2.3. Az élő szervezetekben lejátszódó fő reakciótípusok

Részben valós kémiai mechanizmusok alapján, részben didaktikai, tehát az információ rendszerezését és hatékony átadását elősegítendő a biokémia művelői öt csoportra osztották az élő szervezetben eddig feltárt kémiai reakciókat. Ez nagyban megkönnyíti az egyes reakciók tárgyalását, és az abban szereplő enzimek funkcionális katalogizálását is. Az öt típus, melyeket példák segítségével mutatunk be, a következő: oxidáció-redukció; C-C kötéshasadás illetve képződés; molekulán belüli átrendeződés (izomerizáció); csoport transzfer molekulák között; kondenzáció vízkilépéssel.

Megjegyzendő, hogy az enzimek osztályozása nagyrészt, de nem teljesen követi ezeket a reakciótípusokat. A kémia illetve a biokémia nemzetközi szervezetei (IUPAC: International Union of Biochemistry and Molecular Biology ill. IUBMB: International Union of Biochemistry and Molecular Biology) hat csoportra osztotta az élő szervezetben eddig feltárt enzimeket a biokémiai reakciótípusok alapján. Az enzimek az EC (Enzyme Commission) nevezéktan alapján történő csoportosítását (lásd 8.4. táblázat), valamint enzimkatalízis típusait és mechanizmusait a 8. fejezetben tárgyaljuk részletesen, ebben a fejezetben a kémia reakciótípusok bemutatására szorítkozunk.

A különböző reakciótípusok tárgyalása előtt röviden át kell tekintenünk néhány alapvető fogalmat. Ilyen az elektronegativitás fogalma, amely segítségével jól jellemezhető, hogy egy kémiai kötés milyen természetű, ionos vagy kovalens, és ha kovalens, akkor apoláros vagy poláros-e.

Az elektronegativitás (X; görög betű, ejtsd:khí), a kötésben lévő atom elektronvonzó képességét jellemző paraméter. Ezt a fogalmat többen is kidolgozták. Robert S. Mulliken 1934-ben közzétett definíciója alapján X = (EI -EA)/2,

ahol EI az ionizációs energia, vagyis a legkönnyebben leszakítható elektron eltávolításához szükséges energia, míg EA az elektronaffinitás, vagyis a negatív töltésű ion képződésénél felszabaduló (negatív előjelű) vagy az ehhez elhasználódó (pozitív előjelű) energia. Ez a megközelítés rendkívül logikus, hiszen egy kötésben lévő atom esetében minél nagyobb energia árán szabadul meg az atom az első eltávolítható elektronjától, és minél szívesebben (minél nagyobb felszabaduló energia árán) fogad be egy extra elektront, annál nagyobb az atom elektronvonzó képessége. Mérési nehézségek miatt azonban inkább egy másik elektronegativitási skála terjedt el (lásd 2.2. táblázat), amelyet Linus Pauling vezetett be szintén a harmincas években, tapasztalati, kötési energiákból meghatározott értékek alapján.

2.2. táblázat: Elektronegativitási értékek

2.2. táblázat: Elektronegativitási értékek

A Pauling-skálán a nemesgázok elektronegativitási értéke a legalacsonyabb, zéró. Az alkáli fémeké 0,7-1,0 értékek közötti, a hidrogéné 2,1, a széné 2,5 a halogéneké pedig 2,2-4,0 ahol a 4,0 egyben a skála legmagasabb értéke. A Pauling-féle elektronegativitási skála remekül használható a kémiai kötések osztályozására.

Ha két atom elektronegativitási értékének a különbsége ΔX < 0,6, akkor a közöttük kialakuló kötés kovalens, és apoláros, vagyis a két atom közel azonos mértékben „birtokolja” a közös elektronokat (lásd pl. H2, O2, Cl2, CH4).

Ha 0,6 < ΔX < 2,1, akkor a kötés egy poláros kovalens kötés (pl. HCl, H2O, CCl4), amelyben a két atom által közösen „birtokolt” elektronok nagyobb valószínűséggel tartózkodnak a nagyobb elektronegativitású atom közelében, mint a kisebb elektronegativitású közelében. Emiatt a nagyobb elektronegativitású atom részleges negatív, a kisebb elektronegativitású atom részleges pozitív töltést hordoz.

Amennyiben ΔX ≥ 2,1, úgy a kémiai kötésionos, tehát az elektron (vagy elektronok) teljes mértékben a nagyobb elektronegativitású atomhoz tartozik (illetve tartoznak), így az teljes negatív töltést (vagy töltéseket) nyer, tehát anion lesz. Ennek megfelelően a kisebb elektronegativitású atom teljes mértékben megválik az elektronjától, és teljes pozitív töltést hordoz. Jó példák erre a NaCl, HF, MgCl2 amelyek ionos vegyületek.

Ezt a gondolatmenetet újra felvesszük a másodlagos kölcsönhatások tárgyalásánál is, de előbb a kémiai reakciótípusok ismertetésénél használjuk fel.

2.3.1. Oxidáció-redukció

Az oxidáció és a redukció egymástól elválaszthatatlan folyamatok, valójában egyetlen, elektronátmenettel járó folyamat két oldalát jelentik. Amikor egy atom, vagy molekula oxidálódik, vagyis elektronokat veszít, akkor a reakcióban résztvevő másik fél elektronokat nyer, vagyis redukálódik. E miatt az elválaszthatatlanság miatt ezeket a reakciókat redoxreakcióknak is nevezik. Nevével ellentétben egy ilyen reakcióban nem feltétlenül vesz részt oxigén, de az első ilyen reakciókat az oxigén, mint tipikus oxidálószer esetében írták le. A redoxreakciók megértésének előfeltétele az oxidációs fok, az oxidációs szám fogalmának ismerete. Ezeket a fogalmakat az előbb bevezetett elektronegativitás fogalmával lehet értelmezni.

Amint az elektronegativitás kapcsán az már szerepelt, ha a két atom elektronegativitási különbsége, ΔX ≥ 2,1, akkor a nagyobb elektronegativitású atom teljes mértékben átveszi az elektront a kisebb elektronegativitásútól, lásd pl. a NaCl képződés esetét. Ebből, és a fenti leírásból látható, hogy a nátrium reakciója klórral egy redoxreakció, amelyben a nátrium oxidálódik, míg a klór redukálódik. Ezt látványosan jelzi a nátriumatom által teljes mértékben elvesztett, illetve a klóratom által teljes mértékben átvett elektron.

A biokémia területén ritka az ilyen, teljes mértékű, ionokhoz vezető elektronátadás, hiszen a szerves vegyületeket alkotó elemek között nincs ekkora elektronegativitási különbség. Amikor az elektronegativitási különbség kisebb, akkor a redoxreakció eredményeként a nagyobb elektronegativitású atom részben vonja csak el az elektront a kisebb elektronegativitású atomtól, részleges töltéseket generáló, polarizált kovalens kötés lesz a végeredmény.

Definíció szerint, és az alábbi leírásból is következően az elemi állapotú anyagokban (pl. He; H2, O2, elemi szén) az atomok oxidációs száma 0. Az oxidációszám kiszámolásakor a kémiai kötésben lévő atomok elektronegativitási adataiból páronként megállapítjuk, hogy a vizsgált atom jobban, vagy kevésbé birtokolja-e az elektront, mint a vele kötésben lévő másik atom.

A többféle atomból álló vegyületekben az oxidációs szám kiszámítási módja független attól, hogy ionos kötés van-e a két atom között, vagy polarizált kovalens kötés. Amelyik atomhoz inkább tartozik az elektron, annak gondolatban teljesen átadjuk az elektront, így annak oxidációs száma eggyel csökken (negatív irányba változik). Ezzel összhangban, amelyik atomhoz kevésbé tartozik az elektron, attól gondolatban teljesen elvonjuk azt, így annak az atomnak az oxidációs száma eggyel nő (pozitív irányba változik). Végeredményképpen az oxidációs szám minden atom esetében egész szám lesz. A teljes molekulát tekintve az azt alkotó atomok oxidációs számának összege nulla lesz, amennyiben a molekula nem rendelkezik eredő töltéssel. Ha rendelkezik eredő töltéssel (molekula-ion), akkor az összeg megegyezik a töltéssel.

A biokémiában leggyakrabban a szerves, széntartalmú vegyületek oxidációival találkozunk. Ezzel kapcsolatban érdemes megvizsgálni a szénatom lehetséges oxidációs állapotait, amit az oxidációs számmal jellemezhetünk.

A csak szénből és hidrogénből felépülő alkánok esetében az oxidációs szám -4 és 0 közötti egész szám lehet (lásd 2.3. táblázat).

2.3. táblázat: A szénatom oxidációs száma különböző vegyülettípusokban

2.3. táblázat: A szénatom oxidációs száma különböző vegyülettípusokban

A metánban a szénatom négy hidrogénatommal van kovalens kötésben. Mivel a szén nagyobb elektronegativitású, mint a hidrogén, mind a 4 hidrogénatom elektronját a szénatomhoz rendeljük, így a szénatom oxidációs száma -4 lesz. Ha egy elágazó szénláncú alkánban egy olyan szénatomot vizsgálunk, amely 4 másik szénatommal van kovalens kötésben, akkor ennek a központi szénatomnak az oxidációs száma 0 lesz. Azoknál a szénatomoknál, amelyek mind hidrogénatommal, mind szénatommal is kötésben vannak, az oxidációs szám -4 és 0 közötti egész szám lesz, minden hidrogénnel kialakított kapcsolat eggyel csökkenti az oxidációs számot.

Azokban a vegyületekben, amelyekben a szén oxigénnel is kovalens kötésben van, ott az elektront az oxigénhez rendeljük. Egyszerű számítás alapján látható, hogy az alkoholokban a szén oxidációs száma -1, aldehidekben +1, karbonsavakban +3, míg legoxidáltabb állapotában, a széndioxidban +4.

Amikor egy szerves vegyület oxidálódik, akkor abban a szén oxidációs száma növekszik, míg a reakcióban résztvevő másik vegyületben valamely atom oxidációs száma csökken. Mint említettük, az oxidációban nem feltétlenül vesz részt oxigén.

Jó példa erre a tejsav és a piroszőlősav között lezajló reverzibilis redoxreakció (piruvát + NADH + H+ « laktát + NAD+). Amikor (egy enzim katalizálta folyamatban) a tejsav oxidálódik, a reakcióban résztvevő szénatom 2 elektront veszít, így az oxidációs száma 2 egységgel megnő. A reakcióban nem oxigén, hanem a NAD koenzim az elektronakceptor. A reakció során a redukálódó koenzimben 2 szénatomnak 1-1 egységgel csökken az oxidációs száma. Látható, hogy a reakció során nem csak elektronok, de protonok is átadódnak a tejsav molekuláról, vagyis a molekula végső soron két hidrogént veszít. (A NAD koenzim szerepéről a 20.10. fejezetben lesz szó).

2.3.2. Szén-szén kötés hasadása nukleofil szubsztitúcióval

A második reakciótípus a szén-szén kötés hasadás. Ez általánosságban kétféleképpen történhet meg. Az egyik esetben mindkét szénatom megtart 1-1 elektront. Ez a homolitikus szén-szén kötés felhasadás, amely reaktív gyökök képződéséhez vezet, és az élő szervezetben ritka (lásd 2.13. ábra).

2.13. ábra: A szén-szén kötés hasadás két fő típusa és a nukleofil helyettesítés

2.13. ábra: A szén-szén kötés hasadás két fő típusa és a nukleofil helyettesítés

A heterolítikus kötéshasadás során az egyik szén örökli mindkét elektront, így karbanionná válik, míg a másik szén elveszti az elektron és karbokation keletkezik belőle. Ennek a folyamatnak a leírására szolgál a nukleofil helyettesítés, más néven a nukleofil szubsztitúció (lásd 2.13. ábra).

Ennek nevezéktana szerint a karbanion távozik, (tehát ez a távozó csoport) és egy elektronokban gazdag, nukleofil csoport lép be helyette. Fontos azonban megjegyezni, hogy a nukleofil szubsztitúció, mint kémiai reakció típus, túlmutat a szén-szén kötés felhasadásán. Egy rendkívül gyakori molekuláris mechanizmust jelent az élő szervezetben, amely számos egyéb, a biokémiai csoportosításban más címszó alatt (lásd csoporttranszfer) szereplő kémiai reakcióban megjelenik.

Fontos észrevennünk, hogy a távozó és a belépő csoport egymáshoz hasonít abban, hogy mindkettő elektronokban gazdag, így mindkettő lehet belépő csoport egy nukleofil szubsztitúciós reakcióban. A spontán végbemenő nukleofil szubsztitúciós folyamatokban mégis azt látjuk, hogy az egyik ilyen csoport távozik, míg a másik belép. Ez alapján nyilvánvaló, hogy a belépő csoport erősebb nukleofil, mint az, amelyik távozott, illetve fordított szemszögből nézve a belépő csoport rosszabb távozó csoport annál, mint amit lecserélt, hiszen máskülönben a reakció fordítva ment volna végbe.

A nukleofil csoportok között tehát páronkénti összehasonlítás alapján egyfajta rangsor állítható fel (lásd 2.4. táblázat). Az érem két oldalaként egy csoport minél jobb nukleofil, annál rosszabb távozó csoport, és fordítva. A rangsor hátterében termodinamikai törvényszerűség áll. Mint később látni fogjuk, egy folyamat akkor játszódik le spontán, ha annak eredményeképpen a rendszer szabadentalpiája csökken. Amennyiben egy folyamat spontán lejátszódik, úgy annak fordítottja nem játszódik le magától. Valójában ezt fejezi ki az említett rangsor. Ha az egyik csoport képes lecserélni a másikat, akkor (azonos koncentrációk esetén) a fordított reakció nem történhet meg.

2.4. táblázat: Nukleofil csoportok csökkenő támadócsoport hatékonyság szerint rendezve

2.4. táblázat: Nukleofil csoportok csökkenő támadócsoport hatékonyság szerint rendezve

A nukleofil helyettesítés a reakció pontosabb mechanizmusa alapján kétféleképpen mehet végbe. Az első, SN1 reakció első lépésben kilép a távozó csoport, és csak ezt követően lép be az azt helyettesítő belépő csoport. A heterolitikus hasadás ennél a csoportnál egyértelműen tetten érhető, hiszen köztes állapotként karbokation keletkezik.

A biokémia tárgykörében sokkal gyakoribb az SN2 reakciótípus (lásd 2.14. ábra). Ennél a belépő csoport egyfajta támadócsoportként szerepel. Elektron-gazdag csoportjával nukleofil támadást végez a hasadó kötés egyik, elektronban szegény szénatomja ellen. Ennek eredményeként kialakul egy pentakovalens átmeneti állapot, amelyben a megtámadott szénatom öt funkciós csoporttal van kötésben. Ez az átmeneti állapot hasad fel úgy, hogy a nukleofil támadó csoport marad kötésben, míg a gyengébb nukleofil csoport távozik.

2.14. ábra: A nukleofil szubsztitúció két típusa

2.14. ábra: A nukleofil szubsztitúció két típusa

Érdemes megjegyezni, hogy amennyiben a reakcióban kiemelt szereppel bíró szénatom egy királis centrum, tehát 4 eltérő funkciós csoport veszi körül, akkor a kétféle nukleofil szubsztitúciós reakciótípus eltérő végeredményre vezet. Amennyiben a reakció SN1 típusú, úgy a második lépésben belépő csoport vagy kizárólag ugyanarról az oldalról léphet be, mint amely oldalon a távozó csoport kilépett, és ekkor a konfiguráció megőrződik, vagy mindkét oldalról beléphet, és ekkor racém elegy keletkezik. Amennyiben azonban a reakció SN2 típusú, úgy a belépő csoport csak ellentétes oldalról érkezhet, mint amerre a távozó csoport kilép, így a konfiguráció megfordul.

2.3.3. Molekulán belüli csoportátrendeződés

A biokémiai reakciótípusok következő típusát azok a kémiai reakciók jelentik, amelyek során az átalakulás egyetlen molekulán belül történik. Ezeknek a reakcióknak a végeredménye tipikusan az, hogy két funkciós csoport egymással mintegy helyet cserél. Bár a végeredmény valóban ezt sugallja, mint látni fogjuk, a reakció ettől eltérő úton zajlik. A reakció során valójában protonok és elektronok rendezett újraelosztása megy végbe a molekulán belül. Tipikus példa erre a glikolízis második lépése, amelyben glükóz-6-foszfátból fruktóz-6-foszfát keletkezik (lásd 2.15. ábra).

A reverzibilis reakció során a glükóz-6-foszfátot kiindulási anyagként tekintve egy aldózból ketóz keletkezik, így a folyamat végére a karbonilcsoport és az alkoholos (H-C-OH) részletek mintegy helyet cserélnek. A folyamat a valóságban általános sav-bázis katalízissel, egy ettől teljesen eltérő útvonalon zajlik a foszfohexóz-izomeráz enzim közreműködésével. Egy ehhez hasonló enzimatikus folyamat részleteit később az enzimműködés mechanizmusok között részletesebben is tárgyaljuk (lásd 8.5.2. fejezet).

2.15. ábra: A csoportátrendeződés bemutatása a glükóz-6-foszfát fruktóz-6-foszfáttá alakulásának példáján

2.15. ábra: A csoportátrendeződés bemutatása a glükóz-6-foszfát fruktóz-6-foszfáttá alakulásának példáján

A folyamat első lépésében az enzim aktívcentrumában egy bázis protont von el a szénhez kapcsolódó hidrogéntől (lásd 2.5.5. fejezet). Ettől a szénen megjelenik egy extra elektron, ami lehetővé teszi, hogy a két egymáshoz kapcsolódó szénatom között kettőskötés alakuljon ki. A kettőskötés kialakulása ugyanakkor azzal járna, hogy a karbonilcsoport oxigénje egyszeres kötéssel kapcsolódjon a szénatomhoz, és negatív töltést hordozzon. Ez egy magas energiájú állapot lenne, ami elkerülhető azáltal, hogy egy savként funkcionáló enzimcsoport protonálja ezt az oxigént. Így egy éndiol köztes állapot alakul ki, amelyben a kettőskötéssel egymáshoz kapcsolódó mindkét szénatom hidroxilcsoportot is hordoz.

Ebből az állapotból a reakció az alábbiak szerint zajlik tovább. A korábban bázisként protont felvett csoport immár savként protont ad le a kettőskötésnek, miközben a korábban savként protont leadó, immár bázisként funkcionáló másik csoport protont vesz fel attól a hidroxilcsoporttól, amelyik a reakció elején is hidroxil állapotban volt. Ennek eredményeként az éndiol úgy alakul át, hogy az a szénatom, ami korábban karbonilcsoport része volt, most egy hidrogént és egy hidroxilt hordoz, míg az, amelyik ez utóbbiakat hordozta, karbonilcsoportba kerül. Eközben a folyamatot savként illetve bázisként szimultán katalizáló két csoport eredeti állapotába kerül.

2.3.4. Csoporttranszfer reakciók

A biokémia által vizsgált folyamatok nagy hányadában két molekula reagál egymással úgy, hogy az egyikről egy funkciós csoport átkerül a másikra. A folyamat leggyakrabban nukleofil szubsztitúcióval zajlik. (Itt látható, hogy a nukleofil szubsztitúció, mint kémiai reakciótípus több különböző biokémiai reakciótípusnál is megjelenik).

A csoporttranszfer egyik tanulságos példája a glikolízis első lépése, melynek során (a hexokináz enzim által katalizált folyamatban) ATP-ből foszforilcsoport kerül át glükózra. Ahogy azt a

2.16. ábra jelzi, a glükóz 6. szénatomján lévő hidroxilcsoport végez nukleofil támadást az ATP gamma- foszfátcsoportjában lévő foszfor atomon. A nukleofil szubsztitúcióra vonatkozó tárgyalás szerint a támadó csoport itt egy hidroxil, míg a távozó csoport tulajdonképpen az ADP molekula. A foszforilcsoport átvitelével a glükózból glükóz-6-foszfát keletkezik. A glükózra került foszforilcsoport és az eredetileg is az ott lévő oxigén együttesen foszfátcsoportot képez. A glükózon eredetileg szereplő hidroxil rossz, a reakció során keletkezett foszfát azonban jó távozó csoport. Ennek a glikolízis egy későbbi lépésében fontos szerepe lesz.

2.16. ábra: A csoporttranszfer reakció bemutatása a glükóz-6-foszfát keletkezésének példáján keresztül

2.16. ábra: A csoporttranszfer reakció bemutatása a glükóz-6-foszfát keletkezésének példáján keresztül

Érdemes megjegyezni, hogy a glükóz-6-foszfát nem keletkezhet glükóz és szervetlen foszfát reakciójából. Egy ilyen folyamatban ugyanis a glükóz jó nukleofil támadó, tehát rossz távozó hidroxilcsoportját kéne lecserélni egy, a hidroxilnál jóval gyengébb nukleofil támadó (és emiatt sokkal jobb távozó) foszfát csoporttal. Ugyanezt általánosabb termodinamikai értelmezésben megfogalmazva glükóz-6-foszfát azért nem keletkezhet ezen az úton, mert egy ilyen folyamat növelné a rendszer szabadentalpiáját. Amikor azonban a glükóz-6-foszfát ATP részvételével keletkezik, a folyamat már spontán végbemegy, ugyanis az ATP ADP-vé történő átalakulása nagyobb szabadentalpia csökkenést okoz, mint amilyen szabadentalpia növekedéssel az jár, hogy a glükózból glükóz-6-foszfát keletkezik (további részletek erről az ún. kapcsolt reakciók leírásánál olvashatók a 3.4.6. fejezetben).

2.3.5. Kondenzációs reakciók vízkilépéssel

A biokémiai reakciótípusok utolsó csoportját azok a reakciók alkotják, melynek során két molekula összekapcsolódik, miközben egy vízmolekula szabadul fel. Ezt a reakciótípust röviden kondenzációs reakciónak nevezik.

Ez egy rendkívül fontos reakciótípus, ugyanis az élő szervezetet felépítő makromolekulák, poliszacharidok, nukleinsavak és fehérjék – legalábbis formálisan – mind így keletkeznek. A 2.17. ábra szereplő példa azt mutatja be, hogy egy dipeptid két aminosavból történő létrejötte formálisan egy vízkilépéssel, kondenzációval valósulhat meg.

2.17. ábra: Egy dipeptid kialakulása formálisan kondenzációs reakcióval írható le

2.17. ábra: Egy dipeptid kialakulása formálisan kondenzációs reakcióval írható le

Nagyon fontos azonban megértenünk, hogy ez a reakció ebben a felírásban nem valósulhat meg. Vegyük észre, hogy a kondenzáció is egy nukleofil szubsztitúció lenne, amelyben egy amin lenne a támadócsoport, és egy annál jóval erősebb támadócsoport, a hidroxil (amely részt venne a vízmolekula kialakításában) lenne a távozó csoport (lásd a nukleofil csoportok 2.4. táblázatát).

A korábban elmondottak szerint ez termodinamikailag kedvezőtlen lenne, növelné a rendszer szabadentalpiáját. Ez egyben azt is jelenti, hogy éppenséggel a kondenzációs reakcióval ellentétes folyamat, a hidrolízis játszódhat le spontán, amelyben a dipeptid vízzel reagálva két aminosavra bomlik. Ez utóbbi folyamat az erős nukleofil víz a támadócsoport, és a gyengébb nukleofil amin a távozó csoport.

A csoporttranszfer reakcióban bemutatott esethez hasonlóan itt is az a megoldás, hogy a kondenzáció valójában egy másik úton zajlik úgy, hogy a reakció során egy másik, nagy szabadentalpia csökkenéssel járó molekuláris átalakulás is végbemegy (lásd 2.18. ábra).

2.18. ábra: A valóságban a peptidkötés kialakulása aktivált aminosav egységeket igényel

2.18. ábra: A valóságban a peptidkötés kialakulása aktivált aminosav egységeket igényel

A szervezetben az aminosavak aktiválásra kerülnek ahhoz, hogy összeépülhessenek. Összeépülésükkor nem szabad aminosav állapotban vannak, hanem egy tRNS molekulához vannak kapcsolva kovalensen, észterkötéssel. (Amint azt később, a transzláció fejezetében látni fogjuk, az aminoacil-tRNS molekulák ATP segítségével jönnek létre; lásd 16.2. fejezet). Az észterkötés elbomlása szabadentalpia csökkenést okoz. A reakciót megvizsgálva továbbra is azt látjuk, hogy egy amin végez nukleofil támadást egy karbonil szénatomon, de a kilépő csoport nem egy hidroxil, hanem egy tRNS molekula. Ez a reakció egy újabb példája annak, hogyan lehet egy energiaigényes szintetikus folyamatot végső soron ATP-ben rejlő kémiai energia segítségével végrehajtani.