Biochemia
Pojęcie "biochemia" dotyczy reakcji i procesów zachodzących w żywym organizmie, dzięki którym ów organizm żyje, czyli wytwarza w odpowiednim czasie i miejscu odpowiednie substancje i postacie energii. Biochemia współcześnie, to olbrzymia - i co tu ukrywać - nie najprostsza dziedzina wiedzy, zatem w naszym krótkim rozdziale tytuł nie tyle ma odzwierciedlać w pełni jego treść, co być wskazówką, że tu można dowiedzieć się o niektórych punktach łączących chemię laboratoryjną z tą ożywioną. Przy wcześniejszym omawianiu niektórych związków i reakcji wspominaliśmy już o ich związkach z organizmem żywym (aminokwasy, cukry...), tu raz jeszcze, w jednym miejscu, wskażemy na główne klasy związków mających ogromne znaczenie w życiu.
Historyczna synteza Wöhlera obaliła teorię o istnieniu tajemniczej vis vitalis, koniecznej do otrzymania związków organicznych a nie istniejącej poza żywym organizmem. Jednocześnie otwierając drogę nieskrępowanemu rozwojowi chemii organicznej zmusiła chemików w pewnym momencie do pokory i, paradoksalnie, do częściowego uznania pewnej odmiany vis vitalis, już nie jako metafizycznej siły sprawczej, ale jako możliwości żywego organizmu (nawet tak prostego jak bakterie czy drożdże), wielokrotnie swą sprawnością i wydajnością przekraczającego inżynierskie możliwości człowieka. Zrozumienie tej prawdy dało asumpt do powstania dziedziny wiedzy z pogranicza wiedzy teoretycznej i inżynierskiej - biotechnologii. Można powiedzieć, że biotechnologia to biochemia stosowana w połączeniu z inżynierią materiałową.
Kluczem do zrozumienia procesów chemicznych w żywym organizmie, ich specyfiki i selektywności, jest zrozumienie roli enzymów. Enzymy są to biokatalizatory, regulujące szybkość poszczególnych procesów w organizmie. Są to substancje, w których zazwyczaj możemy wyróżnić część białkową (apoenzym) i grupę prostetyczną, czyli element nie będący układem peptydowym (koenzym). W ogromnym uproszczeniu można uznać, że część białkowa, dzięki swojej przestrzennej strukturze, umożliwia jednym, a uniemożliwia innym cząsteczkom, takie zbliżenie do umieszczonego we wgłębieniu struktury cząsteczki białka koenzymu, że koenzym może utworzyć z daną cząsteczką kompleks aktywny lub związek przejściowy i ułatwić jej przejście w formę produktu ("dziurka od klucza" i pasujący do niej klucz). Ponadto, grupy funkcyjne aminokwasów tworzących łańcuch polipeptydowy białka są w stanie "przytrzymać" tak długo reagującą cząsteczkę, by wydajność reakcji (jej szybkość) była odpowiednia dla danego procesu życiowego.
Kształt części białkowej, oraz występowanie w niszy reakcyjnej ugrupowań hydrofilowych, warunkuje sekwencja aminokwasów łańcuchów polipeptydowych. Struktura cząsteczki białka determinuje możliwość tworzenia związków przejściowych z substratami i działanie katalityczne. Determinacja ta jest tak silna, że np. enzymy, które katalizują reakcje ze związkami o konfiguracji L są zupełnie nie aktywne w przypadku identycznych związków, ale o konfiguracji D.
Reakcja nie zachodzi, jeśli kształt cząsteczki i niszy z koenzymem (klucz i "dziurka") nie pasują do siebie. Na tej selektywności działania enzymu oparta jest cała biochemia, jest to najistotniejszy czynnik, który odróżnia je od "zwykłych" organicznych i nieorganicznych katalizatorów.
Samo działanie katalityczne enzymu polega najczęściej na działaniu grupy koenzymu i w jego działaniu nie ma niczego tajemniczego.
Organizm aby żyć musi być zaopatrywany w energię, potrzebną np. do poruszania się, utrzymywania temperatury ciała itp. Energia ta jest dostarczana głównie pod postacią energii chemicznej cząsteczek pożywienia - głównie węglowodanów. Węglowodany powstając w roślinie pod wpływem fotosyntezy, tzn. łączenia się ditlenku węgla i wody przy katalitycznym udziale chlorofilu, są cząsteczkami o dużym potencjale energetycznym. Zamieniając się w organizmie na dwutlenek węgla i wodę, wyzwalają tę energię, która legła u podstaw ich syntezy. Przemiana spożywanych węglowodanów (głównie skrobi) w zwierzęcy cukier zapasowy - glikogen, oraz przemiana policukrów w końcowy ditlenek węgla i wodę przebiega przez szereg pośrednich reakcji, w których stopniowo, "na raty" uwalniana jest energia wewnętrzna cząsteczek polisacharydów. Każda z tych reakcji jest katalizowana specyficznym enzymem. Na przykład kozy, co jest wyjątkiem wśród ssaków, maja enzym trawiący celulozę - innymi słowy mogą karmić się np. papierem. Większość ssaków, w tym i człowiek celulozy nie trawi, natomiast ich układy enzymatyczne bez trudu radzą sobie ze skrobią czy glikogenem.
Atomy węgla w cząsteczce polisacharydu występują na różnych stopniach utlenienia - od -3 do +3, zaś w końcowym ditlenku węgla na +4 stopniu utlenienia. Tak więc cały proces przetwarzania polisacharydów (i nie tylko) jest procesem utlenienia i redukcji (te dwa typy reakcji są ze sobą nierozerwalnie połączone - reakcje redoks), prowadzącym do utlenienia atomów węgla, a to jak wiemy jest procesem egzoenergetycznym. Całemu temu cyklowi przemian towarzyszy kilka ważnych związków, określanych skrótowo jako - ATP i ADP oraz NAD i NADH.
ATP to skrót od adenosine triphosphate (trifosforan adenozyny), ADP to difosforan adenozyny (adenosine diphosphate). Adenozyna zaś, to nukleozyd zbudowany z cząsteczki rybozy i cząsteczki adeniny, wiązanej wiązaniem b :
adenozyna
Trifosforan adenozyny (ATP) w reakcji z innymi związkami "oddaje" jedną grupę reszty kwasu fosforowego przechodząc w difosforan adenozyny (ADP). Ponieważ energia wewnętrzna ADP jest mniejsza niż ATP, wraz z grupa fosforanową została przekazana energia. ADP w innych reakcjach daje z jonem fosforanowym ponownie cząsteczkę ATP, ta reakcja z kolei potrzebuje dostarczenia energii. Tak więc przemiany ATP <——> ADP są metodą na przekazywanie energii, a ATP możemy uznawać za nośnik energii.
W procesie utleniania polisacharydów, w końcowych etapach procesu, gdzie dochodzi do rozbicia cząsteczek glukozy, bierze udział koenzym A o podobnej co ADP strukturze:
Związek ten bierze także istotny udział w budowaniu cząsteczek kwasów tłuszczowych w organizmie. Tak to koenzym A łączy przyjemność spożywania słodyczy z nieprzyjemnością (i szkodliwością) nadwagi ciała łakomczuchów. Nadmiar węglowodanów (w stosunku do bieżącego zapotrzebowania organizmu na energię) dostarczonych organizmowi z pożywieniem zostaje w przeważającej części przerobiony na tłuszcz. Synteza kwasów tłuszczowych w organizmie przebiega zawsze poprzez dobudowywanie dwuwęglowej jednostki do łańcucha, stąd naturalne kwasy tłuszczowe charakteryzuje zawsze parzysta ilość węgli w cząsteczce (łącznie z węglem grupy karboksylowej).
W jądrach komórkowych wykryto niezmiernie ważne z punktu widzenia procesów życiowych substancje, które otrzymały nazwy nawiązujące do miejsca występowania - nucleus - jądro. Są to nukleozydy, nukleotydy i kwasy nukleinowe .
Nukleozydy to połączenia zawierające cząsteczkę cukru (zazwyczaj rybozy) i heterocyklicznej zasady azotowej.
Nukleotyd, to nukleozyd, w którym alkoholowa grupa cząsteczki cukru została zestryfikowana kwasem fosforowym(V).
Polimeryczne łańcuchy nukleotydowe noszą nazwę kwasów nukleinowych. Jeżeli jako jednostka cukrowa w nukleozydzie, tworzącym nukleotyd, występuje ryboza, kwas taki nazywamy kwasem rybonukleinowym (RNA - ribonucleid acid). W przypadkach gdy jednostką cukrową jest cząsteczka rybozy pozbawiona tlenu przy węglu C2 (deoksyryboza) kwas nukleinowy nosi nazwę kwasu deoksyrybonukleinowego (DNA).
Ważnymi związkami, występującymi w procesie przenoszenia energii, obok ADP i ATP jest koenzym NAD i jego zredukowana forma NADH. Podobnie jak ATP i ADP bierze on udział w etapach rozkładu cząsteczki glukozy do dwutlenku węgla i wody, np. NADH uczestniczy w powstawaniu kwasu mlekowego przez redukcję kwasu pirogronowego w mięśniach podczas wysiłku.
Samo przejście NAD w NADH wygląda następująco:
Kwasy nukleinowe to polimeryczne łańcuchy o budowie wg schematu:
zwane łańcuchami polinukleotydowymi. Kwas fosforowy(V) łączy estrowo grupy alkoholowe cukru przy atomach C3 i C5 furanozowej postaci cząsteczki cukru. Najważniejsze kwasy nukleinowe, czyli DNA i RNA zawierają tylko kilka, ściśle określonych zasad hetrocyklicznych. W DNA stwierdzono obecność adeniny (A), guaniny (G), cytozyny (C), 5-metylocytozyny i tyminy (T). Kwasy rybonukleinowe (RNA) zawierają adeninę (A), guaninę (G), cytozynę (C) i uracyl (U).
W kwasach nukleinowych, podobnie jak w białkach wyróżniamy strukturę pierwszorzędową, czyli sekwencję wymienionych wyżej zasad heterocyklicznych. Kształt łańcuchów polinukleidowych i ich wzajemne usytuowanie to struktura drugorzędowa. W DNA dwa identyczne łańcuchy w postaci prawoskrętnych spirali (heliksów), zawierające 10 zasad na każdy skręt heliksu, są ułożone jeden wokół drugiego w przeciwnych kierunkach, tworząc nić o średnicy około 2 nm. Heliksy łączą się między sobą wiązaniami wodorowymi występującymi między zasadami każdego z heliksów składowych. Wielkości cząsteczek sugerują, że wiązania te mogą występować jedynie w parach adenina-tymina (A...T) i guanina-cytozyna (G...C).
Struktura drugorzędowa różnego rodzaju kwasów nukleinowych może być oczywiście różna od przedstawionej powyżej
Cząsteczki DNA mogą się powielać, czyli powodować syntezę określonych nowych cząsteczek DNA, oraz kierować syntezą specyficznych białek w organizmie.
W najprostszym ujęciu możną powiedzieć, że cztery zasady występujące w łańcuchu kwasu DNA to cztery znaki (bity informacji genetycznej) przy pomocy których zapisana jest cała informacja genetyczna. Tak jak w językach europejskich do zapisania wręcz nieskończonej ilości informacji wystarcza około 20 znaków (liter) tak przyrodzie do zapisania wszelkich koniecznych informacji dotyczących organizmu wystarczy ich 4.
W podwójnym heliksie DNA sekwencja zasad w jednym łańcuchu (struktura I-rzędowa) determinuje sekwencję drugiego łańcucha. Zawsze bowiem zasady leżące naprzeciwko siebie w DNA tworzą identyczne pary. Tak więc podwójna spirala DNA [1] po rozwinięciu się i podzieleniu na dwie składowe nici [2] odbudowuje nowe spirale składowe identyczne z poprzednimi [3].
Precyzyjne kierowanie syntezą białek w organizmie przez DNA i RNA, w bardzo uproszczonym opisie, przebiega następująco:
DNA służy jako matryca, na podstawie której powstaje łańcuch RNA. Częściowo "rozplatana" nić DNA służy do matrycowej syntezy RNA (analogicznie, jak opisana powyżej replikacja nici DNA). Różnica polega jedynie na tym, że w syntezie RNA uczestnicy ryboza a nie deoksyryboza, jak to było w przypadku DNA - ten proces nazywamy transkrypcja. W łańcuchu RNA występuje zawsze uracyl tam gdzie w DNA była adenina, cytozyna naprzeciw guaniny, adenina naprzeciw tyminy i guanina naprzeciw cytozyny:
Tak więc struktura pierwszorzędowa RNA (sekwencja cząsteczek w łańcuchu polinukleotydowym) jest zdeterminowana strukturą wytwarzającego go DNA, choć jest od niej różna.
Jeden z RNA, zwany RNA informacyjnym (mRNA - messenger RNA) przenosi informację genetyczna z DNA do rybosomu, gdzie następuje synteza odpowiedniego białka (proces przez biochemików nazywany translacją). mRNA przyłącza cząsteczki tRNA (RNA transportującego) połączone z odpowiednimi dla nich aminokwasami. Tak więc kod DNA poprzez kodowanie mRNA i tRNA determinuje sekwencje aminokwasów powstającego białka (jego strukturę I-rzędową, a więc główne cechy chemiczne i biologiczne). Istnieją aż (tylko?) 64 tzw. kodony (codons), czyli trzyelementowe sekwencje zasad, z których każda jest odpowiedzialna za wbudowanie w łańcuch polipeptydowy odpowiedniego aminokwasu. Na przykład układ UUU dla fenyloalaniny, GUG dla waliny, GAA lub GAG dla dla kwasu glutaminowego itp. Ponieważ kodonów jest 64 a białkowych aminokwasów tylko nieco ponad dwadzieścia, wbudowanie tego samego aminokwasu wywoływane jest przez kilka różnych kodonów.
Na przykładzie tego króciutkiego opisu podstawowych funkcji życiowych widzimy, jak ważne są nie tylko właściwości cząsteczki spowodowane jej chemizmem (skład pierwiastkowy i sposób połączenia atomów w cząsteczce) lecz także wielkość i kształt cząsteczki - o czym dość często skłonni jesteśmy zapominać w "zwykłej" chemii, a co ma fundamentalne znaczenie w biochemii.
Kaacha91