo również NADPH2 - w żywych komórkach
regenerowane (utleniane) są w łańcuchu oddechowym. Ale NADH2 może też regenerować się w
reakcjach, w których staje się donorem wodoru
NADH+H+ NAD
(w tym, jako donor wodoru dla oksygenaz z HC COOH
H2C COOH
pod-podklas EC 1.14.12. i EC 1.14.13.).
HOOC CH
H2C COOH
Większość reakcji katalizowana przez
reduktaza fumaranowa
(EC 1.3.1.6)
dehydrogenazy sprzężone z NAD jest
kwas fumarowy
kwas bursztnowy
odwracalna. Jeżeli reakcja redukcji ma przewagę
nad reakcją utlenienia, enzym nazywa się reduktazą, np. przyłączenie atomów wodoru do podwójnego
wiązania w kwasie fumarowym katalizuje reduktaza fumaranowa (sprzężona z NAD - EC 1.3.1.6).
Identyczną reakcję tyle, że biegnącą głownie w przeciwnym kierunku katalizuje dehydrogenaza
bursztynianowa (sprzężona z FAD - EC 1.3.99.1).
Swoistość substratowa dehydrogenaz sprzężonych z NAD lub NADP zależy od rodzaju
apoenzymu. Nie jest ona jednak absolutna. W wielu przypadkach wyraża się bardzo dużymi różnicami
38
szybkości katalizowanych reakcji, np. dehydrogenaza aldehydu fosfoglicerynowego utlenia również
aldehyd glicerynowy, ale około 1000 razy wolniej.
Apoenzymy licznych dehydrogenaz sprzężonych z NAD lub NADP zawierają związane jony
metali Mg2+, Zn2+, Mn2+. Jony te są aktywatorami działania tych dehydrogenaz. Np. jony Mg2+ lub
Zn2+ odgrywają ważną rolę podczas utleniania alkoholi, ułatwiając powstawanie jonu
alkoholanowego.
Niektóre dehydrogenazy sprzężone z NAD lub NADP podczas swojego  właściwego działania, czyli
utleniania substratu mogą równocześnie prowadzić do jego d e k a r b o k s y l a c j i . Takiej dekarboksylacji ulegają
tylko ą-ketokwasy lub ą-hydroksykwasy. Utlenianie ą-ketokwasów połączone z ich dekarboksylacją nazywa się
ą - o k s y d a c j ą i katalizowane jest przez u k ł a d y w i e l o e n z y m a t y c z n e (sprzężone z Lip S ,DPT, FAD,
S
CoASH i NAD). Przykładem jest przemiana pirogronianu do acetylo~SCoA katalizowana przez
d e h y d r o g e n a z ę p i r o g r o n i a n o wą ( d e k a r b o k s yl u j ą c ą ) , o czym będzie mowa dalej. Natomiast
przykładem dekarboksylacji ą-hydroksykwasów podczas ich utlenienia jest działanie dehydrogenaz
jabłczanowych (dekarboksylujących). Ogólnie znane są aż cztery dehydrogenazy jabłczanowe sprzężone z NAD
lub NADP, w tym trzy o właściwościach dekarboksylujących:
EC 1.1.1.37  d e h y d r o g e n a z a j a b ł c z a n o w a - znana z cyklu Krebsa, sprzężona z NAD, utlenia jabłczan do
szczawiooctanu,
EC 1.1.1.38  d e h y d r o g e n a z a j a b ł c z a n o w a ( s zc z a wi o o c t a n - d e k a r b o k s y l u j ą c a ) - sprzężona z
NAD, podczas utleniania jabłczanu, jednocześnie dekarboksyluje go; posiada zdolność
dekarboksylacji szczawiooctanu,
EC 1.1.1.39  d e h y d r o g e n a z a j a b ł c z a n o w a ( d e k a r b o k s y l u j ą c a ) - sprzężona z NAD, podczas
utleniania jabłczanu, jednocześnie dekarboksyluje go; nie posiada zdolności dekarboksylacji
szczawiooctanu,
EC 1.1.1.40  d e h y d r o g e n a z a j a b ł c z a n o w a ( s zc z a wi o o c t a n - d e k a r b o k s yl u j ą c a ) - sprzężona z
NADP, podczas utleniania jabłczanu, jednocześnie dekarboksyluje go; posiada zdolność
dekarboksylacji szczawiooctanu.
Nukleotydy flawinowe. W skład tych nukleotydów wchodzi r ybofl a wi na . Związek ten
zbudowany jest z heterocyklicznej izoalloksazyny i przyłączonego do niej rybitolu,
pięciowodorotlenowego alkoholu, będącego pochodną rybozy. Ryboflawina jest witaminą B2.
O
H3C
N
NH
O
H3C
N
H3C N N O
NH
CH2
NH2
H3C N N O
CHOH
N
CH2 N
CHOH
CHOH
CHOH
N N
CHOH
CH2O P
P OH2C
O
CHOH
CH2OH
ryboflawina
OH OH
dinukleotyd flawinoadeninowy (FAD)
Ryboflawina posiada charakterystyczne żółte zabarwienie. Jej niedobór w organizmie człowieka powoduje
zmiany chorobowe w obrębie jamy ustnej; m.in. pękanie kącików ust i śluzówki, obrzęki warg i ich łuszczenie się,
zmiany zapalne języka a także zaburzenia ze strony narządu wzroku. Duże ilości tej witaminy występują w
drożdżach, w ziarnach zbóż i jajach. Zapotrzebowanie człowieka wynosi 2mg na dobę.
Fosforan ryboflawiny  mon onukl e ot yd fl a wi nowy  zapisuje się symbolicznie FMN, a
jego połączenie z nukleotydem adeninowym  d i nukl e ot yd f lawino ad en in owy  oznacza się
skrótem FAD. Oba nukleotydy flawinowe są nierozerwalnie związane z odpowiednimi białkami
enzymatycznymi, tworząc f lawo pr ote idy, będąc jednocześnie przykładem grup prostetycznych.
FMN i FAD są grupami prostetycznymi dehydrogenaz, przenoszących głównie atomy wodoru.
Ich cechą charakterystyczną jest zdolność odrywania atomów wodoru od dwóch sąsiadujących ze sobą
atomów węgla, tworząc podwójne wiązanie: -CH2-CH2- -CH=CH-. Przykładem może być
wspomniana już dehydrogenaza bursztynianowa (EC 1.3.99.1). Zredukowaną formę FAD
39
symbolicznie zapisuje się FADH2. Podobnie jak zredukowany NADH2, zredukowany FADH2 w
komórce regeneruje się (utlenia) w łańcuchu oddechowym.
O
H O
H3C
XH2 X H3C
N
N
NH
NH
H3C N N O
H3C N N O
H
rybitol Aden
P P
rybitol Aden
P P
FAD
FADH2
mechanizm odrywania wodoru od substratu XH2
przez FAD
Ale FMN i FAD mogą być również koenzymami oksydaz: enzymów posiadających zdolność
bezpośredniego przenoszenia oderwanych od substratu atomów wodoru na tlen  uaktywnianie
cząsteczki tlenu prowadzą in situ, tj. w miejscu zetknięcia się enzymu z cząsteczką tlenu. Reakcja ta
przebiega bez zmiany formy grup prostetycznych na ich formy zredukowane. Przykładem takiego
enzymu może być oks yda za a mi n owa
O2
za wi er aj ąca FAD (EC 1.4.3.4). Reakcję taką
(FAD)
H2O
O
symbolicznie zapisuje się z FAD ujętym w nawias
R CH2 NH2 R C
+
NH3
+ H2O2
oksydaza
H
dla podkreślenia, że nie zmienia się jego forma po
aminowa
zakończeniu reakcji. Dla podkreślenia roli FAD
lub FMN w tego typu reakcjach, nazywa się je kofaktorami reakcji utlenienia.
FAD jest również elementem składowym systemu enzymatycznego cytochromu
P450. Zredukowany FADH2 może z kolei być donorem wodoru dla oksygenaz z
podpodklasy EC 1.14.14.
Fe2+
Dość często apoenzym oksydoreduktaz, sprzężonych z FMN lub
O
FAD, zawiera w swojej budowie jony metali Fe2+, Zn2+ lub Mo2+, które
H3C
N
NH
współdziałają podczas reakcji utleniania i redukcji; enzymy tego typu
nazywa się metaloflawoproteidami i oznacza symbolem Me-Fp.
H3C N N O
Transportują one przede wszystkim elektrony.
R
metaloflawoproteid
Ubichinon (koenzym Q). Przenośnikiem atomów wodoru może być również ubichinon, zywany
też koenzymem Q. Związek ten pod względem budowy przypomina witaminy E i K, choć sam
witaminą nie jest, gdyż w komórkach zwierzęcych jest syntetyzowany (z tyrozyny). A
ańcych boczny
zbudowany jest z jednostek izoprenoidowych. Ich liczba bywa rózna w zależności od z
ródła
pochodzenia ubichinonu. Np. ubichinon z serca świni ma ich 50, a z serca wołu 10, co zapisuje się
symbolicznie Q-50 i odpowiednio Q-10. Ilośc jednostek izoprenoidowych w ubichinonach
drobnoustrojowych waha się od 5 do 13.
O
O
OH
XH2 X
H3C
(
)n H H3C R
H3C R
H3C CH3
H3C CH3
H3C CH3
O
O
OH
ubichinon (Q) Q
QH2
mechanizm odrywania wodoru od substratu XH2
przez ubichinon
Mechanizm przenoszenia atomów wodoru przez ubichinon polega na utlenianiu i redukcji
pierścienia chinonowego.
40
Ubichinon jako koenzym dehydrogenaz bądz
reduktaz spotykany jest rzadko. Jednym z
nielicznych przykładów może być de h yd r oge n aza NADH ( ubi c hi non owa )  EC 1.6.5.3, która
katalizuje reakcję utlenienia NADH2 do NAD z jednoczesną redukcją ubichinonu do ubichinolu.
Ciekawym enzymem jest de hyd ro ge na za me t ano l owa (EC 1.1.99.8) znaleziona u niektórych
metylotrofów, której grupą prostetyczną jest ubichinonoproteina (kofaktor PQQ).
Natomiast ubichinon w komórkach pełni bardzo ważną rolę, będąc elementem składowym
ł ańc uc ha oddec h owego.
Związki porfirynowe. Porfiryny to związki, w których 4 pierścienie pirolowe połączone są ze
sobą mostkami metinowymi (=CH ). Przy atomach węgla � (3 i 4) pierścieni pirolowych zamiast
atomów wodoru występują różne grupy
1
2
1
2
a�
chemiczne (metylowe, winylowe, octanowe i d�
I
HC CH
I
inne). W celu ujednolicenia zapisu związków
N
tego typu Fisher zaproponował symboliczny, 8
3
3
8
uproszczony ich wzór. Pominięto w nim mostki
II
N H IV II
IV HN
metinowe a pierścienie pirolowe zaznaczano
4
7
4
7
kodem kreskowym. Pierścienie ponumerowano
N
III
cyframi rzymskimi od I do IV, atomy węgla w
HC CH
III
g� b�
5
pierścieniach od 1 do 8, a mostki metinowe 6
5
6
symboliczny, uproszczony
literami alfabetu łacińskiego od ą do �, jak to
zapis wzoru porfiryny
porfiryna
przedstawiono na rysunku obok.
Z uwagi na możliwość podstawiania atomów wodoru 1-8 w pierścieniach pirolowych różnymi
podstawnikami, istnieje teoretycznie olbrzymia ilość izomerów pochodnych porfiryny. Jednakże w
naturalnych systemach biologicznych głównie występuje izomer typu III, w którym podstawniki przy
IV pierścieniu pirolowym są ułożone asymetrycznie w stosunku do innych pierścieni. Oznaczony i
nazwany jest on przez Fishera pr ot opor fir yną IX . Izomer ten jest prekursorem me t al opo rfi r yn
wchodzących w skład he mop ro te in i chl or ofi li .
V
M
V
M
I
I
M
M
M
M
Fe2+
IV II
IV II Fe2+
ferrochelataza
EC 4.99.1.1
P
V
P
V
III
III
CH3
M =
P M
P M
CH=CH2
V =
CH2 COOH
CH2
P =
hem
protoporfiryna IX
enzymatyczna transformacja protoporfiryny IX w hem
M e t a l o p o r f i r y n y to pochodne protoporfiryny IX z atomem metalu (żelaza, magnezu, miedzi)
centralnie wbudowanym w układ porfirynowy za pośrednictwem atomów azotu pierścieni pirolowych.
Metaloporfiryny z wbudowanym żelazem (hem i heminy) występują jako grupy prostetyczne w
he mop r ot ei nach. Metaloporfiryny z wbudowanym Mg2+ są składnikami chl or of il u.
H e m o p r o t e i n y to białka zawierające jako grupę prostetyczną hem lub heminę.
H e m to połączenie żelaza występującego na II stopniu utlenienia (Fe2+) z protoporfiryną IX.
Hem jest barwną grupą prostetyczną hemoglobiny i mioglobiny. W organizmach zwierząt,
hemoglobina  czerwony barwnik krwi - uczestniczy w transporcie tlenu, CO2 a także jonów
wodorowych. Mioglobina uczestniczy w transporcie tlenu w mięśniach i w jego magazynowaniu.
H e m i n y to połączenia protoporfiryny IX z jonem żelaza występującym na III stopniu utlenienia
(Fe3+). Heminy we wszystkich organizmach pełnią funkcję przenośników elektronów w łańcuchu
oddechowym (układ cytochromów), a także są grupami prostetycznymi katalaz i peroksydaz,
katalizując procesy utleniania. Powstają z hemoglobiny pod wpływem kwasu solnego, a reakcja ta
służy w medycynie sądowej do wykrywania śladów krwi.
41
C y t o c h r o m y to hemoproteiny, które dzięki odwracalnej zmianie stopnia utlenienia żelaza
grupy heminowej (z Fe2+ na Fe3+) stanowią układ przenośników elektronów w łańcuchu oddechowym
w żywych organizmach. Na podstawie budowy chemicznej, widma absorpcyjnego i przede wszystkim
miejsca w łańcuchu oddechowym, cytochromy dzieli się na grupy: a, b i c (np. cytochromy b) oraz
podgrupy (np. cytochromy a3). Kompleks hemoprotein a + a3 jest enzymem znanym jako oks yd aza
cyt ochro mo wa.
HOOC CH2 CH2 CH3
HC CH
N
CH3
HOOC CH2 CH2
miejsce przyłączenia heminy
N Fe+3 N
H3C
N
HC CH
CH2
S S
CH2 Liz Cys Ser Glu(NH2) Cys His
CH3
H2C
fragment łańcucha polipeptydowego
cytochromu c
ń
CH2
hemina
cytochrom c
O k s y d a z a c yt o c h r o m u c (EC 1.9.3.1) to enzym będący kompleksem hemoprotein a i a3,
składający się z kilku łańcuchów polipeptydowych o różnej masie cząsteczkowej, 2 grup heminowych
oraz 2 atomów miedzi. Oksydaza cytochromowa jest końcowym enzymem łańcucha oddechowego;
aktywuje tlen atomowy do przyłączenia atomów wodoru, przenosząc na niego elektrony.
C h l o r o f i l e , pochodne protoporfiryny IX, zielone barwniki występujące u fotosyntetyzujących
roślin, glonów i bakterii (bakteriochlorofil). Chlorofile pełnią rolę grupy prostetycznej chromoproteidu
zwanego chloroplastyną. Są to metaloporfiryny, zawierające wbudowany w centrum jon magnezu
(Mg2+). Połączone są wiązaniem estrowym z
fitolem. Rozróżnia się 4 rodzaje chlorofilu. U CH3 CH CH2
wszystkich roślin wyższych i glonów
występuje chlorofil a (niebieskozielony, co
HC CH
N
najmniej w 3 formach: P700, Ca680, Ca670 -
CH3
CH3
liczby oznaczają długość fali świetlnej, przy
której występuje maksimum absorpcji światła). N Mg2+ N
Chlorofil b - żółtozielony, występujący u
C2H5
C20H39
OOC CH2 CH2
roślin wyższych i niektórych glonów. Chlorofil
N
fityl
C
CH
c  występuje w małych ilościach w
czerwono zabarwionych roślinach wodnych
CH3OOC CH
CH3
(m.in. z rodzaju Alternanthera), brunatnicach,
H H
C
niektórych okrzemkach i wiciowcach.
O
Chlorofil d znajdowany jest u krasnorostów.
chlorofil a
Chlorofil a absorbuje głównie światło
fioletowe i czerwone, oraz żółtozielone, chlorofil b absorbuje głównie światło niebieskie
i pomarańczowe. Chlorofile z karotenoidami wchodzą w skład fotosystemów PS-I i PS-II.
Kwas liponowy (tiooktanowy). Związek ten uczestniczy w transporcie elektronów, a także w
przenoszeniu grup acylowych w reakcjach ą-oksydacji (oksydacyjnej dekarboksylacji ą-ketokwasów).
Jest elementem składowym układów wieloenzymatycznych wraz z DPT, CoASH, FAD i NAD, np. w
dehydrogenazie pirogronianowej (dekarboksylującej). Jest to kwas 6,8-ditiolooktanowym. A
atwo
ulega odwracalnemu utleenieniu i redukcji.
42
XH2 X
CH2
Enzym-NH
S
SH
C CH2 CH2 CH2 CH2 CH CH2 Lip
Lip
S
S H
O
S S
liponian
liponian
uteniony
liponian zredukowany
Jak już wspomniano, liponian jest składnikiem układów wieloenzymatycznych. W układach tych,
jako kosubstrat, transportuje rodniki acylowe.
FAD
FADH2
O
OH
SH
S
CH3 C
Lip ~SCoA
Lip
DPT CH
S H
S
CH3
enzym
O
DPT
S
~C CH3
Lip
CoASH
S H
enzym
Koenzymy i grupy prostetyczne transferaz
Adenozynometionina. Jest to koenzym transferaz przenoszących jednowęglową grupę  CH3.
Grupa metylowa w tym układzie jest wybitnie reaktywna (tzw.  aktywny metyl ). I dlatego, w formie
jonu CH3+, może być przenoszona na elektroujemnie naładowane inne grupy chemiczne
(najkorzystniej z wolną parą elektronową). Koenzym ten bierze udział w wielu szlakach
anabolicznych, metylując m.in. grupę aminową (np. w biosyntezie choliny).
NH2
N N
CH3
OH
H
O COOH
N N
N
CH2 S CH2
4
5
O N3 6 CH2 NH C NH CH
+
9 10
CH2 2
7
1
8
CH2
H2N N N
CHNH2
CH2
H
COOH
COOH
OH OH
kwas tetrawodorofoliowy (H4folian)
adenozynometionina
Kwas foliowy. Koenzym ten jest pochodną pterydyny, heterocyklicznego dipierścieniowego
związku, do którego bocznej gupy metylowej przy C6 przyłączona jest cząsteczka kwasu
p-aminobenzoesowego i dalej poprzez wiązanie amidowe jedna lub więcej cząstwczek kwasu
glutaminowego. Kwas foliowy jest witaminą. Jej niedobór w ustroju człowieka może prowadzić do
pojawienia się trombocytopenii i pokrewnych odmian niedokrwistości. Do organizmu człowieka
dostarczany jest przez bakterie jelitowe.
Kwas foliowy - a właściwie produkt jego redukcji, kwas 5,6,7,8-tetrawodorofoliowy (H4folian) -
jest grupą prostetyczną enzymów przenoszących jednowęglowe rodniki typu:
�� CH3
�� HOCH2
��  CH2
��  CH=
�� HOC
�� HN=CH
Miejscem przyłączenia grup C1 są atomy N-5 lub N-10 tetrawodorofolianu. Natomiast z
ródłem
ich pochodzenia są przemiany aminokwasów: histydyny, tryptofanu, seryny i metioniny.
43
Biotyna. Biotyna jest grupą prostetyczną karboksylaz i dekarboksylaz. Przyłączenie grupy
-COO- do substratu wymaga dostarczenia energi chemicznej; jej dawcą jest ATP, który transformuje
do aż AMP.
O
O O
HOOC
ATP AMP+PP
HN NH
HN NH N NH
NH-Enzym
karboksylaza
S R
S C S R
CO2
O
karboksybiotyna
biotyna
biotyna
Biotyna jest witaminą H. Jej brak w organizmie człowieka wywołuje zaburzenia skórne oraz zmiany
psychomotoryczne: depresję, brak łaknienia i snu, itp. Witamina ta jest wytwarzana przez bakterie jelitowe.
Koenzym A. Na pierwszy rzut oka przypomina on opisane wcześniej dinukleotydy. Jednakże
koenzym ten nie jest zaliczany do dinukleotydów. Zbudowany jest z adenozyno-3 -fosforanu 5 -
pirofosforanu połączonego wiązaniem estrowym z kwasem pantotenowym, a ten z kolei wiązaniem
peptydowym z cystoaminą. Cysteoamina jest produktem dekarboksylacji cysteiny. Kwas pantotenowy
jest amidem kwasu 2,4-dihydroksy-3,3-dimetylomasłowego i �-alaniny. Symbolicznie koenzym A
zapisuje się jako CoASH.
NH2
N N
CH3 O O
N N
O CH2 C CH C NH CH2 CH2 C NH CH2 CH2 SH
O CH2 P P
CH3OH
OH O
P
kwas pantotenowy
cysteoamina
adenozyno-3'-fosforan-5`-pirofosforan
koenzym A (CoA-SH)
Kwas pantotenowy jest witaminą B . Niezbędna jest ona do prawidłowego metabolizmu białek, cukrów i
5
tłuszczów oraz do syntezy niektórych hormonów, uczestniczy w regeneracji tkanek i przyspiesza gojenie ran,
zapobiega przemęczeniu i usprawnia układ sercowo-naczyniowy, nerwowy i pokarmowy, bierze udział w
wytwarzaniu tłuszczów, cholesterolu, poprawia pigmentację i stan włosów. Kwas pantotenowy wytwarzany jest w
organizmach roślin, drobnoustrojów, a także niektórych pleśni. Bogatym z
ródłem tego związku są drożdże,
grzyby, groch, wątróbka, otręby pszenne, ryby (np. śledzie, makrele, pstrągi), mleko pełne, mięso kurczaka,
mleczko pszczele, pestki słonecznika, sery, orzechy, jajka, owoce awokado, pomarańcze, ziemniaki, brokuły,
ciemny ryż, melony, pełnoziarnisty chleb, soja, masło orzechowe, banany.
Koenzym A odgrywa podstawową rolę podczas aktywacji i
ATP AMP+PP
przenoszenia rodników acylowych. Reakcje przyłączenia CoASH
O
do kwasu karboksylowego katalizują syntetazy, które do swego X COOH
X C
SCoA
~
syntetaza
działania wymagają dostarczenia energii, której z
ródłem jest
X-CoA
CoASH
ATP. Powstałe wiązanie tioestrowe jest wiązaniem
wysokoenergetycznym (zaznaczane we wzorach chemicznych
tyldą  ~ ). Przykładem może być synteza acetylo~SCoA z kwasu octowego, katalizowana przez
syntetazę acetylo-CoA (EC 6.2.1.1).
Difosfotiamina. Tiamina jest związkiem zbudowanym z pierścienia pirymidynowego
połączonego z heterocyklicznym pierścieniem tiazolowym grupą metylenową. W difosfotiaminie
grupa hydroksylowa łańcucha bocznego pierścienia tiazolowego jest zestryfikowana pirofosforanem.
Z apoenzymem wiąże się właśnie przez ugrupowanie pirofosforanowe. Symbolicznie diosfotiaminę
zapisuje się jako DPT.
44
CH2 + CH3
N
N
CH2 O
CH2 P
P
H3C N NH2
S
difosfotiamina (DPT)
Tiamina jest w i t a m i n ą B . Skutkami jej niedoboru są zaburzenia czynności centralnego układu
1
nerwowego (uczucie osłabienia i zmęczenie, możliwy oczopląs, zaburzenia pamięci i koncentracji a nawet
depresja), niewydolność krążenia (przyspieszona akcja serca, powiększenie wymiarów serca, obrzęki kończyn),
zaburzenia ze strony przewodu pokarmowego (utrata łaknienia, nudności, wymioty, biegunki, bóle brzucha, brak
apetytu, spadek wagi). W przypadku silnej awitaminozy B może wystąpić choroba Beri-beri, objawiająca się
1
bólami kończyn, osłabieniem mięśni i ich drżeniem oraz wyraz
ną niewydolnością układu krążenia. Etanol
powoduje rozkład tego związku, o czym powinni pamiętać ludzie nadużywający alkoholu i dbać o dostarczanie jej
do organizmu. y
r ó d ł e m t e j w i t a m i n y są produkty zbożowe, mięso, groch, fasola, drożdże, orzechy, ryby,
owoce i warzywa. Zapotrzebowanie człowieka na tę witaminę wynosi ok. 1,5 mg na dobę.
Difosfotiamina jest grupą prostetyczną enzymów przenoszących aldehydy: glikolowy, octowy i
semialdehyd bursztynowy.
Jako grupa prostetyczna k e t o l a z , DPT przenosi aldehyd glikolowy, który odrywa od ksylulozo-
5-fosforanu i transportuje go na erytrozo-4-fosforan.
Jako e l e me nt u k ł a dó w wi e l o en z yma t y cz n yc h - podczas ą-oksydacji - np.
pirogronianu lub ą-ketoglutaranu zachowuje się jak transferaza, a równocześnie jak liaza. Jako
dehydrogenaza pirogronianowa (acetyl-transportująca)  EC 1.2.4.1, prowadzi dekarboksylację
pirogronianu do aldehydu octowego, a jako dehydrogenaza ketoglutaranowa (bursztynian-
transporująca)  EC 1.2.4.2, dekarboksyluje ą-ketoglutaran do semialdehydu bursztynianowego, które
dalej przenosi na kwas liponowy.
CH2OH
CH3
R R
+ CH3 + CH3
C O
N N
C O
HO CH
COOH
CH2 O PP CH2 O PP
CH2 CH2
H S H S
CH OH
pirogronian
Enzym Enzym
P
CH2O DPT
DPT
fragment dehydrogenazy
ksylulozo-5-fosforan
pirogronianowej
transketolaza
(dekarboksylującej)
R
R
+ CH3
O CO2
+ CH3 N
H
C H
N
H
CH3 C
~ CH2 O PP
CH2
CH OH
S
HO C
~
CH2 O PP
CH2
S
OH
CH2O
P Enzym
CH2OH
Enzym
aldehyd
hydroksyetylo
~DPT
aktywny aldehyd glikolowy
3-fosfoglicerynowy
~DPT
Pirydoksyna. Mieszanina trzech naturalnych związków: pirydoksyny, pirydoksalu i
pirydoksaminy. Są one pochodnymi pirydyny.
O
CH2OH
CH2NH2
C
H
HO CH2OH
HO CH2OH
HO CH2OH
H3C N
H3C N
H3C N
pirydoksyna pirydoksamina
pirydoksal
45
5 -F o s f or a n pi r y d o ks al u (PLP) jest koenzymem lub grupą prostetyczną przeszło 50
enzymów. Bierze udział w przemianach aminokwasów. Przede wszystkim współdziała z
aminotransferazami przenoszącymi grupę aminową z aminokwasów na ą-ketokwasy i odwrotnie. Jest
koenzymem dekarboksylaz aminokwasów. Uczestniczy ponadto w przemianie tryptofanu w amid
kwasu nikotynowego, transformacji glicyny w serynę i w biosyntezie cysteiny. Szczegóły dotyczące
reakcji transaminacji i dekarboksylacji aminokwasów zostaną opisane w rozdziale omawiającym
metabolizm aminokwasów.
Mieszanina pirydoksyny, pirydoksalu i pirydoksaminy nazywana jest witaminą B . Wszystkie trzy związki
6
ulegają w organizmie wzajemnym przekształceniom i wykazują podobne działanie biologiczne. Niedobór witaminy
B6 występuje tylko wyjątkowo, np. u małych dzieci karmionych sztucznymi odżywkami lub karmionych przez
matki, które długo przyjmowały doustne środki antykoncepcyjne oraz u alkoholików i ich potomstwa. Do
najczęściej spotykanych objawów należą stany zapalne skóry (łojotokowe zmiany na twarzy), podrażnienie języka
i błon śluzowych jamy ustnej (języka, kącików warg) zmiany w ośrodkowym układzie nerwowym (apatia,
bezsenność, nadwrażliwość, napady drgawek), zwiększona podatność na infekcje. Witamina B wytwarzana jest
6
przez florę bakteryjną przewodu pokarmowego, w dużych występuje w wątrobie, jajach, jarzynach i mięsie.
Cyjanokobalamina. Jej nazwa wywodzi się od jonu cyjankowego połączonego koordynacyjnie
z atomem kobaltu, wbudowanym w rdzeń porfirynowy. Rdzeń porfirynowy wraz z jonem kobaltu
noszą nazwę kobal a mi ny. Zamiast jonu CN-, z kobalaminą może być połączony inny anion, np.
hydoksylowy, chlorkowy czy azotynowy. W tym ostatnim przypadku związek nosi nazwę
nitrokobalaminy, a znajdowany jest w podłożach hodowlanych Streptomyces griseus.
Cyjanokobalamina jest koenzymem niektórych dehydrataz, amoniako-liaz i mutaz.
H3C CH2CONH2
CH2CH2CONH2
CH3
HC CH
CH3
N
H2NOH2CH2C
+
CH3
N CH3
N Co N
H2NOH2C
CH3
CH2CH2CONH2
CN
N
N HOH2C
H3C O
CH3 C
CH3
CH3
H2NOH2C
CH2 CH3
CH2 CO NH CH2 CH
P O OH
cyjanokobalamina
Witamina B , znana jako czynnik przeciwdziałający niedokrwistości złośliwej lub jako czynnik
12
przeciwanemiczny. Brak tej witaminy powoduje charakterystyczne zmiany w obrazie krwi, związane z anemią
złośliwą. Obserwuje się również zmiany zapalne języka oraz brak kwasu solnego w żołądku. Organizmy roślin i
zwierząt nie produkują cyjanokobalaminy. Zdolność tą mają niektóre gatunki bakterii (choć u niektórych
mikroorganizmów jest ona także czynnikiem wzrostowym). Zwierzęta mięsożerne zapotrzebowanie na tę
witaminę pokrywają, spożywając mięso innych zwierząt. Szczególnie obfita w cyjanokobalaminę jest wątroba.
Zwierzęta roślinożerne wykorzystują cyjanokobalaminę wytwarzaną przez florę bakteryjną ich przewodu
pokarmowego. y
ródło to jest czasem niewystarczające i u niektórych gatunków zwierząt dochodzi niekiedy do
zjadania własnych odchodów, co prowadzi do zwiększenia ilości tej witaminy w organizmie. Organizm dorosłego
człowieka potrzebuje ok. 3 mg cyjanokobalaminy dziennie. Zapotrzebowanie to jest w zupełności pokrywane
przez normalną dietę.
Nukleozydofosforany. Nukleotydy, które do swojej reszty fosforanowej dodatkowo mają
przyłączoną jedną lub dwie cząsteczki kwasu fosforowego, czyli nukleozydodi- i trifosforany są
koenzymami, a właściwie poprawniej definiując kofaktorami czy też kosubstratami reakcji
katalizowanych przez liczne enzymy. Zaliczane są one do związków bogatych w energię chemiczną;
tzw. związków makroergicznych lub inaczej związków wysokoenergetycznych. Wśród nich
najczęściej kosubstratem w reakcjach enzymatycznych bywa a de n ozyn otri fos f ora n  ATP. Jest
on kosubstratem większości ligaz (enzymów z klasy EC 6.), kinaz (transferaz z podklasy EC 2.7.,
46
przenoszących grupę fosforanową na różne substraty) czy wreszcie niektórych karboksykinaz
(enzymów z pod-podklasy EC 4.1.1.).
NH2
N N O O O
N N
P O P OH
O CH2 O P O
~�
~�
OH OH
OH
OH O
H
adenozyna
AMP
ADP
ATP
T e r mo d y n a mi ka r e a kcj i e n z yma t yc z n y ch . Zgodnie z prawami termodynamiki reakcje
endoergiczne nie mogą przebiegać spontanicznie, nawet jeśli są katalizowane przez enzymy. Tego
typu reakcje muszą być sprzężone z inną reakcją silnie egzoergiczną, tak by suma ich energii
swobodnej "G była równa zero lub ujemna.
-H2O
glukozo-6- P D�G= 12 kJ/mol
glukoza + H3PO4
Przykładowo reakcja glukozy z kwasem
+H2O
fosforowym jest reakcją endoergiczną; zmiana
D�G= -29 kJ/mol
ATP ADP + Pi
energii swobodnej "G = 12 kJ/mol. Stąd
ADP
ATP
równowaga tej reakcji jest silnie przesunięta
na lewą stronę; glukozo-6-fosforan
D�G= -17 kJ/mol
glukozo-6- P
glukoza
praktycznie nie powstaje. Reakcja hydrolizy
ATP do ADP + Pi* jest z kolei silnie egzoergiczna; "G = -29 kJ/mol. Przy tak dużej ujemnej wartości
"G jest to reakcja praktycznie nieodwracalna. W przypadku enzymatycznego sprzęgnięcia obu tych
reakcji suma energii swobodnej "G = -17 kJ/mol. W takim układzie równowaga reakcji przesunięta
jest zdecydowanie na prawą stronę i praktycznie cała pula glukozy jest przemieniona w glukozo-6-P.
W ATP pierwsza cząsteczka kwasu fosforowego przyłączona jest do grupy  OH rybozy
zwykłym wiązaniem estrowym. Energia swobodna jego hydrolizy wynosi "G = -14 kJ/mol.
Natomiast kolejne cząsteczki kwasu fosforowego wiążą się ze sobą wiązaniem bezwodnikowym.
Energia swobodna ich hydrolizy odpowiednio wynosi:
, D�G=
ADP AMP + Pi D�G= -28 kJ/mol ATP ADP + Pi -29 kJ/mol
Stąd ATP i ADP (adenozynodifosforan) należą do związków bogatych w energię chemiczną.
Natomiast AMP (adenozynomonofosforan) jest związkiem niskoenergetycznym. Przyjmuje się, że
dolną wartością energii swobodnej hydrolizy, która decyduje o zaliczeniu związku do
makroergicznych jest "G zbliżone do -29 kJ/mol.
W tabeli 2.2. przykładowo podano przybliżone średnie wartości energii swobodnej hydrolizy
kilku związków zawierających grupę fosforanową. Energia swobodna hydrolizy ATP do ADP+Pi
wynosi "G = -29 kJ/mol, co sprawia, że ten nukleozydotrifosforan wraz z ADP i pirofosforanem
należą do grupy fosforanów znajdujących się pośrodku listy cytowanych związków
wysokoenergetycznych i niskoenergetycznych. Dlatego ATP może być donorem fosforanów dla
związków niskoenergetycznych znajdujących na liście poniżej, o "G >-29 kJ/mol. Z tego samego
powodu ADP może być akceptorem wysokoenergetycznego fosforanu od związków znajdujących się
na tej liście powyżej, o "G <-29 kJ/mol.
* umownie Pi oznacza fosforan nieorganiczny
47
Należy jeszcze dodać, że wiązania bezwodnikowe w ATP łatwo ulegają rozerwaniu. Oderwana
reszta fosforanowa lub pirofosforanowa może być przenoszona na różne substraty, tym łatwiej, iż
rozkład ATP jednocześnie dostarcza energii swobodnej niezbędnej dla takich reakcji.
Tabela 2.2. Energia swobodna hydrolizy niektórych fosforanów
Nazwa związku "G [kJ/mol] 1
-62
Fosfoenolopirogronian
-51
Karbamoilofosforan
-49
1,3-difosfoglicerynian
-43
Fosfokreatyna
-34
Acetylo~SCoA
-31
ATP��AMP+PP
-29
ATP��ADP+P
-28
ADP��AMP+P
-27
PP (pirofosforan)
Glukozo-1-fosforan -21
AMP -14
Glukozo-6-fosforan -14
1
cytowane dane są przybliżonymi wartościami "G
ATP zawiera dwa wysokoenergetyczne wiązania bezwodnikowe. Oderwanie fosforanu, prowa-
dzące do powstania ADP, powoduje utratę jednego z nich ("G =-29 kJ/mol). Oderwanie fosforanu od
ADP prowadzi do powstania AMP ("G =-28 kJ/mol). Teoretycznie wyliczona, sumaryczna energia
swobodna takiej dwuetapowej przemiany ATP do AMP obniża się więc o "G =-57 kJ/mol*. Ale od
ATP może być oderwany również pirofosforan, jednoetapowo prowadząc do powstania AMP. Zmiana
energii swobodnej "G takiej przemiany równa jest -31 kJ/mol. Dla pełnego jej bilansu należy jednak
uwzględnić dodatkowo energię swobodną zawartą w pirofosforanie
pirofosfataza
PPi nieorganiczna
2Pi
("G =-27 kJ/mol), co po podsumowaniu daje "G =-58 kJ/mol*. Ta
swobodna energia zawarta w PPi jest uwalniana podczas jego
enzymatycznej hydrolizy pod działaniem pirofosfatazy nieorganicznej (EC 3.6.1.1).
W komórkach żywych organizmów pomiędzy ATP, ADP i AMP istnieje pewnego typu
specyficzna równowaga. Kinaza adenylanowa (EC 2.7.4.3)
kinaza
2 ADP
ATP + AMP
przenosi jeden z wysokoenergetycznych fosforanów z ATP na adenylanowa
AMP, co prowadzi do powstania dwóch cząsteczek ADP, tak jak
to przedstawiono na rysunku obok.
Dla pełnego obrazu należy jeszcze wspomnieć, że w komórkach ATP uczestniczy w reakcjach
enzymatycznych w postaci kompleksu z jonem Mg2+. Stąd jony Mg2+ są aktywatorami enzymów
współdziałających z ATP.
Reasumując, r ol a AT P j a ko ko s ub s t r a t u w reakcjach enzymatycznych jest następująca:
1. ATP jako d on or e ner gi i s w ob od n ej w reakcjach syntez katalizowanych przez ligazy. W
większości takich przypadków ATP ulega rozkładowi do AMP + PPi. Jak już wspomniano,
ilość energii swobodnej dostarczona do takiego układu jest równoważna "G =-58 kJ/mol, co
wystarcza do przeprowadzenia rozmaitych syntez, niekiedy nawet związków
wysokoenergetycznych. Za przykład niech posłuży synteza acetylo~SCoA katalizowana przez
syntetazę acetylo-CoA (EC 6.2.1.1).
* Sumaryczna energia swobodna wyzwolona w jednoetapowym i dwuetapowym przekształceniu ATP do AMP
oczywiście musi być taka sama. Różnica 1 kJ/mol pomiędzy wyliczeniami wynika ze stosowania przybliżonych wartości "G.
48
ATP dużo rzadziej, jako koenzym ligaz, ulega podczas reakcji rozkładowi do ADP. Tym
niemniej znanych jest sporo i takich przypadków. Dla podkreślenia, że ATP rozkłada się
jedynie do ADP w nazwie ligazy w nawiasie umieszcza się (ADP-tworząca). Jako przykład
podana zostanie syntetaza acetylo-CoA (ADP-tworząca)  EC 6.2.1.13. Wybrano ją celowo,
gdyż tylko wyjątkowo niektóre bakterie posiadają ten enzym, a z energetycznego  punktu
widzenia komórki jest on korzystniejszy od wcześniej opisanej syntetazy acetylo-CoA.
ADP+P
ATP
ATP AMP+PP
O
O
CH3 COOH
CH3 C
SCoA
~
CH3 COOH
syntetaza
CH3 C
SCoA
~
syntetaza
acetylo-CoA
acetylo-CoA (ADP-tworzaca)
CoASH
CoASH
2. ATP jako d on or or t of o sf or a n u . Odpowiednie transferazy (kinazy) przenoszą rodnik
fosforanowy na rozmaite substraty, np. na monosacharydy,
ADP
ATP
glicerol, nukleozydy, itp. Za przykład posłuży synteza NADPH z
NADH katalizowana przez kinazę NADH (EC 2.7.1.86).
NADH NADPH
kinaza NADH
Na marginesie omawianego zagadnienia warto zwrócić uwagę na fakt, że w wyjątkowych sytuacjach
z
ródłem ortofosforanu może być pirofosforan. Nie powinno to budzić większego zdziwienia, bowiem
energia swobodna jego hydrolizy "G =-27 kJ/mol. Przykładem może być kinaza octanowa
(pirofosforanowa)  EC 2.7.2.12, katalizująca przeniesienie fosforanu z PP na kwas octowy z
i
wytworzeniem acetylofosforanu.
3. ATP jako d o n or pi r o f os f or an u . W niektórych przypadkach konieczne jest przyłączenie
do substratu rodnika pirofosforanowego. Jego donorem jest ATP, a reakcję katalizują
pirofosfokinazy. Jako przykład może posłużyć synteza
AMP
ATP
difosfotiaminy z tiaminy. Reakcję katalizuje
difosfotiamina
tiamina
pirofosfokinaza
pirofosfokinaza tiaminowa (EC 2.7.6.2).
tiaminowa
4. ATP jako d on or r od n i ka a de n yl i l o we g o . Adenylacja to reakcja przeniesienia rodnika
adenylilowego z ATP na substrat z jednoczesnym odłączeniem PPi. Reakcja ta ma
podstawowe znaczenie dla syntezy dinukleotydów adenilowych i związków o podobnej
budowie (choćby wspomnianego wcześniej CoASH). Reakcję katalizują adenylilotransferazy
(zwane zwyczajowo pirofosforylazami). Jako przykład posłuży synteza FAD z FMN
katalizowana przez adenylilotransferazę FMN (EC 2.7.7.2).
Ale enzymy z pod-podklasy EC 2.7.7. mogą również transportować inne nukleotydilowe
rodniki z nukleotydotrifosforanów. Jedną z takich reakcji o podstawowym znaczeniu dla
procesów biochemicznych jest synteza UDPG (urydyliloglukozy). Reakcja katalizowana jest
przez urydylilotransferazę glukozo-1-fosforanową (EC 2.7.7.9).
PPi PPi
ATP UTP
FMN glukozo-1- P
UDPG
FAD
adenylilotransferaza FMN urydylilotransferaza
glukozo-1-fosforanowa
5. ATP jako d o n o r ade no z yn y . W pewnych szczególnych przypadkach ATP staje się
donorem adenozyny. Przykładem może być synteza adenozynometioniny. Koenzym ten
powstaje w reakcji metioniny z ATP, katalizowanej przez adenozynotransferazę metioninową
(EC 2.5.1.6).
adenozynotransferaza
metioninowa
adenozynometionina
metionina + ATP
EC 2.5.1.6
PP + P
Niekiedy rolę ATP w omówionych wyżej reakcjach może pełnić inny z
nukleozydotrifosforanów. O urydynotrifosforanie (UTP) i jego roli już wspomniano.
Guanozynotrifosforan (GTP) lub inozynotrifosforan (ITP) są koenzymami syntetazy bursztynylo-CoA
49
(patrz cykl Krebsa). Cytydynotrifosforan (CTP) bierze udział w syntezie substancji lipidowych pod
postacią cytydylodifosfocholiny.
Pomiędzy ATP a pozostałymi nukleotydotrifosforanami występuje zależność:
kinaza
nukleozydodifosforanowa
nukleozydodifosforan + ATP
nukleozydotrifosforan + ADP
2.2.3. Kinetyka reakcji enzymatycznych
EC 2.7.4.6
S z y b ko ś ć r e a kc j i e nz y ma t yc z ne j , podobnie jak każdej reakcji chemicznej, wyraża się
ubytkiem stężenia jednego z substratów lub też przyrostem stężenia któregoś z produktów:
d[S] d[P]
enzym
S
P v =� -� =� (2.1)
dt dt
R ó w no wa g a r e a k cj i e n zyma t y c z n yc h . Teoretycznie wszystkie reakcje chemiczne
(również katalizowane enzymatycznie) są odwracalne. Po pewnym czasie ustala się równowaga
pomiędzy substratami reakcji a jej produktami, objawiająca się tym, że szybkość powstawania
produktów jest równa szybkości ich rewersji do substratów. Szybkość powstawania produktów v1 jest
proporcjonalna do stężeń reagujących substratów. Szybkość reakcji rewersji produktów v-1 jest
proporcjonalna do stężeń produktów. W stanie równowagi:
v+1, k+1
v1 =� v2 v1 =� k+�1 ��[A]��[B] v-�1 =� k-�1 ��[AB] (2.2)
A + B
AB
v-1, k-1
gdzie: A,B  substraty; AB  produkt; k+1, k-1  stałe szybkości reakcji
Dla przypomnienia: stałe szybkości reakcji k są charakterystyczne dla konkretnych reagentów. Rosną wraz
ze wzrostem temperatury reakcji.
Zgodnie z prawem działania mas Guldberga i Waagego w stanie równowagi, stężenia reagentów
spełniają zależność:
k1 [AB]
=� =� K gdzie: K jest stałą równowagi konkretnej reakcji. (2.3)
k-�1 [A]��[B]
Im większa jest stała równowagi K, tym większe stężenie produktu AB, czyli równowaga reakcji
bardziej przesunięta na prawo. Reakcja pomiędzy A i B zachodzi tym energiczniej, im większa jest
stała równowagi reakcji K.
Jeszcze raz należy wyraz
nie podkreślić: obecność enzymu w układzie nie zmienia wartości
stałej K. Enzym jedynie przyspiesza moment osiągnięcia równowagi przez reagenty. Jeżeli K>1
to reakcja jest spontaniczna.
Stałą K można wyrazić liczbowo, o ile znane są stężenia substratów i produktów reakcji w stanie
równowagi. Wartości K można również wyliczyć na drodze termodynamicznej. Pomiędzy zmianami
energii swobodnej "G a stałą równowagi reakcji K istnieje zależność:
D�G =� -RT �� ln K gdzie: R - stała gazowa, T  temperatura bezwzględna (2.4)
Z zależności tej wynika prosta formuła potwierdzająca wcześniejsze stwierdzenia: im większa
stała równowagi reakcji K, tym większa różnica pomiędzy wartościami energii swobodnej substratów
i produktów. I odwrotnie: im większe "G, tym równowaga reakcja jest bardziej przesunięta na korzyść
produktów. W krańcowych przypadkach, gdy ujemna wartość "G jest bardzo duża cały substrat ulega
przekształceniu w produkt, a reakcja praktycznie staje się nieodwracalna.
Z kolei pomiędzy zmianami energii swobodnej "G (w chemii fizycznej znanej pod słuszną
nazwą potencjału termodynamicznego), entalpią układu i zmianami entropii występuje zależność:
D�G =� D�H -� TD�S
(2.5)
V
[S]>>[E]
S z y b ko ś ć p o c zą t k ow a r e a k cj i en z yma t yc z n ej .
Szybkość początkowa reakcji v jest to szybkość wyznaczona przed
powstaniem dostatecznie dużej ilości produktu, który by umożliwiał
zachodzenie reakcji odwrotnej. Szybkość początkowa reakcji
enzymatycznej jest zawsze proporcjonalna do stężenia enzymu.
[E]
50
Wpływ stężenia enzymu [E] na
szybkość reakcji enzymatycznej V
Stąd oznaczenie ilości enzymu (jego aktywności) powinno być oparte, o ile jest to możliwe, na
pomiarach początkowej szybkości reakcji przy znacznym nadmiarze substratu S. W takim
układzie szybkość reakcji nie zależy od stężenia substratu i reakcja jest rzędu zerowego.
A k t y w n o ś ć e n z y m a t y c z n a . Oznaczenie bezwzględnej ilości enzymu (np. w gramach lub
molach) jest trudne do wykonania, gdyż wiąże się z oczyszczeniem białka enzymatycznego do stanu
homogenności. Stąd umówiono się, że za miarę ilości enzymu w biopreparatach przyjmuje się jego
aktywność katalityczną (enzymatyczną), czyli szybkość, z jaką w założonych warunkach preparat
enzymatyczny przekształca określoną ilość wybranego arbitralnie substratu. Miarą tej szybkości jest
ubytek substratu lub przyrost produktów reakcji enzymatycznej w przeliczeniu na jednostkę czasu.
Zdefiniowano również oficjalnie obowiązujące standardowe jednostki enzymatyczne.
Pierwszą z nich, obowiązującą w układzie SI, nazwano kat ale m (Kat). 1 Kat to taka ilość
enzymu, która katalizuje przemianę 1 mola substratu w czasie 1 sekundy w temperaturze 30��C.
Druga z tych oficjalnie obowiązujących jednostek, rekomendowana przez Międzynarodową Unię
Biochemiczną, nazwana została mi ę d zyn a r o do wą j e d n os t ką e n z yma t yc z n ą (w skrócie
m.j.e.). 1 m.j.e. to taka ilość enzymu, która katalizuje przemianę 1 źmola substratu w ciągu 1 minuty
w temperaturze 30��C.
Jednakże dla wielu enzymów obie te oficjalne obowiązujące jednostki nie znalazły praktycznego
zastosowania. Natomiast powszechnie przyjęły się jednostki enzymatyczne skojarzone z
odpowiednimi metodami oznaczania aktywności opracowanymi dla całej gamy konkretnych enzymów
a nawet grup enzymów.
Teoria Michaelisa-Menten. W 1913 roku L.Michaelis i M.L.Menten przedstawili swoją
koncepcję katalizy enzymatycznej. Model Michaelisa Menten opiera się na założeniu powstawania
przejściowego kompleksu enzymu-substrat:
k2
k1
ES E + P
E + S
k-2
k-1 (2.6)
Zgodnie z tym równaniem, przy niewielkich stężeniach substratu - równoważnym stężeniom
enzymu - reakcja enzymatyczna staje się reakcją I rzędu i jej szybkość staje się proporcjonalna do
stężenia zarówno substratu [S], jak i enzymu [E]. Przy stałym stężeniu enzymu [E] szybkość reakcji
będzie zależała jedynie od stężenia substratu. Wpływ stężenia substratu [S] na początkową szybkość
reakcji enzymatycznej przy stałym stężeniu enzymu przedstawia poniższy wykres.
V
Vmax
V
max
2
[S]
Km
Dla pewnych stężeń substratu - równoważnym ilościom dostępnych centrów aktywnych
enzymu - reakcja osiągnie szybkość maksymalną Vmax. Dalsze zwiększanie stężenia substratu nie
przyspiesza jego przemiany. Jak już wspomniano wcześniej szybkość reakcji enzymatycznej zależy
od łatwości tworzenia kompleksu enzymu z substratem. Z równania (2.6) wynika, że w stanie
równowagi szybkość tworzenia kompleksu ES jest równa szybkości jego rozpadu:
v1 +� v-�2 =� v2 +� v-�1 (2.7)
v1 =� k+�1 ��[E]��[S] v-�1 =� k-�1 ��[ES] v2 =� k+�2 ��[ES] v-�1 =� k-�2 ��[E]��[P] (2.8)
Po podstawieniu zależności (2.8) do równania (2.7) i po prostych matematycznych
przekształceniach otrzymuje się:
51
[ES] k+�1 ��[S] k-�2 ��[P]
=� +� (2.9)
[E] k-�1 +� k+�2 k-�1 +� k+�2
Uwzględniając fakt, że na początku reakcji [P] �� 0 oraz po dalszych prostych przekształceniach
równania (2.9), otrzymuje się:
[E]��[S] k-�1 +� k+�2
=� =� Km (2.10)
[ES] k+�1
Wielkość Km nosi nazwę s t a ł e j Mi c ha el i s a . J est ona charakterystyczna dla danego układu
enzym-substrat. A
atwo zauważyć, że im mniejsza wartość Km, tym większe stężenie kompleksu
przejściowego [ES].
Analizując równania (2.6) �� (2.10) należy zauważyć, że
1. stężenie enzymu [E] w równaniu (2.10), w rzeczywistości jest stężeniem enzymu wolnego w
danym momencie reakcji, czyli niezwiązanego w kompleks przejściowy ES. Na każdym
etapie reakcji część enzymu wyjściowego [E0] obecnego w układzie reakcyjnym jest związana
w ES. Stąd [E]= [E0]-[ES].
2. Szybkość reakcji enzymatycznej v, czyli szybkość powstawania produktu P, zależy tak
naprawdę od szybkości rozpadu kompleksu ES, czyli od v+2. Stąd: v = v+2=k+2 �� [ES].
3. Gdy cały enzym jest w kompleksie z substratem, czyli [E0]=[ES] szybkość reakcji
enzymatycznej osiąga maksymalną szybkość Vmax.
Uwzględniając powyższe założenia w równaniu (2.10) otrzymuje się r ó w na ni e
ma t e ma t yc z n e Mi c ha el i s a -M e nt e n:
Vmax ��[S]
v =� (2.11)
Km +� [S]
Równanie (2.11) pozwala w prosty sposób zdefiniować stałą Michaelisa Km:
gdy: v= 1/2��Vmax to Km = [S]
Stała Michaelisa Km jest to takie stężenie substratu [S], przy którym szybkość reakcji
enzymatycznej równa się połowie szybkości maksymalnej Vmax.
A
atwo wykazać, że:
1. Jeśli [S]<2. Jeśli [S]=Km, to v=1/2��Vmax
3. Jeśli [S]>>Km, to reakcja jest 0 rzędu i v=Vmax.
Odwrotność stałej Michaelisa 1/Km nazywana jest powinowactwem danego enzymy do substratu.
Im mniejsza stała Michaelisa Km, tym większe powinowactwo enzymu do substratu, co pokazuje
poniższy rysunek. Celowo dla obu substratów - S1 i S2  przyjęto identyczne szybkości maksymalne
reakcji Vmax. Km2>Km1, co oznacza, że ten enzym wykazuje większe powinowactwo do substratu S1
aniżeli do S2. Oznacza to, że szybciej przekształca on substrat S1 aniżeli S2.
1
v
v
Vmax
tgą = Km/Vmax
S1 S2
a�
Vmax
1
Km1 Km2 -1
[S]
[S]
Km
Wpływ rodzaju substratu na szybkość reakcji Wykres Lineweavera-Burka
enzymatycznej
Stałe Michaelisa Km dla różnych układów enzym-substrat mogą mieć różne wartości; nawet od
10 2 mola/dm3 do 10 7mola/ dm3.
Stałą Km można wyznaczyć graficznie korzystając ze wzoru Lineweavera-Burka..
52
1 Km 1 1
=� �� +�
v Vmax [S] Vmax
Szczegółowo kinetyką reakcji enzymatycznych zajmuje się enzymologia i tam można znalez
ć więcej danych
odnośnie tematu.
2.2.4. Klasyfikacja i nomenklatura enzymów
Pierwotne nazewnictwo enzymów było nieuporządkowane i dopuszczało stosowanie dowolnych
nazw takich, jak pepsyna, papaina, subtilizyna. W póz
niejszym okresie nazwę enzymu wywodzono od
typu reakcji lub substratu, na który działał, przy czym za charakterystyczną dla enzymów uznano
końcówkę -aza (np. reduktaza, lipaza, itp.).
Od 1964 roku Komisja Enzymowa Międzynarodowej Unii Biochemicznej zaleciła stosowanie
s ys t e ma t yc zn yc h n a zw e n z ymó w , składających się przeważnie z dwu części. Pierwsza jest
utworzona od nazwy katalizowanej reakcji i określa jej rodzaj (np. oksydoreduktaza, glukohydrolaza,
itp.). Druga część nazwy enzymu składa się z nazwy substratu lub substratów biorących udział w
reakcji. Np.:
maltohydrolaza 1,4-ą-D-glukanu (zwana oficjalnie i zwyczajowo �-amylazą) - EC 3.2.1.2,
oksydoreduktaza alkohol:NAD (oficjalnie zwana dehydrogenazą alkoholową) - EC 1.1.1.1.
Nazwy systematyczne enzymów są długie i niekiedy bardzo skomplikowane. Z tego powodu ich
stosowanie napotyka na spory opór ze strony biochemików. Ponadto do wielu enzymów przylgnęły
nazwy stosowane pierwotnie. Dlatego zdecydowano, że obok nazwy systematycznej, dopuszczalne
jest stosowanie nazw zwyczajowych. Ostatnio (po 2000 roku) pojawiła się koncepcja wprowadzenia
tzw. nazw oficjalnych enzymów wywodzących się od nazw zwyczajowych. I tak np. nazwa ą-amylaza
jest w świetle tej koncepcji nazwą oficjalną enzymu sklasyfikowanego pod numerem EC 3.2.1.1.
Należy jeszcze uzupełnić, że pierwotne, zwyczajowe nazwy niektórych enzymów (np. sacharaza,
maltaza) okazały się w świetle aktualnej wiedzy bez pokrycia i dla nich nie zaleca się ich stosowania.
Ponadto zdarza się, że pod jedną i tą samą nazwą zwyczajową są znane nawet trzy różne enzymy, np.
tyrozynaza. Nazwa  tyrozynaza dla dwóch z nich oczywiście jest nazwą błędną.
W numerze 1 czasopisma "Postępy Biochemii" z 1985 roku zamieszczono słownik zalecanych i
zwyczajowych nazw enzymów w języku polskim.
Wszystkie poznane enzymy zostały ujęte przez Komisję Enzymową w jednolity system
klasyfikacji (EC). Każdy enzym w ramach tego systemu posiada odpowiedni numer złożony z
czterech członów liczbowych oddzielonych kropkami (np. dehydrogenaza alkoholowa ma numer EC
1.1.1.1). Podanie tego numeru jednoznacznie określa konkretny enzym, co pozwala uniknąć
nieporozumień i pomyłek. Zasady klasyfikacji i numeracji zbadanych enzymów oparte zostały o ich
specyficzność kierunkową (rodzaj katalizowanej reakcji) i substratową. Wszystkie enzymy podzielono
na sześć głównych klas:
� EC.1. Oksydoreduktazy - enzymy katalizujące reakcje odłączania lub przyłączania atomów
wodoru, przyłączenia atomu tlenu lub przenoszenia elektronów.
� EC.2. Transferazy - enzymy przenoszące grupy funkcyjne, rodniki, fragmenty cząsteczek itp.
� EC 3. Hydrolazy - enzymy katalizujące reakcje hydrolizy.
� EC 4. Liazy - enzymy niehydrolitycznie rozrywające wiązania.
� EC 5. Izomerazy - enzymy katalizujące przemiany wewnątrzcząsteczkowe (racemizacja,
izomeryzacja, przenoszenie grup itp.).
� EC 6. Ligazy - enzymy syntetyzujące, katalizujące tworzenie wiązań.
Każda klasa główna dzieli się na szereg podklas, których kolejne numery stanowią drugi człon
numeru klasyfikacyjnego i wynikają, ogólnie biorąc, z uściślonej specyficzności kierunkowej. Na
przykład EC.3.4. jest numerem podklasy hydrolaz peptydowych, czyli enzymów hydrolizujących
wiązanie peptydowe. W obrębie podklas rozróżnia się pod-podklasy - trzeci człon numeru
klasyfikacyjnego. Określa on dokładniej specyfikę katalizowanej reakcji. Dla oksydoreduktaz określa
grupę funkcyjną będącą akceptorem; dla transferaz uściśla rodzaj przenoszonej grupy; dla hydrolaz -
typ hydrolizowanego wiązania; dla liaz - rodzaj odszczepianej grupy; dla izomeraz - charakter
przekształcenia i wreszcie dla ligaz - rodzaj powstałego związku.
53
Dostęp do internetowej bazy danych dotyczącej nomenklatury enzymów (Enzyme Nomenclature
Database) można znalez
ć pod adresem http://www.expasy.org/enzyme/. Na następnej stronie
przykładowo pokazano stronę internetową ExPASy dla dehydrogenazy alkoholowej  EC 1.1.1.1.
54
Wzór strony ExP A Sy dla EC 1.1.1.1  dehydrogenaza alkoholowa.
Official Name
Alcohol dehydrogenase.
Alternative Name(s)
Aldehyde reductase.
Reaction catalysed
An alcohol + NAD(+) <=> an aldehyde or ketone + NADH
Cofactor(s)
Zinc or Iron.
Comment(s)
�� Acts on primary or secondary alcohols or hemiacetals.
�� The animal, but not the yeast, enzyme acts also on cyclic secondary alcohols.
Cross-references
Biochemical
D8 ; E6 ; J10
Pathways; map
number(s)
PROSITE PDOC00058 ; PDOC00059 ; PDOC00060
BRENDA 1.1.1.1
PUMA2 1.1.1.1
PRIAM enzyme-
1.1.1.1
specific profiles
Kyoto University
1.1.1.1
LIGAND chemical
database
IUBMB Enzyme
1.1.1.1
Nomenclature
1.1.1.1
IntEnz
MEDLINE Find literature relating to 1.1.1.1
P80222, ADH1_ALLMI; P49645, ADH1_APTAU; P06525, ADH1_ARATH;
P41747, ADH1_ASPFL; P12311, ADH1_BACST; Q17334, ADH1_CAEEL;
P43067, ADH1_CANAL; P48814, ADH1_CERCA; P23991, ADH1_CHICK;
P23236, ADH1_DROHY; P48586, ADH1_DROMN; P09370, ADH1_DROMO;
P22246, ADH1_DROMT; P07161, ADH1_DROMU; P12854, ADH1_DRONA;
P08843, ADH1_EMENI; P05336, ADH1_HORVU; P20369, ADH1_KLULA;
Q07288, ADH1_KLUMA; P00333, ADH1_MAIZE; P80512, ADH1_NAJNA;
Q9P6C8, ADH1_NEUCR; P20306, ADH1_ORYSA; P12886, ADH1_PEA;
Swiss-Prot
P14219, ADH1_PENAM; P25141, ADH1_PETHY; O00097, ADH1_PICST;
Q03505, ADH1_RABIT; P22797, ADH1_RANPE; P14673, ADH1_SOLTU;
P80338, ADH1_STRCA; P13603, ADH1_TRIRP; P00330, ADH1_YEAST;
Q07264, ADH1_ZEALU; P20368, ADH1_ZYMMO; P42327, ADH2_BACST;
O45687, ADH2_CAEEL; O94038, ADH2_CANAL; P48815, ADH2_CERCA;
P27581, ADH2_DROAR; P25720, ADH2_DROBU; P23237, ADH2_DROHY;
P48587, ADH2_DROMN; P09369, ADH2_DROMO; P07160, ADH2_DROMU;
P24267, ADH2_DROWH; P37686, ADH2_ECOLI; P54202, ADH2_EMENI;
Q24803, ADH2_ENTHI; P10847, ADH2_HORVU; P49383, ADH2_KLULA;
Zasady klasyfikacji enzymów w podklasach i pod-podklasach.
Oksydoreduktazy. W tej klasie enzymów drugi człon numeru - czyli podklasa - wskazuje, na
jaką grupę funkcyjną lub grupę związków działa dana oksydoreduktaza. Pewnego typu odstępstwo
występuje w podklasach EC 1.13. i EC 1.14. Te dwie podklasy skupiają oksygenazy  enzymy
55
wbudowujące atom lub dwa atomy tlenu do substratów, choć oficjalnie mówi się o
 oksydoreduktazach działających na pojedyncze lub podwójne donory z jednoczesnym
wybudowaniem atomów tlenu .
Poniżej przedstawiono przykłady podklas (w EC 1.13. i EC 1.14. również pod-podklas) w tej
klasie enzymów.
EC 1. Oksydoreduktazy
EC 1.1. działające na grupę  CH
2-OH jako donor
EC 1.2. działające na grupę  CHO lub >C=O jako donor
EC 1.3. odrywające atomy wodoru od  CH -�, prowadząc do  CH=CH-�
2-CH
2
EC 1.4. działające na grupę  CH jako donor
2-NH
2
EC 1.5. działające na grupę -CH-NH- jako donor
EC 1.6. działające na NADH lub NADPH
EC 1.7. działające na inne związki azotowe jako donory
EC 1.8. działające na związki siarki jako donory
EC 1.9. działające na grupę hemową jako donor
EC 1.10. działające na związki difenolowe i pokrewne jako donory
EC 1.11. działające na H O jako akceptor peroksydazy
2 2
Są to p e r o k s y d a z y . W tej podklasie brak jest pod-podklas, stąd ich numer zaczyna się od
EC 1.11.1. Na przykład numer EC 1.11.1.6 odnosi się do k a t a l a z y .
EC 1.12. działające na wodór jako donor
EC 1.13. oksygenazy, enzymy wbudowujące atom lub dwa atomy tlenu do substratu, nie wymagają
dodatkowego donoru wodoru
EC 1.13.11. dioksygenazy- wbudowują dwa atomy tlenu
EC 1.13.12. monooksygenazy  wbudowują jeden atom tlenu
EC 1.14. oksygenazy, enzymy wbudowujące atom lub dwa atomy tlenu do substratu, wymagają
dodatkowego donoru wodoru
Schematycznie, reakcje katalizowane przez te enzymy można przedstawić następująco:
O2 DH2 D O2 DH2
D
OH
X-OH
XH X
XH2
OH
H2O
mechanizm działania
mechanizm działania
dioksygenazy z podklasy EC 1.14.
monooksygenazy z podklasy EC 1.14.
EC 1.14.11. dioksygenazy, DH2 = 2-ketoglutran
EC 1.14.12. dioksygenazy, DH = NADH
2
EC 1.14.13. monooksygenazy, DH = NADH
2
EC 1.14.14. monooksygenazy, DH = FADH lub zredukowany FMN
2 2
EC 1.14.15. monooksygenazy, DH2 = zredukowane żelazowo-siarkowe białka
EC 1.14.16.  EC 1.14.20. monooksygenazy, DH = inne zredukowane związki
2
EC 1.15. działające na ponadtlenki jako akceptory
EC 1.16. utleniające jony metali
EC 1.17. działające na grupy =CH-� lub  CH2-� jako donory
EC 1.18. działające na siarkowo-żelazowe białka jako donory
EC 1.19.  EC 1.21. działające na inne związki jako donory
EC 1.97. inne oksydoreduktazy
W klasie oksydoreduktaz trzeci człon numeru - czyli pod-podklasa - wskazuje, co jest donorem lub
akceptorem atomów wodoru względnie elektronów. Poniżej podano kilka przykładów pod-podklas z
klasy oksydoreduktaz.
EC 1.x.1. akceptorem wodoru jest NAD lub NADP, dehydrogenazy i reduktazy
EC 1.x.2. akceptorem elektronów są cytochromy
EC 1.x.3. akceptorem wodoru jest tlen cząsteczkowy, oksydazy
Oksydazy są flawoproteidami (np. z FAD), metaloflawoproteidami bądz
hemoproteidami. Znane są
dwa typy oksydaz: oksydazy typu I wytwarzają podczas działania wodę, oksydazy typu II wytwarzają
nadtlenek wodoru.
1/2
O2 O2
(koenzym) (koenzym)
XH2 X XH2 X
H2O2
H2O
oksydazy typu I oksydazy typu II
56
Przykładem oksydazy typu I jest oksydaza cytochromu-c (EC 1.9.3.1), a przykładem oksydazy typu II
oksydaza glukozowa (EC 1.1.3.4).
EC 1.x.4. akceptorem są związki disulfidowe (min. liponian) dehydrogenazy (dekarboksylujące)
EC 1.x.5. akceptorem wodoru jest ubichinon dehydrogenazy
EC 1.x.7. akceptorem są żelazo-siarkowe białka
EC1.x.99.z innym akceptorem (najczęściej z FAD) dehydrogenazy
Transferazy. W tej klasie enzymów drugi człon numeru - czyli podklasa - wskazuje, jaką grupę
funkcyjną transportuje dana transferaza. Trzeci człon numeru  pod-podklasa  uściśla o jaki rodnik
chodzi lub wskazuje akceptor przenoszonej grupy.
EC 2. Transferazy
EC 2.1. transportujące grupy jednowęglowe (C )
1
EC 2.1.1. metylotransferazy (-�CH )
3
EC 2.1.2. hydroksymetylo- i formylotransferazy (-�CH -�OH, -�CHO)
2
EC 2.1.3. karboksy-� i karbamoilotransferazy
EC 2.1.4. amidynotransferza (-�CONH )
2
EC 2.2. transportujące grupy aldehydowe lub ketonowe
EC 2.3. Acylotransferazy
EC 2.3.1. transportujące grupy inne niż acetylo-aminowe
EC 2.3.2. aminoacylotransferazy
EC 2.3.3. acylowe grupy przekształcane na alkilowe rodniki podczas transportu
EC 2.4. glikozylotransferazy
EC 2.4.1. heksozylotransferazy
EC 2.4.2. pentozylotransferazy
EC 2.4.99 transportujące inne glikozylowe grupy
EC 2.5. transportujące alkilowe lub arylowe grupy, inne niż metylowe grupy
EC 2.6. transportujące grupy z azotem
EC 2.6.1. Transaminazy aminotransferazy
EC 2.6.2. Oksymotransferazy
EC 2.6.99. transportujące inne grupy z azotem
EC 2.7. transportujące grupy zawierające fosfor
EC 2.7.1. Fosfotransferazy z grupą alkoholową jako akceptorem kinazy
EC 2.7.2. Fosfotransferazy z grupą karboksylową jako akceptorem kinazy
EC 2.7.3. Fosfotransferazy z grupą z azotem jako akceptorem kinazy
EC 2.7.4. Fosfotransferazy z grupą fosforową jako akceptorem kinazy
EC 2.7.6. Difosfotransferazy difosfokinazy
EC 2.7.7. Nukleotydilotransferazy
EC 2.7.8. Transferazy dla innych pochodnych grup fosforowych
EC 2.7.9. Fosfotransferazy z parą akceptorów dikinazy
EC 2.8. transportujące grupy zawierające siarkę
EC 2.8.1. Siarkotransferazy
EC 2.8.2. Siarczanotransferazy
EC 2.8.3. CoA-transferazy
EC 2.8.4. transportujące grupy tioalkylowe
EC 2.8. transportujące grupy zawierające selen
Hydrolazy W tej klasie enzymów drugi człon numeru (podklasa) wskazuje, jakiego rodzaju
wiązanie ulega hydrolizie. Trzeci człon numeru  pod-podklasa  uściśla typ hydrolizowanego
wiązania.
EC 3.Hydrolazy
EC 3.1. działające na wiązanie estrowe
EC 3.1.1. Hydrolazy estrów karboksylowych esterazy, lipazy i laktonazy
EC 3.1.2. Hydrolazy tioestrów
EC 3.1.3. Hydrolazy monoestrów fosforowych fosfatazy i nukleotydazy
EC 3.1.4. Hydrolazy diestrów fosforowych fosfolipazy i fosfodiesterazy
EC 3.1.5. Hydrolazy monoestrów trifosforowych
EC 3.1.6. Hydrolazy estrów kwasu siarkowego
EC 3.1.7. Hydrolazy monoestrów difosforowych difosfatazy
EC 3.1.8. Hydrolazy triestrów fosforowych
EC 3.1.11. ��3.1.31. Egzo- i endorybonukleazy
EC 3.2. Glikozylazy
57
EC 3.2.1. Glikozydazy, i inne enzymy hydrolizujące O- i S-glikozyle
EC 3.2.2. hydrolizujące związki N-glikozylowe
EC 3.3. działające na wiązanie eterowe
EC 3.3.1. Hydrolazy tioeterowe i trialkilosulfonianowe
EC 3.3.2. Hydrolazy eterowe
EC 3.4. działające na wiązanie peptydowe hydrolazy peptydowe
EC 3.4.11. Aminopeptydazy
EC 3.4.13. Dipeptydazy
EC 3.4.14. Dipeptydylo- i tripeptydylo-peptydazy
EC 3.4.15. Peptydylo-dipeptydazy
EC 3.4.16 Karboksypeptydazy serynowego typu
EC 3.4.17 Metalokarboksypeptydazy
EC 3.4.18 Karboksypeptydazy cysteinowego typu
EC 3.4.19 Omega peptydazy
EC 3.4.21. Endopeptydazy serynowe
EC 3.4.22. Endopeptydazy cysteinowe
EC 3.4.23. Endopeptydazy aspartylowe
EC 3.4.24. Metaloendopeptydazy
EC 3.4.25. Endopeptydazy treoninowe
EC 3.4.99. Endopeptydazy o nierozpoznanym mechanizmie działania
EC 3.5. działające na wiązanie C-�N, inne niż peptydowe
EC 3.5.1. w linearnych amidach m.in. amidazy i deacylazy
EC 3.5.2. w cyklicznych amidach
EC 3.5.3. w linearnych amidynach
EC 3.5.4. w cyklicznych amidynach
EC 3.6. działające na bezwodniki kwasowe
EC 3.6.1. w związkach zawierających fosforanowe bezwodniki m.in. difosfatazy
EC 3.6.2. w związkach zawierających sulfonowe bezwodniki
EC 3.6.3. działające na bezwodniki kwasowe; katalizujące przenoszenie transmembranowe
EC 3.6.5. działające na GTP; związane z komórkowym transportem
EC 3.7. działające na wiązanie C-�C
EC 3.7.1. w ketonowych substancjach
EC 3.8. działające na halogenkowe wiązania
EC 3.8.1. w związkach C-�halogen
EC 3.9. działające na wiązanie fosforo-azotowe
EC 3.10. działające na wiązanie siarkowo-azotowe
EC 3.11. działające na wiązanie węglowo-fosforowe
EC 3.11. działające na wiązanie siarkowo-siarkowe
EC 3.11. działające na wiązanie węglowo-siarkowe
Liazy W tej klasie enzymów drugi człon numeru (podklasa) wskazuje, jakiego rodzaju wiązanie
ulega rozerwaniu. Trzeci człon numeru  pod-podklasa  uściśla typ rozrywanego wiązania.
EC 4. Liazy
EC 4.1. Liazy węgiel-węgiel
EC 4.1.1. karboksy-liazy dekarboksylazy
EC 4.1.2. aldehydo-liazy
EC 4.1.3. liazy ketokwasów
EC 4.1.99. inne węgiel-węgiel liazy
EC 4.2. Liazy węgiel-tlen
EC 4.2.1. hydro-liazy dehydratazy
EC 4.2.2. działające na polisacharydy
EC 4.2.3. działające na fosforany syntazy
EC 4.2.99 inne węgiel-tlen liazy
EC 4.3. Liazy węgiel-azot
EC 4.3.1. amoniako-liazy
EC 4.3.2. liazy działające na amidy, amidyny, itp.
EC 4.3.3. amino-liazy
EC 4.3.99. inne węgiel-azot liazy
EC 4.4. Liazy węgiel-siarka
EC 4.5. Liazy węgiel-halogen
EC 4.6. Liazy fosfor-tlen
Izomerazy W tej klasie enzymów drugi człon numeru (podklasa) uściśla typ katalizowanej
reakcji. Trzeci człon numeru  pod-podklasa  wskazuje, jakie związki lub ugrupowania ulegają
izomeryzacji.
EC 5. Izomerazy
58
EC 5.1. Racemazy i epimerazy
EC 5.1.1. działające na aminokwasy i ich pochodne
EC 5.1.2. działające na hydroksykwasy i ich pochodne
EC 5.1.3. działające na węglowodory i ich pochodne
EC 5.1.99. działające na inne związki
EC 5.2. cic-trans izomerazy
EC 5.3. wewnątrzcząsteczkowe oksydoreduktazy
EC 5.3.1. wzajemnie przekształcające się aldozy i ketozy
EC 5.3.2. wzajemnie przekształcające się ugrupowania enolowe i ketonowe tautomerazy
EC 5.3.3. przenoszące wiązania C=C "-izomerazy
EC 5.3.4. przenoszące wiązania S-�S
EC 5.3.99. inne wewnątrzcząsteczkowe oksydoreduktazy
EC 5.4.wewnątrzcząsteczkowe transferazy mutazy
EC 5.4.1. transportujące grupy acylowe
EC 5.4.2. fosfotransferazy fosfomutazy
EC 5.4.3. transportujące grupy aminowe
EC 5.4.99. transportujące inne grupy
EC 5.5. wewnątrzcząsteczkowe liazy
EC 5.99. inne izomerazy
Ligazy W tej klasie enzymów drugi człon numeru (podklasa) wskazuje, jakiego typu wiązanie jest
tworzone. Trzeci człon numeru  pod-podklasa  uściśla, jakiego typu związki lub ugrupowania
powstają w wyniku syntezy.
EC 6. Ligazy
EC 6.1. tworzące wiązanie węgiel-tlen
EC 6.1.1. ligazy tworzące aminoacylo-tRNA i spokrewnione związki
EC 6.2. tworzące wiązanie węgiel-siarka
EC 6.2.1. ligazy kwas-tiol syntetazy acylo-CoA
EC 6.3. tworzące wiązanie węgiel-azot
EC 6.3.1. ligazy kwas-amoniak syntetazy amidowe
EC 6.3.2. ligazy kwas- D-aminokwas syntetazy peptydowe
EC 6.3.3. cyklo-ligazy
EC 6.3.4. inne ligazy tworzące wiązanie węgiel-azot
EC 6.3.5. ligazy wiązania węgiel-azot z glutaminą, jako amido-N donorem
EC 6.4. tworzące wiązanie węgiel-węgiel
EC 6.5. tworzące wiązanie fosforowoestrowe
EC 6.6. tworzące wiązanie azot-metal chelatazy
Izoenzymy
Izoenzymy, to odmiany tego samego enzymu o identycznym centrum aktywnym i mechanizmie
działania, a różniące się w niewielkim stopniu sekwencją aminokwasów w łańcuchu polipeptydowym.
Konsekwencją tego mogą być pewne różnice właściwości fizyko-chemicznych i biologicznych takich
odmian enzymu, np.: różne pI, optymalne pH i temperatura działania, KM i odczyn immunologiczny.
Izoenzymy są umieszczane w Klasyfikacji i Nomenklaturze Enzymów pod tym samym numerem.
Zazwyczaj w komentarzu do danego enzymu wspomina się o jego odmianach i podaje odpowiednie
odnośniki literaturowe.
2.2.5. Czynniki wpływające na efektywność działania enzymów
Zaletą enzymów są łagodne pod względem temperatury, pH i ciśnienia warunki działania, co
obniża koszt procesów, w których uczestniczą oraz pozwala na zachowanie w otrzymanych
produktach cennych, a nieodpornych na drastyczne warunki obróbki, składników. Ponadto przebieg
procesów katalizowanych przez enzymy można łatwo regulować, zmieniając stężenie enzymu bądz

temperaturę lub pH środowiska reakcyjnego.
Do podstawowych czynników określających przebieg (kinetykę) reakcji enzymatycznych należą:
pH środowiska, temperatura, stężenie jonów, potencjał oksydoredukcyjny, obecność inhibitorów,
aktywatorów oraz stabilizatorów (substancji hamujących lub podwyższających efektywność działania
enzymu) i oczywiście tak istotne parametry procesu, jak stężenie enzymu i substratu, o czym mowa
była już wcześniej. Optymalne pH
59
pH środowiska. Szybkość reakcji enzymatycznych w znacznym stopniu zależy od pH
środowiska. Każdy enzym wykazuje charakterystyczne dla siebie optimum pH. Na poniższym
rysunku przedstawiono wpływ pH na aktywność trzech endopeptydaz: pepsyny, metaloproteinazy z
Bacillus subtilis oraz subtilizyny.
metaloproteinaza
100
subtilizyna
pepsyna
B.subtilis
80
60
40
20
0
0 2 4 6 8 10 12
pH
Wpływ pH na aktywność trzech różnych endopeptydaz
Jak widać, każda z tych endopeptydaz działa w zupełnie innym zakresie pH: pepsyna w
środowisku kwaśnym (optymalne pH 1,8), metaloproteinaza w obojętnym (optymalne pH 7,3), a
subtilizyna w alkalicznym (optymalne pH 10,2). Związane jest to z wpływem stężenie jonów
hydronowych na konformację centrum aktywnego każdej z nich. Pepsyna, której aminokwasem
bezpośrednio działającym w centrum aktywnym jest kwas asparaginowy, wymaga jego formy
niezdysocjowanej (czyli grupy -COOH). Grupa taka w przewadze występuje w środowisku kwaśnym.
Endopeptydazy serynowe, których centrum aktywne opisano wyżej, wymagają do aktywnego
działania zdysocjowanej formy kwasu asparaginowego (grupy karboksylanowej  COO-), która
występuje w przewadze w środowisku alkalicznym.
Należy ponadto zwrócić uwagę na to, że o ile subtilizyna jest aktywna w szerokim zakresie pH od
6 do 11, to pozostałe dwie proteinazy działają w bardzo wąskim przedziale pH i niewielkie jego
zmiany wykazują znaczny wpływ na wzrost lub obniżenie ich aktywności. Optymalne pH niektórych
enzymów (np. aktywność subtilizyny) zmieniać się może w zależności od substratu na który działają,
choć są to wahania nie większe niż 0.5 jednostki (np. subtilizyna wobec hemoglobiny optimum pH
wykazuje przy 10,2, a wobec kazeiny 10,5).
Optymalna temperatura. Temperatura z jednej strony przyspiesza samą reakcję enzymatyczną, z
drugiej jednak przyspiesza denaturację enzymu,
co wiąże się z jego inaktywacją. Na poniższym
100
rysunku przedstawiono wpływ temperatury na
80
aktywność subtilizyny. Do osiągnięcia pewnej
60
granicznej wielkości (w tym przypadku
40
temperatury 60��C), szybkość reakcji
katalizowanej przez ten enzym wzrasta, podobnie
20
jak to się dzieje przy wszystkich reakcjach
0
chemicznych, a następnie dość gwałtownie spada
-20 0 20 40 60 80
do wartości zerowych. Większość enzymów
Temperatura [oC]
drobnoustrojowych najefektywniej działa w
Wpływ temperatury na aktywność subtilizyny
granicach 60��C. Enzymy roślinne i zwierzęce z
reguły już powyżej 40-50��C ulegają denaturacji. Znane są enzymy z bakterii termofilnych,
wykazujące optimum działania nawet w temperaturach sięgających 90��C.
Stabilność enzymów w roztworach wodnych. Jak już wspomniano pH środowiska i temperatura
bezpośrednio wpływają na szybkość reakcji enzymatycznej. Jednakże mogą również niekorzystnie
oddziaływać na sam enzym, prowadząc do jego inaktywacji. Dlatego niezbędna jest znajomość
wpływu tych dwóch czynników na aktywność enzymu w subtilizyny stabilność subtilizyny warunkach
rzeczywistych lub do nich zbliżonych, panujących podczas procesu prowadzonego z jego udziałem.
60
Aktywność względna [%]
Aktywność względna [%]
Większość enzymów jest względnie stabilna w obszarze pH zbliżonym dla ich optymalnego działania,
jakkolwiek nie jest to regułą. Na rysunku 3 przedstawiono wpływ pH na stabilność subtilizyny. Jej
optymalne pH (porównaj rys.1) przekracza 10, jednakże obszar stabilności tego enzymu w warunkach
przykładowej reakcji (1% kazeiny, 45 C, 60 min.) zawarty jest w zakresie 6.5-9.5, a w pH zbliżonym
do optymalnego straty aktywności (w wyniku postępującej autolizy) sięgają 50% wyjściowej.
100
80
Z dodatkiem
1% CaCl2
60
w buforze
40
Preinkubacja:
20
45��C, 60min
0
3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
pH
Wpływ pH na stabilność subtilizyny w roztworze buforowym i z dodatkiem 1% CaCl2
Dużo poważniejsze straty enzymu spowodowane mogą być wpływem podwyższonej temperatury
reakcji. Znaczna część enzymów jest bardzo wrażliwa na ten czynnik (wyjątkiem są niektóre enzymy
termostabilne otrzymywane ze szczepów drobnoustrojów termofilnych). Na rys.4 pokazano wpływ
temperatury na zachowanie się subtilizyny podczas przykładowego procesu hydrolizy kazeiny (1%
roztwór substratu w buforze o pH 9).
100
20��C
80
40��C
60
Z dodatkiem
1%CaCl2 60��C
40
Preinkubacja:
20
w buforze o pH 9
60��C
70��C
0
0 15 30 45 60 75 90 105 120
c z as [minuty ]
Wpływ temperatury na stabilność subtilizyny w roztworze buforowym i z dodatkiem 1%CaCl2
Należy wyraz
nie zaznaczyć, że subtilizyna (konsekwentnie w tekście niniejszego opracowania
rozpatrywana jako enzym modelowy) jest wyjątkowo odporna na działanie wielu czynników fizyko-
chemicznych, w tym temperatury. Tym niemniej w warunkach testu, po 40 minutach reakcji
prowadzonej w 60 C straty jej aktywności sięgają 70%. W tym samym czasie w temperaturze 70 C
enzym ulega już pełnej inaktywacji. Natomiast w 50��C po 60 minutach straty enzymu są stosunkowo
niewielkie i wynoszą 36%. Oczywiście, ostatecznego wyboru temperatury dokonuje się po
szczegółowej analizie wyników wszystkich badań, uwzględniającej aspekty technologiczne i
ekonomiczne procesu. Przy tego typu analizach przydatne jest wyznaczenie produktywności reakcji
enzymatycznej w kilku wytypowanych temperaturach (rys.5). Wybór optymalnej temperatury
skojarzony jest w tym przypadku z czasem procesu, który może być determinowany innym
czynnikiem (np. kosztem energii).
61
Aktywność względna [%]
Aktywność względna [%]
Rys. 5 Produktywność subtilizyny w hydrolizie kazeiny
Inhibitory, aktywatory, stabilizatory.
Oprócz wymienionych wyżej czynników inaktywujących działanie enzymów, istnieje grupa
substancji zdolnych do wybiórczego hamowania ich aktywności katalitycznej (są to tzw. inhibitory
specyficzne). W opracowaniu pominięto szczegóły dotyczące tego działu enzymologii. Należy jednak
wiedzieć, że tego typu naturalne inhibitory występują w przyrodzie, co może mieć istotne znaczenie
dla aplikacji enzymów w niektórych przypadkach. Przykładem mogą być specyficzne inhibitory
proteinaz serynowych (w tym subtilizyny) znalezione m.in. w ziemniakach czy soi, które skutecznie
blokują aktywność tej grupy enzymów.
Istnieje wiele typów cząsteczek , które są zdolne do zakłócania aktywności danego enzymu.
Każda cząsteczka działająca bezpośrednio na enzym w kierunku zmniejszenia jego aktywności
katalitycznej jest określana jako inhibitor. Pewne inhibitory enzymów są normalnymi metabolitami
komórkowymi, które hamują dany enzym w ramach naturalnej metabolicznej kontroli odpowiedniego
szlaku. Inne inhibitory mogą być substancjami obcymi dla organizmu, takimi jak toksyny i leki, i w
tym przypadku hamowanie enzymu może mieć działanie terapeutyczne , ale również letalne.
Rozróżnia się dwa główne typu inhibicji : - nieodwracalną - odwracalną.
Inhibicję odwracalną można podzielić na:
1) kompetycyjną
2) niekompetycyjną
Inhibicja nieodwrcalna polega na wiązaniu się inhibitora i enzymu w sposób trwały ,
nieodwracalny, często tworząc wiązania kowalencyjne z resztami aminokwasów, znajdującymi się w
miejscu aktywnym lub jego pobliżu i w ten sposób inaktywują enzym na stałe. W wiązaniu tym biorą
udział reszty Ser i Cys mające , odpowiednio, reaktywne grupy -OH i -SH . Przykładem może być
związek diizopropylofluorofosforan (DFP) , składnik gazów bojowych (soman) działający na układ
nerwowy, reaguje z resztą Ser w miejscu aktywnym enzymu esterazy acetylocholinowej,
nieodwracalnie hamując enzym i uniemożliwiając przekazywanie impulsów nerwowych.
Inhibitor kompetycyjny jest zazwyczaj strukturalnie podobny do normalnego substratu danego
enzymu. Dzięki temu współzawodniczy z cząsteczkami o wiązanie się z miejscem aktywnym. Enzym
może się wiązać albo z cząsteczkę substratu, albo cząsteczkę inhibitora, ale nie z obiema
jednocześnie. Inhibitor kompetycyjny wiąże się z miejscem aktywnym odwracalnie. Przy dużych
stężeniach substratu działanie inhibitora kompetycyjnego zostaje przezwyciężone , ponieważ duże
stężenie substratu będzie z powodzeniem współzawodniczyć z cząsteczką inhibitora o wiązanie się w
miejscu aktywnym. Nie nastąpi więc żadna zmiana w wartości Vmax enzymu , ale w obecności
inhibitora kompetycyjnego zmniejsza się powinowactwo enzymu do jego substratu i dlatego wratośc
62
Km wzrasta. Przykładem hamowania kompetycyjnego może być dehydrogenaza bursztynianowa.
Enzum ten używa bursztyniany jako substratu i jest hamowany kompetycyjnie przez malonian, który
różni się od bursztynianu posiadniem tylko jednej, a nie dwóch grup metylenowych.
Inhibitor niekompetycyjny wiąże się odwracalnie w innym miejscu enzymu niż jego miejsce
aktywne i powoduje zmianę przestrzennego kształtu enzymu, co prowadzi do zmniejszenia
aktywności katalitycznej. Ponieważ inhibitor wiąże się w innym miejscu niż substrat, enzym może
wiązać albo inhibitor, albo substrat równocześnie. Efektu inhibitora niekompetycyjnego nie można
przezwyciężyć przez zwiększanie stężenia substratu i dlatego zmniejsza się wartość Vmax . W inhibicji
niekompetycyjnej powinowactwo enzymu do substratu pozostaje nie zmienione, a więc wartość Km
nie zmienia się . Przykładem inhibicji niekompetycyjnej jest działanie pepstatyny na enzym reninę .
Na działanie enzymów wpływ mogą wywierać jony obecne w środowisku reakcyjnym. Jony
dwuwartościowych metali, jak magnez, wapń, cynk, mangan lub kobalt w specyficzny sposób
aktywują wielu enzymów (t.zn. zwiększa- ją szybkość reakcji przez nie katalizowanej). Aktywatorami
mogą być też aniony np. amylaza ślinowa jest aktywowana jonami Cl . Jony metali mogą wykazywać
również wpływ stabilizujący na enzym (tzn. podwyższać jego stabilność wobec niekorzystnego
wpływu m.in. pH i temperatury). Przy- kładem może być wpływ jonów Ca na subtilizynę. Na rys. 3 i
4 pokazano, że jony te podwyższają termostabilność subtilizyny (z 50 do 60 C) i jej trwałość w
alkalicznym środowisku (z pH 9.5 do 10.5). Natomiast jony wielu metali ciężkich (np. Hg, Cu, Pb) są
63
silnymi inhibitorami enzymów (tzn. inaktywują one enzym, tym samym hamując reakcję
przebiegającą przy jego udziale). Jest to inhibicja niespecyficzna, której podlegają wszystkie znane
enzymy. Istnieje ponadto wiele innych substancji mających zdolność niespecyficznej inaktywacji
enzymów (związanej ze zniszczeniem naturalnej struktury białka). Do nich zalicza się mocznik,
aldehyd mrówkowy czy glutarowy, silne utleniacze (np. nadmanganian lub chlor).
Koncentracja wody.
W praktyce nie wszystkie reakcje katalizowane przez enzym przebiegają do końca. Należy
bowiem pamiętać, że są one odwracalne i po pewnym czasie ustala się równowaga pomiędzy reakcją
przebiegającą do "przodu" i odwrotną. Jednym z czynników wpływających na ich stałą równowagi
może być stężenie wody w środowisku reakcyjnym. Dotyczy to zwłaszcza prze- mian, w których
woda jest jednym z reagentów (np. w reakcjach enzymatycznej hydrolizy). Wykazano, że stężenie
wody decyduje o kierunku ich przebiegu. I tak, subtilizyna w środowisku wodnym katalizuje
hydrolizę wiązań peptydowych w białkach lub wiązań estrowych w licznych estrach, natomiast w
środowisku bezwodnym lub o obniżonej koncentracji wody katalizuje rewersję tych reakcji. Dla
pożądanego przesunięcia stałej równowagi takich reakcji stosuje się rozmaite zabiegi. M.in. rewersję
enzymatycznej hydrolizy (czyli syntezę) osiąga się, stosując w środowisku reakcyjnym
rozpuszczalniki organiczne, prowadząc proces w układzie dwufazowym (z rozpuszczalnikiem
apolarnym nasyconym wodą), korzystnie z immobilizowaną formą enzymu itp. Obecnie jest to jeden z
najbardziej preferowanych kierunków badawczych, m.in. z uwagi na potencjalnie możliwe do
uzyskania efekty (również o charakterze aplikacyjnym w wielu procesach przemysłowych).
Charakterystyka biokatalizatorów przemysłowych
Termin "biokatalizatory przemysłowe" (używany obecnie w bardzo szerokim znaczeniu) oznacza
katalizatory otrzymywane w skali przemysłowej na drodze biologicznej. Pod tym pojęciem rozumie
się zarówno enzymy: natywne, spreparowane rozmaitymi technikami (np. ich immobilizowane
formy), ich mikstury, rozmaite proszki zawierające ich dodatek, jak i komórki: całe lub ich fragmenty,
żywe i martwe.
Enzymy wyodrębniane są z tkanek zwierzęcych lub roślinnych oraz wytwarzane przez
drobnoustroje. Te pochodzące z dwóch pierwszych wymienionych z
ródeł występują na rynku
stosunkowo w małych ilościach i są względnie drogie. Niektóre z nich: renina, pepsyna, trypsyna,
papaina i bromelaina są ekstrahowane ze spożywczych surowców.
Tabela 1 Enzymy produkowane przez mikrobiologiczną fermentację (adaptowane z Trampera, 1994).
Enzym Substrat Mikroorganizm
a�-amylaza Skrobia Bacillus amyloliquefaciens,
Bacillus licheniformis
b�-amylaza Skrobia Bacillus polymyxa
Amyloglukozydaza Dekstryny Aspergillus niger
(glukoamylaza) Rhizopus niveus
Celulazy Celuloza Phanerochaete chrysosporium
Trichoderma reesei
Izomeraza glukozowa Glukoza Actinoplanes missouriensis
Streptomyces murinus
Streptomyces olivochromogenus
Oksydaza glukozowa Glukoza Aspergillus niger
b�-glukozydaza Maltoza Aspergillus niger
Bacillus amyloliquefaciens
Saccharomyces cerevisiae
64
Lipazy Lipidy Aspergillus niger
Candida rugosa
Geotrichum candidum
Rhizopus arrhizus
Pektynoesteraza Pektyna Aspergillus niger
Aspergillus oryzae
Proteinaza alkaliczna Białka Aspergillus oryzae
(serynowa) Bacillus licheniformis
Bacillus subtilis
Proteinaza kwaśna Białka Aspergillus oryzae
(pepsyno-podobna) Aspergillus saitoi
Proteinaza kwaśna (renino- białka Endothia parasitica
podobna) Mucor michei
Mucor pusillus
Proteinaza obojętna białka Bacillus stearothermophilus
Bacillus subtilis
Pullulanaza Amylopektyna Aerobacter aerogenes
Bacillus cereus var.mycoides
W wyniku rozwoju biotechnologii, mikroorganizmy stanowią podstawowe z
ródło enzymów.
Zastosowanie mutacji i specjalnych technik selekcji drobnoustrojów pozwoliło osiągnąć wysoki
poziom produkowanych przez nie enzymów, w niektórych przypadkach sięgający 10% wszystkich
wytwarzanych białek . Ponadto użycie dużych fermentorów (do 300 m ) sprawia, że obecnie w
krótkim czasie i przy niskich kosztach produkuje się na skalę przemysłową olbrzymie ilości
rozmaitych enzymów (tabela 1).
Niezależnie od z
ródła pochodzenia enzymy mogą katalizować te same reakcje chemiczne, ale nie
muszą posiadać identycznej budowy chemicznej, a tym samym mogą znacznie różnić się optymalnymi
warunkami działania. I tak na przykład ą -amylaza katalizuje hydrolizę wiązań U
-1,4- między
cząsteczkami D-glukozy w polisacharydach, takich jak amyloza. ą-amylaza trzustkowa posiada
optymalne pH około 7 i optymalną temperaturę 37 C, podczas gdy enzym ten wyodrębniony z
Aspergillus oryzae - optymalne pH 4,7 i optymalną temperaturę działania 50 C, a z Bacillus subtilis
odpowiednio pH 6,5 i 75 C. W zasadzie te dwa parametry (pH i temperatura) decydują o możliwości
zastosowania enzymów w procesach produkcji środków spożywczych przebiegających w różnych
warunkach (np. w różnych gałęziach przemysłu spożywczego). Fakt ten tłumaczy występowanie na
rynku rozmaitych preparatów homologicznych enzymów. Należy jednak mieć na uwadze, że tylko
część drobnoustrojów i wytwarzanych przez nie bioproduktów (w tym enzymów) traktowana jest jako
nieszkodliwa dla stosowania w środkach spożywczych (tabela 2).
W ogólnym zarysie proces produkcji enzymów drobnoustrojowych polega na hodowli
wyselekcjonowanych kultur mikroorganizmów na specjalnie opracowanych dla każdej z nich
pożywkach, z zachowaniem specyficznych warunków fizycznych środowiska hodowlanego, a w
następnym etapie wyodrębnieniu wytworzonego enzymu. Jeśli enzym jest nagromadzany
pozakomórkowo, to można go wyodrębnić z podłoża pohodowlanego na drodze wirowania lub
filtracji. Filtrat lub supernatant poddaje się ogólnie stosowanym proce- durom wydzielania i
oczyszczania białek. Jeśli zanieczyszczenia zawarte w preparacie nie działają ujemnie na własności
katalityczne enzymu oraz nie stanowią toksykologicznego zagrożenia dla konsumenta nie zachodzi
konieczność poddawania ich skomplikowanym i drogim procesom oczyszcza- nia. W dużej mierze
przeznaczenie enzymu decyduje o stopniu czystości jego handlowych preparatów. Ogólnie biorąc,
preparaty enzymów wykorzystywane dla celów analitycznych charakteryzują się najwyższą czystością
(niekiedy są one homogennym białkiem enzymatycznym). Również enzymy stosowane w farmacji
posiadają wysoką czystość. Natomiast te same enzymy przeznaczone dla przemysłu spożywczego nie
wymagają już tak wysokiego stopnia czystości. Dla niektórych technologii nie muszą być nawet
wyjaławiane. Coraz częściej dla konkretnego procesu wytwarza się specjalnie przeznaczony preparat
enzymu, dobierając jego aktywność tak, aby dodana ilość wynosiła 0.05-0.5 % na kg substratu.
65
Tabela 1 Mikroorganizmy używane dla produkcji enzymów (adaptowane z Gacesa i Hubble, 1987).
Grupa A Mikroorganizmy tradycyjnie używane w produkcji żywności (nie wymagające
testowania)
-� Bacillus subtilis (włączając szczepy znane jako mesentericus, natto i
amyloliquefaciens),
-� Aspergillus niger (włączając awamori, foetidus, phoenicis, saitoi i usamii),
-� Asp. oryzae (włączając sojae i effesus)
-� Mucor javanicus
-� Rhizopus arrhizus, oligosporus, oryzae
-� Saccharomyces cerevisiae
-� Kluyveromyces fragilis, lactis
-� Leuconostoc oenos
Grupa B Mikroorganizmy uważane za nieszkodliwe w żywności (enzymy wytwarzane
przez nie, testowane są jedynie pod kątem ewentualnej toksyczności)
-� Bacillus stearothermophilus, licheniformis, coagulans, megaterium, circulans,
-� Klebsiella aerogenes
Grupa C Mikroorganizmy nie włączone do grup A i B (ewentualne stosowanie enzymów
produkowanych przez nie w produkcji żywności, wymaga specjalistycznych
testów)
-� Mucor miehei, pusillus
-� Endothia parasitica
-� Actinoplanes missouriensis
-� Streptomyces albus, olivaceus
-� Bacillus cereus
-� Trichoderma reesei (T. viride)
-� Penicillium dimorphosporum, simplicissium, funiculosum
Zwykle handlowe preparaty zawierają od 2 do 10% suchej masy czystego enzymu. Reszta to
zanieczyszczenia pochodzące z podłoża hodowlanego (np. inne białka wytworzone przez rosnącą
kulturę, niektóre z nich będące również enzymami) oraz celowo dodane stabilizatory, wypełniacze itp.
Z aplikacyjnego punktu widzenia istotna jest zwłaszcza wiedza na temat enzymów stanowiących
zanieczyszczenie handlowych preparatów. Niektóre z nich mogą bowiem katalizować niekorzystne,
uboczne reakcje chemiczne. Niekiedy jednak gotowe preparaty celowo są mieszaniną kilku enzymów
(np. preparaty typu "Protogal" przeznaczone dla detergentów, a otrzymywane w oparciu o technologię
opracowaną w Instytucie Biochemii Technicznej PA
zawierają w swoim składzie proteinazę, U
-
amylazę i lipazę- wszystkie trzy przydatne w środkach piorących).
Przeznaczenie preparatu enzymatycznego określa jego postać końcową. Mogą być one
otrzymywane w postaci ciekłego koncentratu lub ciała stałe- go, o różnym stopniu oczyszczenia,
ewentualnie z dodatkiem stabilizatorów. Preparaty enzymatyczne w stanie stałym charakteryzują się
znacznie wyższą stabilnością od preparatów ciekłych. Te drugie podatne są na działanie
drobnoustrojów, a ponadto w środowisku wodnym enzym ulega łat- wiej denaturacji i dodatkowo
narażony jest na działanie enzymów proteolitycznych, których obecność w gotowych preparatach
(choćby w nieznacznych ilościach) jest dość powszechna. Preparaty stałe enzymu nie powinny być
pyliste (z uwagi na możliwość wywołania reakcji alergicznych u pracowników), stąd najczęściej
wytwarzane są w postaci granulowanej.
Zasadniczym przełomem w biotechnologii było zastosowanie enzymów immobilizowanych. W
uogólnieniu, immobilizacją enzymu można nazwać za- biegi umożliwiające wielokrotne jego użycie.
Jeden ze sposobów immobilizacji polega na unieruchomieniu enzymu na nośniku. Takie formy
enzymów w wielu przypadkach wykazują wyższą stabilność od natywnych enzymów, zarówno w
66
trakcie przechowywania jak i w warunkach samej reakcji bio- chemicznej. Jednakże największa
korzyść związana jest z możliwością ich wielokrotnego stosowania, w tym w procesach o charakterze
ciągłym (np. w reaktorze o działaniu ciągłym z immobilizowaną izomerazą glukozową produkuje się
wysoko fruktozowy syrop). Metody stosowane w immobilizacji enzymów mogą być również
wykorzystane w unieruchamianiu komórek zarówno martwych jak i żyjących. Unieruchomione
biokatalizatory (enzymy i komórki) są szczególnie obiecujące w zastosowaniu do procesów
przetwórstwa żywności. Chemiczne katalizatory nie mogą konkurować z enzymami, chociażby ze
względu na przepisy sanitarne obowiązujące w produkcji żywności. Najnowszym kierunkiem badań w
tym zakresie jest ko-immobilizacja enzymów, czyli jednoczesne unieruchomienie na wspólnym
nośniku dwu lub więcej enzymów przeznaczonych do katalizowania pojedynczego procesu.
Cena preparatów enzymatycznych jest bardzo zróżnicowana (od 3 $/kg w przypadku preparatu
glukoamylazy przeznaczonego do scukrzania dekstryn, aż do 1 miliona $/kg w przypadku czynnika
VIII enzymów trombolitycznych stosowanych w medycynie). Zależy ona od wiele czynników, w tym
tak oczywistych jak koszty produkcji (a głównie stopień oczyszczenia enzymu), ale także w dużej
mierze zależy od rynkowego zbytu, konkurencyjności i skuteczności działania (ich produktywności w
aplikacyjnych warunkach). Ogólnie biorąc, najdroższe są enzymy przeznaczone dla analityki, a naj-
tańsze stosowane masowo w różnych gałęziach przemysłu (tabela 3). Przyjmuje się ponadto, że koszt
aplikacyjny enzymów przemysłowych powinien stanowić 2-4 % kosztów całego procesu, co w pewien
sposób determinuje ich cenę.
Tabela 2 Wielkość produkcji enzymów i ich cena (adaptowane z Trampera, 1994)
Typ aplikacji Wielkość produkcji (tony) Cena ($/kg)
Analityka 10-3 - 1 106  109
Farmacja 1  102 102  105
Specjalna 1  102 102  105
Przemysł masowy 102  104 3  50
Potencjał aplikacyjny enzymów tkwi w specyficzności i ich katalitycznej wydajności, przy czym
działają one w umiarkowanych warunkach pH, temperatury i ciśnienia zapewniając wysoką
wydajność nawet w skomplikowanych reakcjach lub ich ciągach. Jednakże z aplikacyjnego punktu
widzenia dla każdego konkretnego procesu i enzymu w nim biorącego udział konieczna jest
skojarzona optymalizacja temperatury, pH środowiska reakcyjnego, stężenia reagentów oraz innych
parametrów technologicznych. Niepowodzenia napotykane niekiedy w stosowaniu enzymów w
krajowych technologiach, o których się nieraz słyszy, wynikać mogą z niepełnej wiedzy o
właściwościach samych enzymów, ich preparatów lub procesach, w których biorą udział.
67
ROZDZIAA
3. BIOCHEMIA GENÓW
DNA
RNA
Nukleotyd
H3PO4
H3PO4
Nukleozyd
ryboza
deoksyryboza
zasady purynowe
i pirymidynowe
'
'
HOH2C5 O OH
HOH2C5 O OH
6
N N
1 5
N3 4 5 C C
7 C C
4'
4'
1'
1'
2
4 H H
2 8 H H
6
3 9
1
H
H
2'
2' 3' H
3' H
N N
N
C C
C C
H
OH OH H
OH
pirymidyna puryna
b�-�D-deoksyryboza
b�-�D-ryboza
NH2 OH
OH
NH2
OH
CH3 N
N N N
N
N
N
N N H2N N N
O N
O N
O N
H H
H H
H
cytozyna
uracyl
adenina
tymina
guanina
68
Biochemia ma olbrzymie znaczenie praktyczne dla wielu dziedzin życia codziennego, w tym
również w przemyśle spożywczym. Powstały nowe gałęzie przemysłu spożywczego oparte na
osiągnięciach biochemii (m.in. biotechnologia). Wielka rola przypada biochemii w unowocześnianiu
procesów technologicznych przemysłu spożywczego oraz w opracowaniu nowych metod przeróbki
surowców (a zwłaszcza wykorzystania enzymów). Dzięki temu udaje się zredukować do minimum
różnorodne straty zarówno ilościowe, jak i jakościowe, wynikające z procesów niepożądanych dla
technologii.
69
70
PISMIENNICTWO
Stryer L.: Biochemia, PWN, W-wa 1986
Gacesa P., Hubble J.: Enzyme technology. Open University Press, 1987.
Chaplin M.F., Bucke C.: Enzyme technology. Cambridge University Press, 1990.
Chmiel A., Biotechnologia, PWN, W-wa 1991
Murray R.K., Granner D.K., Mayes P.A., Rodwell V.W.: Biochemia Harpera, Wyd. Lekarskie
PZWL, W-wa 1994
Tramper J. W: Applied Biocatalysis. ed.by Cabral J.M.,Best D.,Boross L., and Tramper J.,
Harwood Ac. Publish., 1994, s.1-45
Galas E.: Wiadomości chemiczne (1984), 11, 11-30
Galas E., Trzmiel T.: Kosmos (1989), 38, 15-24
71
Dodatek
Lip
S
O
NH2
CONH2
H3C
N
NH
N N
+
N
H3C N N O
N N
CH2O OH2C
P P
CH2
O
OH HO
CHOH
CHOH
O
CHOH
OH OH ( )
P
CH2O P adenozyna
P
dinukleotyd nikotynamidoadeninowy (NAD)
dinukleotyd flawinoadeninowy (FAD)
i jego fosforan (NADP)
O
CH2
H3C ( )n H Enzym-NH
C CH2 CH2 CH2 CH2 CH CH2
O
H3C CH3
S S
O
liponian
NH2
ubichinon (Q)
N N
CH3
HOOC CH2 CH2 CH3
N N
CH2 S CH2
O
+
CH2
HC CH
CHNH2
N
CH3
HOOC CH2 CH2 COOH
OH OH
N Fe+3 N
adenozynometionina
CH
H3C
N CH2
HC CH
OH
CH CH3
H
O COOH
N
CH2
N CH2 NH C NH CH
CH2
hemina (porfiryna)
H2N N N
CH2
H
COOH
kwas tetrawodorofoliowy (H4folian)
O
HN NH
CH2
+ CH3
N N
NH-Enzym
CH2 CH2 O P P
S C
H3C N NH2
S
O
biotyna
difosfotiamina (DPT)
O
H
C
HO CH2OH
CH3 O
adenozyno-5`-fosforan
P O CH2 C CH C NH CH2 CH2 SH
P
H3C N
CH3OH
pirydoksal
koenzym A (CoA-SH)
72