2. fejezet - Kémiai alapok

Tartalom

2.1. Az élő szervezetek alapvető vegyülettípusai
2.1.1. Az atomokból kémiai kötések révén vegyületek jönnek létre
2.1.2. A szén központi szerepe
2.1.3. Funkciós csoportok
2.1.4. A molekulák, funkciós csoportok ábrázolása
2.2. A szerves vegyületek háromdimenziós szerkezete: konformáció és konfiguráció
2.2.1. Konfiguráció I.: geometriai (cisz-transz) izoméria
2.2.2. Konfiguráció II.: királis centrumok és optikai izoméria
2.2.3. Konformáció
2.3. Az élő szervezetekben lejátszódó fő reakciótípusok
2.3.1. Oxidáció-redukció
2.3.2. Szén-szén kötés hasadása nukleofil szubsztitúcióval
2.3.3. Molekulán belüli csoportátrendeződés
2.3.4. Csoporttranszfer reakciók
2.3.5. Kondenzációs reakciók vízkilépéssel
2.4. A másodlagos kölcsönhatások (kötések).
2.4.1. A másodlagos kölcsönhatásokról általánosságban
2.4.2. A másodlagos kölcsönhatások típusai
2.4.3. Molekuláris felismerés gyenge másodlagos kötésekkel
2.5. A víz alapvető tulajdonságai és biokémiai szerepei
2.5.1. A víz fő fizikokémiai adatai
2.5.2. A víz, mint oldószer
2.5.3. A hidrofób hatás (effektus)
2.5.4. Ionegyensúlyok vizes közegben
2.5.5. Sav-bázis reakciók vizes közegben
2.5.6. Puffer-hatás
2.5.7. Biológiai pufferek
2.5.8. Biokémiai kísérletekben használt pufferek
2.5.9. A víz, mint reakciópartner

(szerző: Pál Gábor)

2.1. Az élő szervezetek alapvető vegyülettípusai

2.1.1. Az atomokból kémiai kötések révén vegyületek jönnek létre

A vegyületek tárgyalásához szükséges alapfogalmakat, alapismereteket itt éppen csak érintjük, mivel feltételezzük, hogy ezeket az ismereteket az olvasó korábbi kémiai tanulmányai során már megszerezte.

Az egyes elemek kémiai tulajdonságait az elektronszerkezetük határozza meg. E tekintetben kitüntetett szereppel bírnak a külső, az elemek többségénél (kivéve nemesgázok) le nem zárt elektronhéjak, melyeket vegyértékhéjnak is neveznek. A legegyszerűbb tárgyalás szerint az atomok a vegyértékhéjon lévő elektronokkal képesek más atomokkal kovalens kötéseket létrehozni. Ennek során atompályák helyett molekulapályák alakulnak ki, melyek révén az eredeti atomi állapotokhoz képest telítettebb elektronhéj alakul ki. A legtöbb esetben ez nyolc elektront tartalmaz.

A kovalens kötéseket képző legfontosabb 6 elem a hidrogén (H), oxigén (O), nitrogén (N), szén (C), kén (S) és foszfor (P). Ezek közül az első négy járul hozzá legnagyobb mennyiségben az élőlényekben található vegyületek létrejöttéhez. Érdemes megjegyezni, hogy a H, O, N és C a legkisebb rendszámú olyan biogén elemek, amelyek rendre 1 (H), 2 (O), 3 (N) és 4 (C) kovalens kötést képesek létrehozni. Ezek az elemek együttesen az élő szervezetek tömegének mintegy 99%-át teszik ki!

Amikor a kémiai kötés létrejön, a hidrogén szempontjából a külső telített héjon 2, a többi elem esetében 8 elektron van. Tehát mindkét típusnál nemesgáz jellegű elektronhéj jön létre.

A két további, nagy mennyiségben szereplő kémiai elem a kén (S), mely külső héjának elektronszerkezete az oxigénéhez hasonlít, illetve a foszfor (P), mely e tekintetben a nitrogénhez hasonlít (az elemek periódusos rendszerében a kén az oxigén alatt, a foszfor a nitrogén alatt helyezkedik el). A kén tehát 2, míg a foszfor 3 elektronnal tud részt venni kémiai kötésben. Ahogyan azt az 2.1. ábra mutatja, a 6 említett elem változatos módon kombinálódva nagyon sokféle vegyületet eredményezhet.

2.1. ábra: A legfontosabb biogén elemek elektronszerkezete, és a kovalens kötések kialakulása

2.1. ábra: A legfontosabb biogén elemek elektronszerkezete, és a kovalens kötések kialakulása

2.1.2. A szén központi szerepe

A már említett 6 elem közül bizonyos jellegzetes tulajdonságai miatt a szén központi szereppel bír. Nem túlzás azt állítani, hogy az élő szervezetek kémiai felépítése a szén köré szerveződik. A sejtek szárazanyag tartalmának több mint a fele szén. A szénatom képes mind a négy fő biogén elemmel (C, O, H, N) valamint a kénnel (S) stabil kovalens kötést létesíteni. A szén ezen kívül képes egyes, kettős és hármas kötés kialakításra is, ezért képes egyszerre 1 (pl. C≡O), 2 (pl. O=C=O), 3 (pl. H2C=O) vagy 4 (pl. CH4) másik atommal kovalens kötést létesíteni (lásd 2.2. ábra).

A kapcsolódó atomtól függően a kovalens kötés polárossága (lásd később) és ezért reaktivitása nagymértékben eltérő lehet. Ennek köszönhetően a szén köré szerveződő szerves molekulák fizikai tulajdonságai és kémiai reaktivitása nagyfokú változatosságot mutat. A szén további rendkívül fontos, különleges tulajdonsága, hogy akár „végtelen számú” szénatom is összekapcsolódhat egymással, (lásd gyémánt vagy grafit). Emiatt a lehetséges szerves molekulák száma végtelen. Jelenleg nagyságrendileg tízmillió szerves vegyület ismert, ezek túlnyomó többségét szerves kémiai szintézissel állították elő.

A szénatomok összekapcsolódásának eredményeként létrejöhet lineáris (el nem ágazó) szerkezet, elágazó szerkezet, vagy éppen gyűrűs szerkezet. A szerves vegyületekről akár úgy is gondolkodhatunk, mint olyan molekulákról, amelyek rendkívül változatos vázszerkezetét szénatomok alkotják, és ezekhez a vázakhoz kapcsolódnak a szénen kívüli egyéb biogén elemek.

2.2. ábra: A szén mind a négy fő biogén elemmel stabil kovalens kötést képez

2.2. ábra: A szén mind a négy fő biogén elemmel stabil kovalens kötést képez

2.1.3. Funkciós csoportok

Bár a különböző szerves molekulák lehetséges száma végtelen, fontos észrevennünk ezekben egyfajta hierarchiát. A biogén elemek nem véletlenszerűen rendeződnek el ezekben a molekulákban, hanem néhány tucat jellegzetes elrendeződést hoznak létre, amelyeket funkciós csoportoknak nevezünk. Ebben a szemléletben az egyes szerves molekulák úgy is felfoghatóak, mintha egy csak szénből és hidrogénből álló molekula megfelelő hidrogén atomjait helyettesítenénk az adott funkciós csoportokkal (lásd 2.3. ábra).

2.3. ábra: A szerves molekulák legfontosabb funkciós csoportjai

2.3. ábra: A szerves molekulák legfontosabb funkciós csoportjai

A későbbi tananyagrészek gyorsabb és mélyebb megértése érdekében érdemes ezeknek a funkciós csoportoknak a tulajdonságait a korábbi kémiai tanulmányok alapján felidézni. A már említett hierarchikus felépítés miatt az élőlényekben található szerves vegyületek felfoghatók egymáshoz kapcsolódó funkciós csoportok kombinációiként is (lásd 2.4. ábra).

2.4. ábra: A szerves molekulákban számos funkciós csoport kombinálódhat

2.4. ábra: A szerves molekulákban számos funkciós csoport kombinálódhat

Ez az értelmezés egyrészt azért hasznos, mert az egyes funkciós csoportok valamelyest autonóm fizikokémiai tulajdonságokkal rendelkeznek. Emiatt a belőlük levezetett molekula főbb tulajdonságai is kikövetkeztethetőek. Egy szerves vegyületen belül található metilcsoport például mindig apolárosnak tekinthető, egy karboxilcsoport pedig gyenge savnak stb. A későbbiekben azt is látni fogjuk, az élőlényekben lejátszódó kémiai reakciók egy jelentős részében ilyen funkciós csoportok kerülnek a molekulán belül (intramolekuláris átrendeződés), vagy a molekulák között (csoporttranszfer) felcserélésre. Ennek a tárgyalási módnak egy másik nagy gyakorlati előnye, hogy általa könnyebben memorizálhatók a legfontosabb vegyületek, illetve az egyes kémiai reakciók. Érdemes megjegyezni, hogy egyes kisebb funkciós csoportok nagyobb, összetettebb funkciós csoportok alkotóelemei lehetnek.

Az egyes feltűntetett csoport esetében csak néhány jellemzőjüket, illetve fő előfordulási helyüket ismertetjük. A csak szénből álló alifás (pl. metil- vagy etilcsoportok), valamint a gyűrűs fenilcsoport apolárosak, így hidrofób karakterűek. Vizes környezetből mintegy kiszorulva egymással létesítenek kölcsönhatást (lásd 2.5.3. fejezet). Az ilyen csoportok között rendkívül rövid távolságon belül alakul ki (indukált dipól-indukált dipól jellegű, lásd 2.4.2.7. fejezet) vonzó kölcsönhatás, vagyis tipikusan szoros térkitöltésű molekuláris képződményeket (pl. globuláris fehérjék belső, hidrofób magja) hoznak létre.

Az oxigéntartalmú csoportok legegyszerűbb típusában, a hidroxilcsoportban egy oxigén és egy hidrogénatom kapcsolódik össze egyszeres kötéssel. Ennek a csoportnak a kémiai tulajdonsága attól függ, hogy milyen molekulakörnyezetben van. Az alkoholos hidroxilcsoport esetében az OH-csoport egy alifás szerkezetben lévő szénatomhoz kapcsolódik. Ez a csoport például szénhidrátok jellegzetes alkotóeleme. Az ilyen csoportok (mint látni fogjuk) hidrogénkötést tudnak kialakítani, és ebben a kölcsönhatási típusban mind küldő (donor), mind fogadó (akceptor) csoportként szerepelhetnek. Az alkoholos hidroxilcsoport képes lehet protonleadásra is, tehát viselkedhet savként, de csak rendkívül erős bázisokkal szemben. A biokémia területén ilyen erős bázisokkal nem találkozunk. Ha azonban a hidroxil egy aromás gyűrű egyik szénatomjához kapcsolódik, (lásd pl. a tirozin fenolos hidroxilja) akkor gyenge savként protont adhat le.

Amennyiben a hidroxilcsoport egy karboxilcsoport része, úgy a protonleadási képessége lényegesen megnő, és ténylegesen savként kell számolni vele. A karboxilcsoport disszociált formáját karboxilát anionnak hívjuk.

A karbonilcsoport, amelyben egy szénatomhoz egy oxigén kettőskötéssel kapcsolódik, a legegyszerűbb formákban aldehidek, vagy ketonok funkciós csoportja. Ezekkel a csoportokkal leggyakrabban a cukrokban (aldózok és ketózok) találkozunk. A karbonilcsoport is képes hidrogénkötésre. A hidroxilcsoport mellett a karbonilcsoport a karboxilcsoport másik alkotóeleme, de a karbonilcsoportot felleljük az amido-, az észter-, a tioészter- és karbonsavanhidrid vagy vegyes savanhidrid csoportok tagjaként is.

Az észterek és különösen a tioészter, vizes közegben a vízzel kémiai reakcióba lépve karbonsavra, és alkoholra illetve tiolra bomolhatnak (hidrolizálnak). Az aminosavak és az azokat a riboszómákhoz szállító tRNS-ek között észterkötés van. A tioészter előfordulására tipikus példa az acetil-koenzim-A, amelyben az acetilcsoportot a koenzim-A SH csoportja tioészter képzésen keresztül hordozza. Az említett észterek bomlékonysága a termodinamika fogalomrendszerében kifejezve azt jelenti, hogy ezek a csoportok egy magas szabadentalpia szintet (aktivált állapotot) képviselnek. Ennek az állapotnak a megszűnése, tehát az észter bomlása szabadentalpia csökkenéssel jár, vagyis (mint látni fogjuk) spontán folyamat, amivel adott esetben munkát lehet végezni.

Az aminocsoport, amire jó példa az aminosavak névadó funkciós csoportja, semleges kémhatású vizes közegben a víztől protont vesz fel, tehát bázisként viselkedik, és így protonált formában van jelen (amely forma így már gyenge sav). Ha a csoport nem protonált, akkor hidrogénhidas kapcsolatban küldő és fogadó félként is szerepelhet. Ha azonban protonált, akkor már csak küldő fél lehet (hiszen a nitrogén nemkötő elektronpárja protonált állapotban már nem lehet hidrogénhídban fogadó fél).

Az amidocsoport, amely egy karbonilcsoport és egy aminocsoport kombinációjaként írható fel, nem viselkedik sem savként, sem bázisként. Hidrogénhíd kölcsönhatásban mind küldő, mind fogadó fél lehet. Ez a csoport szerepel például a peptidkötésben. Az amidok stabilabbak, tehát alacsonyabb szabadentalpia szintet képviselnek, mint a megfelelő észterek. Ennek megfelelően a polipeptidlánc riboszómális szintézisének egyik termodinamikai „hajtóereje” az, hogy a folyamat során a fent már említett észterkötések szűnnek meg, miközben peptidkötések keletkeznek.

A csak nitrogénből, szénből és hidrogénből álló guanidino-csoport viszonylag erős bázis, ami semleges kémhatású közegben protont vesz fel. Ezt a csoportot többek között az arginin aminosav funkcionális csoportjaként találjuk meg a szervezetben. A heterociklusos gyűrűt tartalmazó imidazol-csoport legjellegzetesebb előfordulási helye a hisztidin aminosav oldallánca. Ez a csoport többek között azért nevezetes, mert a protonáltsági állapotának változása a semleges körüli pH tartományban megy végbe. A semlegesnél kissé alacsonyabb pH-n protonált, és ilyenkor sav-bázis reakciókban gyenge savként viselkedik, e feletti pH-n viszont nincs protonálva, tehát ekkor sav-bázis reakciókban bázisként protont tud felvenni. Az imidazol-csoport ezen felül fémek és fémionok koordinációs kötésében is szerepet játszik.

A szulfhidril-csoport (SH) lényegesen reaktívabb, mint az oxigéntartalmú alkoholos hidroxil párja. A szulhidril-csoport oxidatív környezetben diszulfidot képez. Tipikus példa erre a fehérjék esete. A sejten belüli, citoplazmatikus tér reduktív közeg, így az itt működő fehérjék zöme nem tartalmaz diszulfidhidat. A sejten kívülre szállított, vagy a sejt külső felületén működő fehérjék jó része azonban diszulfidhidakat tartalmaz. A szulfhidril-csoport a redoxfolyamatok mellett azért is említésre méltó, mert gyakran vesz rész fémek koordinálásában is. A már említett tioészter-csoport részeként is találkozunk vele.

A különböző anhidridek (karbonsav-anhidrid, foszforsav-anhidrid, vegyes sav-anhidrid) aktivált állapotot képviselő bomlékony molekularészletek. Foszforsav-anhidrid csoportokat találunk például az ATP molekulában, ilyen csoport szűnik meg ATP-ADP vagy ATP-AMP átalakulások során. Az ATP-ADP átalakulás során egy foszforilcsoport átvitele történik meg. Ha ez a csoport közvetlenül vízre kerül, úgy a reakciót hidrolízisnek hívjuk, és ekkor ADP mellett szervetlen foszfát keletkezik. Hidrolízis történik például az ATP-vel működő molekuláris motorok, például a miozin esetében, ahol a felszabaduló energia egy része mechanikai munkára fogható. Az ATP azonban számos egyéb módon is átalakulhat, például úgy, hogy a foszforilcsoport víz helyett egy másik molekulára kerül. A glükóz lebontásához vezető folyamat, a glikolízis első lépésében a foszforilcsoport például a glükóz 6’-hidroxiljára kerül, így glükóz-6-foszfát keletkezik.

2.1.4. A molekulák, funkciós csoportok ábrázolása

Az egyes molekulákat, funkciós csoportokat sokféle módon lehet ábrázolni. A leginkább valósághű ábrázolás esetében figyelembe kell venni az egyes atomok méretét, és ezek molekulán belüli távolságát, vagyis a kötéshosszakat. Ez a kérdés szorosan összefügg a van der Waals sugár fogalmával.

Azt, hogy két atom mennyire közelítheti meg egymást, az atomok van der Waals sugara fejezi ki. A van der Waals sugár jelöli ki azt a gömbfelszínt, amelyen belülre más atom nem kerülhet, hacsak nem jön létre kovalens kötés az atomok között. A közelebb kerülés akadálya az, hogy az egymáshoz közeledő atomok külső elektronpályái (hacsak nem alkotnak közös molekuláris pályát) nem fedhetnek át. Az ebből fakadó taszítás mértékének távolságfüggése olyan nagy, hogy az atomok merevfalú golyóként modellezhetők. A legkisebb távolság, amennyire (alapesetben) két atom megközelítheti egymást, tehát a van der Waals sugaruk összege. Amikor azonban kovalens kötés alakul ki, tehát közös molekuláris elektronpályák jönnek létre, a két atom távolsága, tehát a kötéstávolság kisebb lesz, mind van der Waals sugarak összege. Ez jól látható a 2.1. táblázatban, amely az egyes atomok van der Waals sugarait veti össze a két azonos atom között kialakuló egyszeres kovalens kötés hosszának felével.

2.1. táblázat: Biogén elemek van der Waals sugara és az egyszeres kovalens kötés sugara

2.1. táblázat: Biogén elemek van der Waals sugara és az egyszeres kovalens kötés sugara

A molekulákat leginkább valószerűen bemutató térkitöltő modellben a molekulát alkotó atomok a rájuk jellemző van der Waals sugarú gömbként kerülnek ábrázolásra, az identitásukat pedig egyezményes színekkel szokás jelezni (pl. a szén fekete, a hidrogén fehér, az oxigén piros, a nitrogén kék, a kén sárga stb.). A 2.5. ábra a legegyszerűbb aminosav, a glicin térkitöltő ábrázolását mutatja.

Ahol két atom között kovalens kötés van, ott a két atom megfelelő gömbje egymással átfed. Az így kialakuló felszín nagyjából megmutatja a molekula van der Waals felszínét. Ez az ábrázolási mód jól mutatja a molekulát alkotó atomok relatív méreteit illetve az egyes molekulák egymáshoz viszonyított méretét. Ugyanakkor egy ilyen ábrázolásban a kovalens kötések hossza, azok egymással bezárt szöge nem jól látható. Annak érdekében, hogy ezek a tulajdonságok is látszódjanak, bevezették a golyó-pálcika modellt, amelyben minden atom van der Waals sugarát azonos arányban lecsökkentették. Így a különböző atomok egymáshoz viszonyított méretaránya megőrződik, miközben a közöttük létrejövő kötések is jól jelezhetővé válnak.

2.5. ábra: A glicin térszerkezete, az atomokat van der Waals sugarú gömbként ábrázolva

2.5. ábra: A glicin térszerkezete, az atomokat van der Waals sugarú gömbként ábrázolva

Amikor az atomok méretviszonyait és a kötéshosszakat nem kívánjuk ábrázolni, egy további egyszerűsítéssel szerkezeti képleteket írhatunk fel. Ebben az esetben az egyes atomokat az egybetűs kódjuk mutatja, a közöttük lévő, bemutatni kívánt kovalens kötéseket és ezek számát (egyszeres, kétszeres vagy háromszoros kötés) megfelelő számú vonallal jelezzük, valamint a kötések egymással bezárt hozzávetőleges szögét is ábrázolhatjuk. A molekula térbeli elrendeződését ebben az ábrázolási módban is jelezni lehet. Ehhez azokat a kötéseket, amelyek a lap síkjából az olvasó felé eső térrészbe mutatnak teli háromszöggel, míg a hátrafelé eső térrészbe mutatókat csíkozott háromszöggel jelezzük.

A térbeli elrendeződésnek komoly jelentősége van. Az egyes funkciós csoportok milyenségén és kapcsolódási rendjén kívül ezek térbeli elrendeződése is befolyásolja a molekula fizikokémiai tulajdonságait. Amennyiben az egyik térbeni elrendeződésből a másikba csak kovalens kötés(ek) ideiglenes felszakításán keresztül vezet az út, úgy az egyes térbeni állapotok különböző molekulákat (izomereket) jelentenek (lásd 2.2. fejezet).