Jasminka Nikolić
BIOHEMIJA
ZA STUDENTE
POLJOPRIVREDNOG FAKULTETA
Banja Luka, 2007.
SADRŽAJ
Enzimi.............................................................................................................2
Vitamini i koenzimi.......................................................................................21
Transport elektrona i oksidativna fosforilacija..............................................35
Ugljeni hidrati ..............................................................................................47
Masne kiseline...............................................................................................87
Fosfolipidi.....................................................................................................98
Aminokiseline i peptidi..............................................................................102
Nukleinske kiseline.....................................................................................117
Sinteza proteina.......................................................................................... 125
Kvaternerni nivo strukture
nastaje udruživanjem manjeg broja subjedinica, nazvanih
protomeri (monomeri) koji se sastoje od jednog polipeptidnog lanca sa karakterističnom
konformacionom strukturom. Na ovakav način nastaje oligomerni (polimerni) molekul
proteina, npr. tetramerna molekula laktat dehidrogenaze. Ukoliko su protomeri identični,
enzim se naziva homopolimer, a ukoliko sadrži različite protomere zove se heteropolimer (ili
hibridni oblik). Enzimi jedino u oligomernom obliku ispoljavaju katalitičku aktivnost,
odnosno, aktivnost enzima se gubi u slučaju razdvajanja subjedinica.
Svako narušavanje strukture enzima dovodi do gubitka aktivnosti, a proces se naziva
denaturacija
proteina. Ukoliko proces denaturacije nije otišao suviše daleko, moguće je da
bude reverzibilan, jer molekuli enzima imaju tendenciju da povrate svoju uobičajenu
konformaciju. Za renaturaciju je neophodno da se postignu optimalni uslovi, koji su vezani za
temperaturu, pH, pufer, jonsku jačinu, rastvarač i koncentraciju proteina. Dugotrajna, ali
snažna denaturacija dovodi do trajnog gubitka enzimske aktivnosti, jer enzim prelazi iz
nativnog stanja u koloidni gel, koji ima drukčije fizičke osobine. Pri tom procesu raskidaju se
intramolekulske hemijske veze, pri čemu dolazi do promjene sekundarne i tercijarne strukture.
Denaturacija može da se dogodi usljed povišene temperature, a nastaje trenutno ako je
temeratura viša od 60°C. Mehanička i hemijska energija, oksidaciona i redukciona sredstva,
organski rastvarači i ekstremne vrijednosti pH sredine takođe mogu da dovedu do
denaturacije. Posebnu grupu sredstava za denaturaciju sačinjavaju niskomolekularna
jedinjenja visoke rastvorljivosti, urea i gvanidin, koji kidaju vodonične veze i hidrofobne
interakcije.
AKTIVNI CENTAR ENZIMA
Prilikom ispitivanja strukture enzima konstatovano je da za katalitičku aktivnost
enzima nije neophodan cjelokupni peptidni lanac. Regija u molekulu enzima koja neposredno
učestvuje u vezivanju supstrata naziva se
aktivni centar.
Sastavljen je iz malog broja
funkcionalnih grupa, a ukoliko se radi o proteid-enzimu, u sastav aktivnog centra ulazi i
kofaktor (koenzim, metalni jon…). Osnovna je karakteristika aktivnog centra da hemijske
grupe koje ga izgrađuju pripadaju veoma udaljenim aminokiselinskim ostacima, ali su one
približene zahvaljujući sekundarnoj i tercijarnoj strukturi enzima.
U sastav aktivnog centra najčešće ulaze: imidazolov prsten histidina, epsilon amino
grupa lizina, karboksilne grupe glutaminske i asparaginske kiseline, gvanidino grupa i
hidroksilna grupa serina i treonina. Iako aktivni centri više enzima mogu da imaju istu građu,
to ne znači da katalizuju iste reakcije. Ovu pojavu objašnjava činjenica da u procesu vezivanja
supstrata za enzim ne učestvuje samo aktivni centar, već i susjedne, prostorno bliske,
hemijske grupe. Neke od hemijskih grupa aktivnog centra direktno učestvuju u spajanju
supstrata sa enzimom i u transformaciji supstrata u produkt. Ovakve hemijske grupe se
nazivaju
katalitičke grupe.
Njima znatno pomaže tzv.
kontaktne grupe,
koje utiču na
približavanje molekule supstrata.
Svaka molekula enzima ima najmanje jedan, ali je moguće i više aktivnih centara.
Neki enzimi imaju blokiran aktivni centar određenim fragmentom peptidnog lanca, a u
takvom obliku nazivaju se
proenzimi.
Obično se otcjepljenjem jednog dijela peptidnog lanca
"deblokira" molekula enzima i prelazi u aktivan oblik.
Fisherov model
Koshlandov model
Odgovor na pitanje, kako se vezuju enzim i supstrat, prvi je pokušao da dâ Emil Fisher
1890. On je postavio model po kome enzim i supstrat pokazuju strogu podudarnost, kao ključ
prema bravi. Ovakav model bilo je moguće primijeniti samo na mali broj enzima, a jedna u
početku samo atraktivna hipoteza, o induktivnoj adaptaciji aktivnog centra, postala je danas
opšte prihvaćena. Na slici je prikazan model Daniela E. Koshlanda, koji je postuliran 1958.
Fleksibilnost enzima je njegova bitna karakteristika i zahvaljujući njoj dolazi do prostornog
prilagođavanja (adaptacije) enzima prema supstratu. Ove promjene indukuje prisustvo
supstrata, koji se vezuje prvo za kontaktne grupe enzima, što vodi ka njegovoj
konformacionoj promjeni, tj. nastanku specifičnog prostornog rasporeda reaktivnih hemijskih
grupa.
SPECIFIČNOST ENZIMA
Svaki enzim katalizuje samo jednu reakciju, ili ograničen broj različitih hemijskih
reakcija. Ovo, svakako, nije slučaj i sa neproteinskim katalizatorima. Stepen specifičnosti se
razlikuje od jednog do drugog enzima. Veliki broj enzima ispoljava
apsulutnu specifičnost.
Ovakvi enzimi katalizuju samo jednu reakciju, tj. selektivno djeluju na samo jedan određeni
supstrat. Tako, arginaza katalizuje samo razlaganje arginina na ureu i ornitin, a ne može da
Zbog toga se energetska barijera reakcije snižava, povećavajući brzinu stvaranja
proizvoda reakcije. Kompleks ES se razlaže dajući proizvod reakcije (P) i slobodni enzim (E):
E + S
k
1
k
2
ES
k
3
E + P.............................................(1)
Konstanta brzine za reakciju koja se odvija u smijeru ES označena je sa k
1
, dok k
2
označava konstantu brzine iste reakcije suprotnog smjera. Konstanta brzine reakcije nastajanja
P iz kompleksa ES označena je sa k
3
.
Kada je stvaranje i razlaganje ES kompleksa uravnoteženo (k
1
-k
2
= k
3
) uspostavlja se
stacionarna koncentracija intermedijarnog ES kompleksa, tj. nastaje stabilno, stacionarno
stanje. Ovakvo uravnoteženo stanje predstavlja dinamičku ravnotežu, pri kojoj je
koncentracija ES kompleksa konstantna, a slobodni enzim je u ravnoteži sa ES kompleksom.
U stacionarnom stanju koncentracije supstrata i proizvoda su promjenljive.
Dakle, pri stacionarnoj ravnoteži koncentracija ES kompleksa je konstantna, a brzina
kojom kompleks nastaje jednaka je brzini njegove razgradnje:
k
1
cE x cS = k cES + k cES....................................(2)
23
k
1
cE x cS = (k + k
3
) cES........................................(3)
2
cE x cS
cES
k + k
32
k
1
=
= K
m
........................................(4)
K
m
je
Michaelis-Menten-ova konstanta
i jednaka je cS pri polovini maksimalne brzine.
K
m
ima veliki značaj pri određivanju afiniteta nekog enzima prema supstratu. Ukoliko je K
m
veća, znak je da je afinitet enzima prema supstratu manji. Da bi se aktivnost nekog enzima
odvijala u takvim uslovima neophodno je prisustvo supstrata u većoj koncentraciji. Nasuprot
tome, pri niskim K
m
enzim ima veliki afinitet prema supstratu.
Inicijalna brzina (v) enzimski katalizovane reakcije proporcionalna je koncentraciji ES
kompleksa:
V= k cE
............................................................
(5)
Pri jako velikim koncentracijama supstrata sav enzim se nalazi u kompleksu ES, pa je
ukupna koncentracija enzima cE
t
jednaka cES, a brzina reakcije je maksimalna (V=V
max
):
V= k cE
t..............................................................
(6)
Koncentracija slobodnog enzima, koji nije uključen u kompleks sa supstratom može da
se izračuna iz slijedećeg izraza:
cE= cE
t
– cES.................................(7)
