Úvod do biochémie

Dagmar HEINOVÁ

Začlenenie živých systémov v rámci

hmotných sústav

Živé systémy (bunka, organizmus ako

celok) sú špecifickou formou
štruktúrne-funkčného usporiadania
hmoty. Sú súčasťou hmotných sústav,
ktoré existujú okolo nás i v nás.
Súčasná veda pozná nasledujúce typy
hmotných sústav:

Hmotné sústavy

elementárne častice a polia;

atómy a molekuly;
mikroskopické a makroskopické telesá;
Zem a iné planéty;
hviezdy;
vnútrogalaktické systémy;
Galaxia;
sústava galaxií;
metagalaxie;
živé sústavy.

Spoločné vlastnosti hmotných sústav

Všetky typy hmotných sústav včítane živých

systémov sa vyznačujú niektorými základnými
a univerzálnymi vlastnosťami, ktoré ich
navzájom spájajú:

- jestvujú v priestore a v čase, v ktorom na

seba navzájom pôsobia;

- majú svoju štruktúru a systémovú

organizovanosť;

- sú v neustálom pohybe a majú schopnosť

neustálej premeny z jedného stavu na iný.

Ciele a zameranie biochémie

Pred 4 miliardami rokov vznikol na Zemi

život, a to v podobe jednoduchých
mikroorganizmov. Tieto si vyvinuli
schopnosť využívať energiu z organických
zlúčenín alebo zo slnečných lúčov na
tvorbu (syntézu) širokej škály zložitých
biomolekúl za využitia jednoduchých
prvkov a zlúčenín.

Biochémia študuje ako vznikajú jedinečné

vlastnosti živých organizmov z týchto
neživých biomolekúl. Jej cieľom je ukázať
ako neživé molekuly, ktoré tvoria

organizmus navzájom interagujú za

účelom udržania a zachovania života,
pričom sa riadia fyzikálnymi a
chemickými zákonmi, ktoré riadia neživý
svet.

Hlavné charakteristiky živých sústav,

ktoré ich odlišujú od neživých:

- vysoký stupeň chemickej komplexnosti a

mikroskopická organizovanosť;

- prítomnosť systémov schopných využiť a

transformovať energiu zo svojho

prostredia;
- majú schopnosť presnej vlastnej replikácie

a seba organizovania sa;

- obsahujú mechanizmy pre vnímanie a

odpovedanie na zmeny v ich prostredí;

- každá zlúčenina má svoju presnú funkciu,

pričom medzi nimi existujú vzájomné
regulačné mechanizmy.

Základy biochémie

- molekulová biológia;
- chémia;
- fyzika;
- genetika;
- evolučné štúdie.

I. Molekulové základy biochémie
Napriek veľkej rôznorodosti živých

organizmov (tvar, veľkosť, špecializácia

funkcií) zdieľajú tieto systémy niektoré

spoločné základné vlastnosti:

- základnou štruktúrne-funkčnou jednotkou

je bunka;

- prítomnosť plazmatickej membrány, ktorá

oddeľuje bunkový obsah od okolitého

prostredia a má charakteristické zloženie:

lipidovú dvojvrstvu s obsahom bielkovín s

rôznou funkciou (receptory, transportné

kanály, enzýmové systémy, atď.);

- obsah bunky tvorí cytoplazma, ktorá je

zložená z cytosolu s obsahom: rôzne

- rôznych suspendované častice (organely)

so špecifickými funkciami
(kompartmentácia: jadro, mitochondrie,
Golgiho aparát, endoplazmatické retikulum,
peroxizómy, ribozómy, lyzozómy, atď);

- enzýmy a RNA molekuly oba vo vysokých

koncentráciách;

- zložky tvoriace biomakromolekuly

(aminokyseliny, nukleotidy);

- stovky malých organických molekúl –

metabolitov;

- intermediáty biosyntetických a

degradačných ciest;

- koenzýmy;
- anorganické ióny.

Rozdelenie organizmov podľa spôsobu

získavania energie potrebnej pre ich život :

1) fototropné (gr. trophos – výživa, potrava);

pre svoju existenciu zachytávajú a využívajú

energiu slnečných lúčov (fotosyntéza);

2) chemotropné organizmy získavajú energiu

z energeticky bohatých chemických zlúčenín
prijatých potravou, ktoré oxidujú na vodu a
oxid uhličitý (oxidatívna fosforylácia spojená
s glykolýzou, pyruvátdehydrogenázovým
systémom a Krebsovým cyklom).

II. Chemické základy biochémie
- iba 30 chemických prvkov je nevyhnutných

pre existenciu živých organizmov, z ktorých
len 4 sú základné pre tvorbu biomolekúl:

vodík, kyslík, dusík a uhlík – tvoria až 99%

atómov prítomných v bunke. Jedná sa o
najľahšie prvky schopné tvoriť jednu, dve, tri
až štyri väzby, pričom tieto prvky tvoria silné
väzby.

- biomolekuly sú zlúčeniny uhlíka s

obsahom veľkej škály funkčných skupín.

- systém usporiadania uhlíkových atómov:
Kovalentne viazané uhlíkové atómy v

biomolekulách môžu tvoriť lineárne reťazce
ako aj cyklické štruktúry. Na tieto uhlíkové
skelety sú naviazané funkčné skupiny, čím
molekula získava svoje špecifické chemické
vlastnosti.

Typické biomolekuly sú napr.:
- alkoholy s hydroxylovou/ými funkčnými

skupinami;

- amíny s amino skupinami;

- aldehydy a ketóny s karbonylovými

skupinami;

- karboxylové kyseliny s karboxylovými

skupinami.

- mnoho biomolekúl obsahuje dve a viac

rôznych druhov funkčných skupín, z ktorých
každá má svoje chemické vlastnosti a
poskytuje vlastné chemické reakcie. Tým

je zabezpečená štruktúrne-funkčná

biochemická špecificita príslušných látok.

- bunky obsahujú univerzálnu sadu malých

molekúl prítomných v ich vodnej fáze
(cytosole): aminokyseliny, nukleotidy,
sacharidy a ich fosforylované deriváty,
karboxylové kyseliny;

- plazmatická membrána je pre uvedené

molekuly nepriepustná a ich pohyb do a von
z bunky zabezpečujú špecifické
membránové transportéry;

- univerzalita výskytu týchto malých molekúl

v rôznych bunkách pravdepodobne odráža

evolúciu metabolických ciest, ktoré sa

vyvinuli vo vývojovo raných bunkách.

Hlavnými zložkami živých sústav (buniek)

sú biomakromolekuly. Sú to polyméry s
veľkou molekulovou hmotnosťou zložené zo
základných monomérov:

- proteíny z aminokyselinových jednotiek;
- nukleové kyseliny z nukleotidov a
- polysacharidy z monosacharidov.
Syntéza makromolekúl je spojená s hlavnou

spotrebou energie v bunke. Makromolekuly
sa môžu ďalej organizovať do
supramolekulových komplexov, ktoré

tvoria funkčné jednotky (napr. ribozómy,

oxidačno-redukčné enzýmy dýchacieho
reťazca, atď.).

Enzymológia

Dagmar HEINOVÁ

Vlastnosti živých sústav

Základnou vlastnosťou hmoty je pohyb.

Rozumieme tým predovšetkým
schopnosť hmoty premieňať sa z
jedného stavu na iný. Všetky životné
procesy ako prejavy pohybu hmoty sú
spojené s premenami
(biotransformáciami) látok a energie,
ktorý nazývame metabolizmus (obr. 1):

TOK LÁTOK A ENERGIE V ŽIVÝCH SÚSTAVÁCH

živá sústava

(metabolizmus)

teplo

exkréty

CO

2 + H2O

anabolizmus

katabolizmus

H

2O

živiny, O

2

energia

Základná charakteristika enzýmov

Chemické reakcie (biotransformácie)

prebiehajú v živých sústavách v
prítomnosti látok, ktoré nazývame
enzýmy. Z funkčného hľadiska sa jedná
o biokatalyzátory, t.j. urýchľujú
chemické deje, ktoré by bez ich
prítomnosti vôbec nemohli prebiehať,

prípadne by prebiehali extrémne dlho

alebo by vyžadovali extrémnu teplotu,
tlak či pH. Enzýmom katalyzované
reakcie prebiehajú 103až 1017 krát
rýchlejšie než tie isté nekatalyzované
reakcie. Túto vlastnosť enzýmov
nazývame katalytická mohutnosť
enzýmov. Vyjadruje sa podielom
rýchlosti katalyzovanej reakcie k

cat ku

nekatalyzovanej reakcie k

nekat (Tab. 1):

Katalytická mohutnosť enzýmov

Enzým v bez E v katalyzovaná E
(s-1) (s-1)
Chymotrypsín 4.10-9 4.10-2
Lyzozým 3.10-9 5.10-1
Triozofofosfát-
Izomeráza 6.10-7 2.103
Fumaráza 2.10-8 2.103
Ureáza 3.10-10 3.104
Adenozín-
deamináza 1.10-12 1.102
Alkalická fosfatáza 1.10-15 1.102

Katalytická mohutnosť niektorých enzýmov

Enzým akceleračná

rýchlosť

(k

cat/knekat)

Chymotrypsín 1.107
Lyzozým 2.108
Triozofosfátizomeráza 3.109
Fumaráza 1.1011
Ureáza 1.1014
Adenozíndeamináza 1.1014
Alkalická fosfatáza 1.1017

Špecificita enzýmov

Okrem katalytickej mohutnosti sa

enzýmy vyznačujú vlastnosťou, ktorú

nazývame špecificita. Špecificita

enzýmu je spojená s látkou, ktorej

biochemickú premenu enzým

katalyzuje. Ako výsledok tejto reakcie

vzniká nová chemická látka. V

biochémii používame na označenie

chemicky premieňanej látky pojem

substrát, vzniknutú látku nazývame

produkt.

Niektorý enzým môže zabezpečovať

katalýzu premeny viacerých štruktúrne
podobných substrátov (široká
špecificita, napr. proteázy, hexokinázy),
zatiaľ čo iný enzým je schopný pôsobiť
iba na jedinú chemickú molekulovú
štruktúru (striktná špecificita: prevažná
časť enzýmov). Špecificitu enzýmu
podmienenú štruktúrou substrátu
nazývame substrátová špecificta.

Okrem substrátovej špecificity sa

enzýmy vyznačujú aj tzv. reakčnou

špecificitou (špecificita enzýmovej

reakcie). Špecificita enzýmovej reakcie

vyjadruje skutočnosť, že pri premene

substrátu na produkt nedochádza k

tvorbe vedľajších nežiaducich,

toxických, resp. potenciálne toxických

produktov (usporiadanie premeny

látok do step-by-step nasledujúcich

reakcií v rámci metabolických ciest).

ZÁVER

Vysoká katalytická účinnosť a špecificita

enzýmov zabezpečuje pre živé bunky:

a) úsporu energie
b) zabraňuje tvorbe potenciálne toxických
vedľajších produktov jeho metabolizmu.

Štruktúra enzýmov

Väčšina enzýmov má charakter

bielkoviny. Existujú aj niektoré tRNA,

ktoré sa vyznačujú katalytickou

aktivitou.

Bielkovinové enzýmy, ako všetky

bielkoviny, majú svoju primárnu

štruktúru, ktorá determinuje ich

sekundárnu a terciárnu štruktúru.

Obr.: primárna štruktúra

chymotrypsínu:

Primárna štruktúra
chymotrypsínu

Z hľadiska terciárnej štruktúry má väčšina

enzýmov globulárny charakter vďaka čomu
sa vyznačujú hlavnou funkčnou vlastnosťou
globulárnych bielkovín:

schopnosťou

špecificky viazať jednu alebo viac
molekúl iných látok (substrátov,
inhibítorov, koenzýmov, atď.):

Obr.: Schéma terciárnej štruktúry

chymotrypsínu:

Chymotrypsín

Aktívne miesto:
His57-Asp102-
-Ser195

Chymotrypsín

schopnosťou špecificky viazať jednu alebo

viac molekúl iných látok (substrátov,

inhibítorov, koenzýmov, atď).

Na povrchu enzýmu sa nachádza tzv.

aktívne miesto (centrum) enzýmu. Je to

spravidla hydrofóbna štrbina na povrchu

enzýmovej molekuly, ktorá obsahuje

aminokyselinové zvyšky nazývané

katalytické skupiny. Katalytické skupiny

priamo zabezpečujú tvorbu alebo rušenie

chemických väzieb premieňaného substrátu.

Takýmito funkčnými skupinami sú

najčastejšie:

Voľné karboxylové skupiny kyseliny glutámovej

a asparágovej;

Amidové skupiny glutamínu a asparagínu;
Guanidínová skupina arginínu;
6-aminoskupina lyzínu;
hydroxylová skupina serínu;
fenolová skupina tyrozínu;
tiolová skupina cysteínu;
imidazolové jadro histidínu;
indolové jadro tryptofánu.

Okrem terciárnej štruktúry majú niektoré

enzýmy aj tzv. kvartérnu štruktúru.
Táto štruktúra sa vyznačuje tým, že
enzýmová molekula pozostáva z
viacerých navzájom spojených
polypeptidových podjednotiek, pričom
katalytická aktivita enzýmu spravidla sa
prejavuje iba v tomto usporiadaní
(dimérna štruktúra katalázy, kvartérna
štruktúra laktátdehydrogenázy, atď.)

Ľudská dihydrofolátreduktáza
v komplexe s kyselinou listovou

Dihydrofolátreduktáza
je enzým, ktorý
redukuje kyselinu
dihydrolistovú na
kyselinu
tetrahydrolistovú za
použitia NADPH ako
donora elektrónov (de
novo syntéza purínov
a niektorých
aminokyselín).

Okrem aktívneho miesta na molekule enzýmu

často rozoznávame tzv. väzbové miesto
enzýmu. Je to sekvencia aminokyselín blízko
aktívneho miesta, kde sa viaže substrát,
avšak tu nedochádza k jeho premene na
produkt. Zabezpečuje správnu orientáciu
substrátu za účelom jeho väzby na aktívne
centrum.

Ďalšie funkčné skupiny bielkovinovej molekuly

enzýmu sú dôležité pre pôsobenie enzýmu
tým, že udržujú priestorovú štruktúru enzýmu,
a tým aj aktívneho miesta enzýmu.

Predĺžené väzbové miesto trypsínu

Väzba substrátu na aktívne miesto enzýmu

- staršia teória väzby substrátu na

aktívne miesto enzýmu ju vysvetľovala
analógiou princípu zámku a kľúča.
Podľa tejto teórie by aktívne miesto
bolo plasticky vytvárané ako presný
odliatok (negatív) príslušného
substrátu. (E. Fischer).

- novšia teória predpokladá, že aktívne

miesto enzýmu je menej presným
negatívom substrátu, je však ohybné

(flexibilné) takže pri vzájomnej väzbe so

substrátom sa jeho tvaru prispôsobí. Táto
teória sa nazýva teória indukovaného
prispôsobenia (Koshland, 1958).

Charakterizácia enzýmov podľa štruktúry

molekluly

V prípade väčšiny enzýmov je celá

molekula včítane aktívneho miesta
bielkovinovej povahy. Takéto enzýmy
nazývame apoenzýmy (predovšetkým
hydrolázy). Iné enzýmy majú vo svojej
molekule pevne viazaný atóm kovu, a preto
ich nazývame metaloenzýmy, napr.

Zn v karboxypeptidáze.
Na katalytickom pôsobení mnohých

enzýmov sa zúčastňujú tzv. kofaktory.
Je to nebielkovinová zložka, ktorá
obvykle preberá od substrátu niektoré
atómy alebo skupiny atómov a v
nasledujúcej reakcii ich odovzdáva
inému substrátu alebo kofaktoru. Ak je
kofaktor pevne viazaný na bielkovinovú
zložku enzýmu nazývame ho
prostetická skupina, napr.

flavínmononukleotid (FMN) a

flavínadeníndinukleotid (FAD) u
oxidoreduktáz, pyridoxalfosfát u
aminotransferáz).

Ak sú kofaktory viazané na bielkovinovú

časť enzýmu len slabo, môžu od nej
disociovať. Takéto kofaktory nazývame
koenzýmy. Bielkovinová zložka (apoenzým)
má v tomto prípade dve väzbové miesta:
na jedno sa viaže koenzým a na druhé
miesto sa viaže substrát (komplex sa

nazýva holoenzým)
(napr. dehydrogenázy a koenzým

nikotínamidadeníndinukleotid (NAD)).

Enzýmy, ktoré katalyzujú v bunke za

sebou nasledujúce metabolické reakcie
sú často usporiadane do tzv.
multienzýmových komplexov.
Jednotlivé zložky v týchto komplexoch
sú usporiadané tak , aby priebeh reakcií
bol optimálny (pyruvátdehydrogenáza).

SÚHRN

apoenzým – iba bielkovinová molekula
holoenzým – bielkovinová časť molekuly

spolu s nebielkovinovou zložkou (koenzým,
resp. prostetická skupina

Princíp pôsobenia enzýmov

Princíp pôsobenia enzýmov spočíva v

znižovaní voľnej energie reakcie,

ktorú enzým katalyzuje (viď nasledujúci

obrázok). Bez prítomnosti enzýmu má

reakcia „vysokú“ energetickú bariéru

pre uskutočnenie reakcie, zatiaľ čo v

prítomnosti enzýmu sa táto aktivačná

energia znižuje a reakcia sa tým

urýchľuje:

Klasifikácia a nomenklatúra

enzýmov

V bunkách cicavcov je prítomných okolo 8000

až 10000 rôznych enzýmov, ktoré katalyzujú
rôzne reakcie. V mikrobiálnych bunkách ich je
prítomných cca 3000. Vyvstala teda potreba
zaviesť vhodný systém do rozdelenia a
názvoslovia týchto biokatalyzátorov. Na
začiatku objavovania rôznych enzýmov autori
ich začali pomenovávať podľa vlastného
prístupu (ureáza, pepsín, trypsín, atď.).

Takéto názvy sa označujú ako triviálne.

V r. 1978 došlo medzi vedcami k zhode
tvorby nasledujúceho systematického
spôsobu názvoslovia enzýmov:

názov substrátu + reakcia + áza.
Príklady tvorby názvoslovia enzýmov:
laktátdehydrogenáza;
alanínaminotransferáza:

Laktátdehydrogenázová reakcia

COOH COOH
| NAD+ |
H —C — OH

 C = O

|

 |

CH

3 NADH CH3

+ H

+

laktát pyruvát

Alanínaminotransferázová reakcia

COOH COOH COOH COOH
| | | |
H—C—NH

2 + C=O  C=O + HC—NH2

| |

 | |

CH

3 CH2 PLP CH3 CH2

| |
Ala CH

2 pyruvát CH2

| |
COOH COOH
2-oxoglutarát Glu

Základné skupiny enzýmov

Podľa typu katalyzovanej reakcie

rozdeľujeme enzýmy do šiestich

základných skupín:

EC 1. Oxidoreduktázy (katalýza

oxidoredukčných reakcií, napr.

dehydrogenázy, oxidázy, oxygenázy);

EC 2. Transferázy (transfer skupín z

jednej molekuly na druhú, napr.

metylovú-, acylovú-, dusík-obsahujúcu

skupinu, fosfor-obsahujúcu skupinu, a

iné);

EC 3. Hydrolázy (štiepenie kovalentných

väzieb v prítomnosti molekuly vody ako

druhého substrátu: esterázy, fosfatázy,

gôykozidázy, proteázy);

EC 4. Lyázy (štiepenie alebo tvorba väzieb

bez oxidatívneho alebo hydrolytického

stupňa: karboxylázy, dekarboxylázy);

EC 5. Izomerázy (katalýza zmien v rámci

jednej molekuly: epimerázy, mutázy);

EC 6. Ligázy (=syntetázy) (spájajú dve

molekuly za hydrolytického štiepenia

energeticky bohatej väzby).

V rámci jednotlivých skupín potom ďalej

rozdeľujeme enzýmy do podskupín a
podpodskupín, napr. peptidové hydrolázy.

Veľká skupina enzýmov, ktorá sa vyznačuje

tým, že štiepi peptidové väzby
oligopeptidov a proteínov. Podľa tohto
kritéria sa rozdeľuje na dve podskupiny
exopeptidázy (EC 3.4.11-17) a
endopeptidázy (EC 3.4.21-24).

Exopeptidázy odštiepujú aminokyseliny z N-

konca oligopeptidu (aminopeptidázy) alebo z
C-konca oligopeptidu (karboxypeptidázy).

Endopeptidázy pôsobia na peptidové väzby

vo vnútri proteínového reťazca, pričom
vznikajú kratšie polypeptidové reťazce.

Príklady systematického začlenenia enzýmu:

Chymotrypsín (EC 3.4.21.1):
3. Hlavná skupina: hydroláza
4. Podskupina: proteáza
21. Podpodskupina: serínová proteináza
1. Špecificita Tyr, Phe, Trp.

Trypsín (EC 3.4.21.4):
3. Hlavná skupina: hydroláza
4. Podskupina: proteáza
21. Podpodskupina: serínová proteináza
4. Špecificita: Arg, Lys.

Laktátdehydrogenáza (EC 1.1.1.27):
1.Hlavná skupina: oxidoreduktáza
1.Podskupina: A-CH-OH donor
1.Podpodskupina:NAD+ akceptor
1. Pozícia: 27

Alanínaminotransferáza (EC 2.6.1.2.):

2. Hlavná skupina: transferázy
6. Podskupina: prenos dusík-obsahujúcej skupiny
1. Podpodskupina: prenos aminoskupiny
2. Pozícia: 2

Ďakujem za pozornosť