Kémia | Felsőoktatás » Dr. Nagy József - Enzimek, koenzimek, vitaminok

5. ENZIMEK, KOENZIMEK, VITAMINOK 5.1 Enzimek 5.11 Az enzimek általános tulajdonságai Az enzimek a globuláris fehérjék körébe tartoznak. A szervezet folyamataiban fontos szerepet játszanak, mint biokatalizátorok. Feladatuk abban áll, hogy a sejtekben végbemenı biokémiai reakciók a fiziológiai körülmények között megfelelı sebességgel végbemehessenek. A katalitikus folyamat során a peptidláncban egymástól távoli aminosavrészek kerülnek olyan térhelyzetbe, hogy együttesen fejthetik ki hatásukat. A fehérje felületén egy olyan sajátos szerkezeti részlet alakul ki, amelyhez a szubsztrát molekula illeszkedik, és az enzimhez kapcsolódik. Ez a kötıhely A kötıhely a molekulában lévı ún. katalitikus hellyel együtt, ahol lejátszódhat a katalitikus reakció, az enzim aktív centrumát képezi. A katalitikus helyen azok a funkciós csoportok találhatók, amelyek a szubsztrátum átalakításában közvetlenől részt vesznek. Az enzimek

királis molekulák, képesek különbséget tenni enantiotóp csoportok és felületek között, mintegy 96-98%-os sztereoszelektivitással. Az enzimmőködés részletes folyamatát a tripszin és a kimotripszin-A példáján mutatjuk be (5.1 és 52 ábra) Mindkét enzim a szerinproteázok csoportjába tartozik. Nevük onnan ered, hogy egyrészt proteázok, mert polipeptidek, proteinek hidrolízisét katalizálják. Másrészt pedig azért különböztethetık meg a többi proteáztól, mert a katalitikus reakcióban a szerin aminosav oldallánca játszik döntı szerepet. Mindkét enzimben a katalitikus helyen a láncban egyébként távoli három aminosav a három-dimenziós szerkezetben térközeli helyzetbe kerül: az aszparaginsav (Asp-102), a hisztidin (His-57) és a szerin (Ser-195). Alapvetı különbség a két enzim között a kötıdési hely szerkezetében található. A tripszin elınyösen olyan peptidkötést bont, melynek szomszédságában bázikus oldalláncot

tartalmazó aminosav, pl. lizin, vagy arginin helyezkedik el Ekkor a kötıhely és a szubsztrát között Coulomb-féle ionos kölcsönhatások alakulnak ki. A kimotripszin-A esetében pedig az enzim felületén olyan zsebszerő képzıdmény keletkezik, mely hidrofób kölcsönhatás révén rögzíti a szubsztrátot: a kimotripszin-A így olyan peptidkötést bont, 101 melynek szomszédságában pl. fenilalanin van Ez illeszkedhet a hidrofób falhoz az enzim felületén. A kötıdési hely szerkezetében található alapvetı különbség határozza meg a szerinproteázok specifikusságát. A két különbözı típusú kötıhely az alábbi ábrán látható: 5.1 Ábra A tripszin és a kimotripszin-A kötıhelyének részlete. A katalitikus reakció mechanizmusát a kimotripszin-A példáján mutatjuk be (5.2 ábra) 5.12 A kimotripszin-A hatásmechanizmusa Szerkezete régóta ismert. 1964-ben Hartley megállapította az aminosav-sorrendet, a térszerkezetét Blow határozta

meg 1967-ben. A kimotripszin-A a hasnyálmirigybıl kristályosan izolálható, mintegy 245 aminosavat tartalmazó fehérjebontó enzim. Három peptidláncból áll, melyeket diszulfán-kötések rögzítenek. Az aktív centrum részét itt is a Ser-195, a His-57 és az Asp-102 aminosavak alkotják. Proteináz és peptidáz (hidroláz) szerepe van: kedvezményezetten olyan helyeken bont, ahol a karboxilcsoport aromás aminosav része: pl. fenilalanin, tirozin Az enzim felületén a szubsztrát kötıdési helye egyúttal a sztereospecifikusságot is meghatározza. Ha D-aminosav van jelen ebben a helyzetben, az oldallánc „rossz” irányban, a zsebbel ellenkezı oldalon helyezkedik el. Ezért 102 a szerinproteázok D-aminosavakat nem hidrolizálnak. Észter-kötést is bontanak, észteráz aktivitásuk is van. A peptidkötés hidrolízisének összegzett reakciója a következı: O R C + H 2O enzim NH Q O + R C H2N Q OH Az egyenletben R = az N-terminális, Q = a

C-terminális peptid fragmens. Az aromás oldallánc szerepe, mint említettük, abban rejlik, hogy a kötıhelyen az aromás győrő a kötıhely hidrofób falához kapcsolódik. A folyamatot az 52 ábrán mutatjuk be. Az I-es képen a kiindulási állapotot tüntettük fel. A hidrolizálandó peptidkötést tartalmazó fehérje aromás győrőjével már a kötıhelyhez kapcsolódott nem kovalens kötéssel. Az enzim peptidláncában egymástól távol álló, de a térszerkezetben egymáshoz közel került három aminosav, melyeket már említettünk, így kifejtheti katalitikus hatását. A hisztidin imidazol-győrője egy proton-felvétellel és egy proton-vesztéssel járó lépésben vesz részt, és kialakul a II-es képen látható enzim-szubsztrát komplexben a nukleofil szerinoldallánc. Az alkoholát anion a peptid-karbonilcsoport szénatomja ellen intéz nukleofil támadást, melynek eredménye az un. elsı átmeneti állapot, vagy „tetrahedrális” (tetragonális)

átmeneti állapot, amely a III-as képen látható. Ezután a proton a C-terminális fragmenshez kapcsolódik, mely a szén-nitrogén kötés hasadása után eltávozik. Az Nterminális rész észterkötéssel kapcsolódik az enzimhez és így kialakul a gyakran „acilenzim” intermediernek nevezett vegyület, melyben a szubsztrátot és az enzimet kovalens kötés köti össze (IV). A szerin tulajdonképpen alkoholízissel bontotta el az amid-kötést A következı lépésben keletkezik az V acil-enzim-víz komplexnek nevezett struktúra, a hisztidin egy vízmolekulát deprotonál (V), és a keletkezett hidroxidion újabb nukleofil támadással az észter szénatomhoz kötıdik. Ez egy észter-hidrolízis kezdı lépése Kialakul az un. második átmeneti állapot (VI), melynek stabilizálódása során a második peptidfragmens is szabaddá válik és eltávozik, miközben a proton a hisztidinrıl a szerin hidroxilcsoportjára vándorol. Visszajutunk a VII-es képen bemutatott

alapállapothoz: az enzim készen áll a következı amid kötés hasítására. 103 I II ENZIM ENZIM CH2 Ser-195 CH2 O H N O CH C α Ser-195 CH2 O O H NH H C terminális N His-57 C terminális Nterminális CH C α NH N N His-57 CH2 Nterminális H O O O O Asp -102 Asp -102 IV III ENZIM ENZIM O CH2 Ser-195 CH2 O H C CH α NH Nterminális Ser-195 CH2 O N N Cterminális CH2 C CH α Nterminális H NH N His-57 N His-57 O C terminális H H O O O O Asp-102 Asp -102 V VI ENZIM ENZIM O CH2 Ser-195 C CH α CH2 O N Ser-195 CH2 O H O CH2 C CH α OH N H O H N His-57 Nterminális N His-57 H O O O Asp-102 OH Asp -102 5.2 Ábra A kimotripszin-A hatásmechanizmusa. 104 Nterminális (az 5.2 ábra folytatása) VII ENZIM CH2 Ser-195 CH2 O H N O CH C α Nterminális OH N His-57 H O O Asp -102 Fontosak a hisztidin reakciói. Ebben az imidazolgyőrő a fiziológiás pH-n könnyő protoncserét tesz

lehetıvé, mivel konjugált savának a pKa értéke ∼ 6,2. Az imidazol erısen polarizálja a szerin hidroxilcsoportját, növeli ennek nukleofilitását. Minthogy a szerin hidroximetil-csoportja rendszerint nem túlságosan reaktív, a hisztidin imidazolgyőrőjének a szerin hidroxilcsoportján a negatív töltés kialakításában alapvetıen döntı szerepe van. Ez a protonátmenet valószínőtlen, azonban az aszparaginsav (Asp-102) negatív töltésével stabilizálni képes a hisztidin heterociklusos győrőjének protonálási folyamatát. Az enzim centrumában végeredményben két egymást követı katalitikus reakció játszódik le: egy bázis-katalizált átészterezés, majd egy bázis-katalizált alkoholízis, melyben bázisként a hisztidin szerepel. A kimotripszin-A reakciómechanizmusa jó példája az enzimek mőködésének. Látható, hogy az aktivált állapotok energetikai stabilizálása és a reaktánsok meghatározott, pontos térhelyzetben történı

rögzítése mennyire fontos az aktiválási szabadenergia csökkentésében. Említettük, hogy a kimotripszin-A észterhidrolízist is katalizál. Az alábbi egyszerő példa jól bizonyítja a szerin szerepét. A trimetilecetsav-p-nitrofenil-észterét a kimotripszin A-val reagáltatva, a reakció során az oldatban a p-nitrofenolát anion szabadul fel, mely UV-spetroszkópiával jól követhetı. Ha ezután a reakcióelegybıl visszanyerjük az enzimet, azt tapasztalhatjuk, hogy 105 az elvesztette aktivitását akár amid-, akár észterhidrolízises reakciókra. Így, miután a trimetilacetil molekularész sem szabadult fel, gyanítható, hogy az enzim valamely elsırendő fontosságú funkciós csoportja acilezıdött, megszüntetve az aktivitást. Végül is röntgenvizsgálatokkal derült ki, hogy ez a szerkezeti rész pontosan a szerin-195 hidroxilcsoportja. CH3 O H3C C C CH O E(nzim) NO2 3 O + E C O NO2 C(CH3)3 Ezt a tényt az a kísérleti tapasztalat is

alátámasztotta, hogy az így inaktivált enzimet az erısen nukleofil hidroxilaminnal reagáltatva megkapták a trimetilecetsav hidroxámsavszármazékát, és ugyanakkor az ebben a reakcióban visszanyert enzim újra aktívnak bizonyult. CH3 O H3C C C CH NH OH O + E C H2N OH E + C(CH3)3 3 Másik lehetısége az enzim gátlásának a tetrahedrális köztiterméken alapul. Ezt támasztja alá a formilcsoport szerepe a gátlásban. Ez a gátló hatású aldehid polipeptidhez kötött, mégpedig oly módon, hogy a formilcsoport szomszédságában aromás győrő kell, hogy legyen. Az ilyen típusú vegyületek az aldehid-hidrát- ill –acetál képzıdését használják fel a tetrahedrális állapot kialakítására, és így az enzim nem képes a valódi szubsztráttal kapcsolatba kerülni. O polipeptid NH CH C H CH2 106 OH OH CH C O Ser OH H Az irreverzibilis, kovalensen kötıdı inhibitorok közül a foszfátokat említhetjük meg, melyek tipikusan kompetitív

inhibitorok. Ilyenek a diizopropil-fluorofoszfát (DFP) és a szarin (harci gáz), melyek szintén a szerin hidroxilcsoportjához kapcsolódnak és azt blokkolják. Ezek a vegyületek minden olyan enzim inhibitorai, melyek az aktív helyen szerint tartalmaznak. Gátolják a szerin-proteázokat, így az acetilkolin-észterázt is, mely utóbbi idegi ingerület-átvitelben játszik fontos szerepet: az említett foszforvegyületekkel történı bénítása során az inhibíció az életfunkciók gyors összeomlását eredményezi. Felhasználási területük a rovarölık és ideggázok gyártása. F O P O O diizopropil-fluorofoszfát (DFP) F O P CH3 O szarin 5.2 Koenzimek Az enzimek nagy részénél a katalitikus funkciók mőködéséhez egy kisebb, nem fehérje természető molekulára is szükség van. Ez az un koenzim, mely valamilyen módon kapcsolódik a fehérjéhez (az apoenzimhez) és így alakul ki a mőködésképes holoenzim. A koenzimek egy része nukleotid-származék,

más része pedig a további fejezetben szereplı koenzim funkciójú vitamin. 5.21 Nikotinsav-amid tartalmú koenzimek Nikotinsav-amidot tartalmaz a nikotin-adenin-dinukleotid (NAD+) és 2’-foszfátja, a nikotin-adenin-dinukleotid-foszfát (NADP+). 107 NH2 4 H2NOC N O N O P O P O O 1 O OH N O 5 N O O 1 2 OH OH N OH nikotin-adenin-dinukleotid NAD 4 H2NOC NH2 N O N O P O P O O 1 O OH N O 5 O OH N O 2 OH N 1 O O P O nikotin-adenin-dinukleotid-foszfát O NADP 5.3 Ábra A NAD+ és a NADP+ szerkezete. Ezek a vegyületek voltaképpen pszeudonukleotidoknak is nevezhetık, hiszen tartalmaznak DNS-ben, RNS-ben elıforduló bázist, azonban a molekulákban található másik heterociklus nem sorolható a nukleinsav-bázisok körébe. (Az 53 ábrán kékkel jelöltük a nikotinamid-részt és pirossal a 2’-foszfát helyettesítıt.) Ezek a koenzimek oxidációs-redukciós folyamatokban vesznek részt, miközben hidrogént vesznek fel ill. adnak le A

redox folyamat végeredményben a piridin-győrőn játszódik le. A nitrogénatom pozitív töltése hatására a 4-es helyrıl elektronvándorlás indul meg a nitrogén irányába. Ennek következtében a 4-es hely felé hidridanion (két elektron és egy proton) intéz nukleofil támadást, mely eredményeképpen az aromás rendszer felbomlik, kinoidális szerkezet alakul ki és a hidrogén a 4-es szénatomhoz kapcsolódik. 108 pro-R H H H O C N H NH2 H H + 2e C + H H H NAD + H NAD + AH2 O N NH2 H NADH A + NADH + H 5.4 Ábra A piridingyőrő szerepe a NAD+ redukciójában. Ilyen folyamat megy végbe pl. a májban az etil-alkohol acetaldehiddé történı oxidációjakor. Ennek a folyamatnak deutériummal jelzett vegyületek segítségével történt vizsgálata során megállapították, hogy az alkohol pirossal jelzett pro-S hidrogénje vándorol a piridingyőrőre és a folyamat az alábbi reakcióegyenlettel írható fel: OH NAD + CH3 C H O CH3 C +

NADH + H H H A NADH esetén a 4-es helyzető szénatomhoz kapcsolódó hidrogének nem ekvivalensek, hanem enantiotópok. Ezt példázza a piroszılısav tejsavvá történı redukciója is, mely a glikolízis során megy végbe. Ekkor a karbonil szénatomot mindig a pro-R hidrogén támadja. Így az enantiotóp felületet képezı karbonilcsoport szénatomját a tér olyan oldaláról éri a reagens (ebben az esetben a hidrogén) támadása, mely lehetıvé teszi a sztereospecifikus reakció végbemenetelét, vagyis azt, hogy a reakcióban ne racém, hanem L-tejsav képzıdjön. 109 CH3 COOH C O HO C H L CH3 COOH enzim NH3 O His H N O C N H O H N NAD CH3 O H pro-R C O Glu 5.5 Ábra A piroszılısav redukciója tejsavvá. Megemlítjük, hogy ebben a reakcióban a szubsztrátot ionos kölcsönhatások rögzítik a kötıhelyhez az enzim bázikus aminosav-oldalláncai segítségével, és a folyamatban fontos szerep jut a protoncserében szerepet játszó

hisztidinnek (His), valamint a glutaminsavnak (Glu). 5.22 Flavin-adenin-dinukleotid Redox-folyamatok koenzimje a flavin-adenin-dinukleotid (FAD): A vegyület csak egy nukleinsav-bázist tartalmaz, ez az adenin, mely ribofuranóz és foszfátrészeken keresztől kapcsolódik az ábrán kékkel jelılt riboflavinhoz, mely a B2vitamin. A másik heterociklusos győrő az izoalloxazin, melynek alapja a pteridinváz Ez utóbbi pirazin és pirimidin kondenzációjával írható fel az alábbi módon: 110 CH3 O 10 N 5 CH3 7 3 H N 4 6 2 9 N O N 1 1 CH2 2CH OH 8 B2-vitamin: riboflavin 3 CH OH 4 CH OH 5CH NH2 2 O N N O O P O P O O O N N O adenozin-difoszfát OH 1 N c 2 N 4 pirazin 4 d 5 3 3 b N 2 N1 OH 7 a 6 6 pirimidin 8 9 N 5 N 10 7 6 8 N N 5 1 N 2 N3 4 pteridin = pirazino[2,3-d]pirimidin H 1 N O 2 4 N 3 H H N 9 N N 3 H N O O O alloxazin benzo[g]pteridin-2,4(1H,3H)-dion izoalloxazin benzo[g]pteridin-2,4(3H,9H)-dion 5.6 Ábra A

FAD szerkezete. 111 Külön figyelmet érdemel a cukorrész, mely a ribóz redukált alakja, a D-ribit(ol), mely a D- vagy L-ribóz redukciójakor keletkezik, optikailag inaktív cukoralkohol: CH2 OH CHO CH2 OH H OH H OH H C OH H OH H OH H C OH H OH H OH H C OH CH2 OH CH2 OH D-ribóz CH2 OH D-ribit(ol) A koenzim mőködésének mechanizmusát részletesen a vitaminok tárgyalásánál mutatjuk be. 5.23 A Koenzim-A szerkezete Az egyik legismertebb koenzim a koenzim-A (CoA) (5.7 ábra) Tartalmaz egy adenin-tartalmú nukleotid részt. Az 1940-es években F Lipmann izolálta, szintézisére 1959ben került sor (Khorana) A ribofuranozid-győrő a 3’-helyzetben foszforilezve van és az 5’helyzethez kapcsolódó két foszforsav-csoport köti össze a vitaminként is ismert pantoténsavval, amelyet a béltraktus baktériumai termelnek. A pantoténsav, melyet az ábrán kékkel jelöltünk, két 3,3-dimetilbutánsav, és 3-aminopropionsav. A részbıl az

áll: egy hidroxisavból, aminosavaknál pantoténsav β-Ala már mely a megismert D-2,4-dihidroxi- β-alaninból, karbonilcsoportjához mely a kéntartalmú amin kapcsolódik: ez a ciszteamin, mely a ciszteinbıl vezethetı le (az ábrán narancssárga színnel jelölve). Fontos szerepe az acilcsoport szállítása, e szerepében legismertebb származéka az acetil-koenzim-A (CoA-SAc). Ez a vegyület energiagazdag észter, így igen reakcióképes A tiolésztert a kénatom molekulapályáinak az oxigénétıl eltérı tulajdonságai destabilizálják a csak oxigént tartalmazó észterekhez képest, ezért a tiolészter szabadenergiája a hidrolitikus folyamatokban megnı. 112 NH2 N N O O P O O pantoténsav O P O O O C CH2 CH2 CH2 O HN C CH C CH2 HN CH2 CH3 N O N 3 O OH O P O OH CH3 O ciszteamin koenzim-A SH NH2 N N O O P O O O P O O O C CH2 CH2 HN CH3 HN C CH C CH2 OH CH3 CH2 O O N N 3 O OH O P O O CH2 S C CH3 O

acetil-koenzim-A 5.7 Ábra A koenzim-A és az acetil-koenzim-A szerkezete. 5.3 Vitaminok 5.31 A vitaminok általános tulajdonságai Olyan szerves molekulák, melyeket a szervezet többnyire nem képes szintetizálni, és amelyekre azonban, ha kis mennyiségben is, de a biológiai folyamatokhoz alapvetıen szükségünk van. Ezek a vegyületek az élethez nélkülözhetetlen, esszenciális anyagok 113 Elégtelen mennyíségük jellegzetes hiánybetegségeket okoz, pl. az elızıekben már megismert C-vitamin hiánya skorbutot, a D-vitamin hiánya az angolkórt. A farkasvakság az A-vitamin, különbözı ideggyulladások pedig D-vitaminok hiányára utalhatnak. A fenti problémák elsısorban a régebbi idıkben léptek fel, azonban ma is felelıssé tehetı néhány kórképben a vitaminhiány, pl. a C-vitamin hiánya szerepet játszhat a fogínyvérzések kialakulásában. Ezek a panaszok azonban a helyes táplálkozással gyakorlatilag megszüntethetık. Ha a vitaminhiány

részleges, azaz a vitamin bevitele a szervezet igénye alatt marad, hipovitaminózisról beszélünk. Ezek a tünetek megfelelı mennyiségő vitamin szedésével megszüntethetık. A teljes vitaminhiány, az avitaminózis, ma már nagyon ritka Ez a tünetegyüttes azonban a fontosabb vitaminok teljes bevitele hiányában már irreverzibilis változásokat okozhat a szervezet mőködésében és így végzetes következményekkel járhat. Néhány vitamin, pl. az A- és D-vitaminok hatékony formája a szervezetben képzıdik és olyan receptorokon hatnak, melyeken a hormonok. A szervezetbe kerülı, több esetben kiindulási vegyületnek tekinthetı formát, melyet sokszor régebben a már aktív vitaminnak tekintettek, provitaminnak nevezzük. A szervezet a vitamin aktív formáját ezekbıl a vegyületekbıl képes szintetizálni. Ilyen pl az A-vitamin esetén a β-karotin, vagy a D-vitaminok körében a még nem hidroxilezett, de már győrőfelnyílt struktúrák. Sok esetben a

vitaminok a fejlıdésben is fontosak, gondoljunk csak a D2- és D3vitaminokra. Egyes vitaminok a szervezet káros anyagai elleni védekezésben játszanak jelentıs szerepet (A-, C- és E-vitaminok: un. gyökfogók) Ezek a káros anyagok többek között oxigén felhasználásával képzıdhetnek, ilyenek a hidroxil-, hidroperoxi- és peroxid-gyökök, melyek jelenlétének mutagén (a genetikai kódot megváltoztató), teratogén (magzatkárosító) ill. cancerogén (karcinogén: rákot okozó) hatás tulajdonítható Ezeket figyelembe véve a vitaminok nemcsak a szervezet normális mőködéséhez szükségesek, hanem azért is, hogy a károsító anyagok hatására aktivizálódó kóros folyamatok ne léphessenek fel, ill. ezek hatását csökkentsék Ezért hívjuk ezeket az anyagokat preventív (megelızı hatású) szereknek is. 114 5.32 A vitaminok csoportosítása A vitaminok hagyományosan három nagy csoportba sorolhatók: a) vízoldható vitaminok (pl. a

B-vitaminok), b) vízben nem, hanem zsírban oldódó vitaminok (pl. A-, D- E-, K-vitaminok), c) vitaminszerő anyagok (vitogének). A vízoldható vitaminok feleslege többnyire kiürül a vizelettel, azonban a zsíroldható vitaminok túladagolására ügyelni kell, mivel ezek a zsírszövetekben (mint látni fogjuk, szerkezetükbıl adódóan) elıszeretettel felhalmozódnak, és ezért nem ürülnek ki a szervezetbıl, kifejtve a szükségesnél több mennyiségben jelentkezı káros (!) hatásukat. A tipikus túladagolási jelenség a hipervitaminózis, D-vitaminok esetén pl. a kóros meszesedési folyamatok. A vízoldható vitaminok nagyobb része enzimek koenzimjének felépítésében vesz részt és így fejtik ki hatásukat, melyek részletes reakciómechanizmusát a következıkben ismertetni fogjuk. Az alábbiakban összefoglaljuk a vízoldható vitaminok néhány jellegzetes hiánybetegségét, koenzim formáját és legfontosabb biokémiai reakcióit. 1. B1-vitamin

(tiamin): hiánya beri-berit okoz, koenzimje a tiamin-difoszfát (tiaminpirofoszfát, a továbbiakban: TPP), reakciója: C=O melletti C-C kötés létesítése és bontása, 2. B2-vitamin (riboflavin): hiánya dermatitiszt, növekedési problémákat okoz, koenzimje a FAD, reakciója: oxidációs-redukciós reakciók, hidrogéngyök és 1 vagy 2 elektrontranszfer, 3. Nikotinsavamid (B3-vitamin): hiánybetegsége a pellagra (gyomor-bél tünetekkel, bırés nyálkahártya-elváltozással, idegrendszeri tünetekkel járó betegség) és dermatitisz, koenzimje a NAD+, reakciója oxidációs-redukciós reakciók, hidridanion-transzfer, 4. Pantoténsav (B5-vitamin): hiányakor idegrendszeri problémák léphetnek fel, koenzimje a koenzim-A, reakciója: acetilcsoport szállítása, 5. B6-vitamincsoport (piridoxin): hiánya idegrendszeri megbetegedéseket okoz, koenzimje a piridoxál-foszfát, reakciói: transzaminálás, dekarboxilezés, izomerizáció, racemizálás, 115 6.

liponsav: hiányára növekedési problémák vezethetık vissza, koenzimje a lipoamid, reakciója: oxidáció-redukció, hidrogén és acilcsoport átvitel, 7. Biotin (H-vitamin): hiánybetegsége a humán dermatitisz, koenzimje a biotin-karboxilszállító protein, reakciói: karboxilcsoport beépítése és szállítása, 8. Fólsav: hiánya anémiát (vérszegénység) okoz, koenzimje a tetrahidrofólsav, reakciója: egy szén-egység (metil-, hidroximetil-, formil- és metiléncsoport) átvitele, szállítása, 9. B12-vitamin: hiánybetegsége a vészes vérszegénység, koenzimjében adenozin kapcsolódik hozzá (ld. ott), reakciói: kötéshasítások ill átrendezıdések, 10. C-vitamin (aszkorbinsav): hiánya a legendás skorbut volt, ma több más káros anyag leküzdésében tulajdonítanak neki szerepet, reakciói: pl. hidroxilezés, gyökfogás 5.33 Vízben oldható vitaminok 5.331 B1-vitamin A B1-vitamint vagy tiamint 1912-ben Casimir Funk írta le, mint az élethez

nélkülözhetetlen „vital amin”-t, és B-vitaminnak nevezte. A vegyület neve késıbb lett B1vitamin, amikor több nitrogént tartalmazó vízoldható vitamint is felfedeztek CH3 NH2 CH2 N H3C N pirimidin Cl CH2 CH2 OH N S B1-vitamin : TIAMIN tiazol (pKa : 2,4) A vitamin két heterociklusos győrőbıl áll: helyettesített pirimidinbıl és tiazolból, melyeket a tiazol nitrogénjén keresztül metiléncsoport köt össze. Tiamin-pirofoszfát koenzim formájában az α-ketosavak (piroszılısav) oxidatív dekarboxilezésében játszik szerepet. 116 CH3 NH2 CH2 N tiamin H3C ATP N AMP O O CH2 CH2 O P O P O N S O O Cl koenzim forma : tiamin-pirofoszfát (TPP) Korpában, gabonacsírában, élesztıben és nem utolsósorban a rizs héjában fordul elı. Tartalmazzák a bab, borsó és a kukorica is. Állati szövetekben, így a májban, szívben és vesében is megtalálható. Az erıs fızés roncsolja Napi 1-3 mg szükséges a szervezet számára, de ez

a mennyiség függ a táplálkozástól: szénhidrát-fogyasztás növeli, zsír-, fehérje- és alkoholfogyasztás csökkenti a szükségletet. Általában idegrendszeri károsodások kezelésére használják. Ilyen a polineuritisz (ideggyulladás), neuralgia (idegi fájdalom), isiász (ülıideg zsába) herpesz zoszter (övsömör), szklerózis multiplex (idegrendszeri kórfolyamat: az idegek velıs hüvelyének elvesztése), ill. alkoholizmus idegrendszeri következményei Hiánybetegsége a beri-beri, melynek két változata ismert. A „száraz” változat tünetei az izomgyengeség, súlycsökkenés és idegrendszeri zavarok, míg a „nedves” beri-beri esetén ödéma, szívelégtelenség lép fel. Az ismertetett tüneteket végeredményben a piroszılısav felszaporodása okozza. Távol-Keleti betegség, a rizs hántolása okozta, hiszen ott ez a fı energiaforrás. A modern táplálkozás egyik forrása azonban a hántolatlan rizs, melynek fogyasztásával ezek a

problémák elkerülhetık. Koenzimje a tiamin-pirofoszfát (TPP), mely a tiamin adenozin-trifoszfáttal (ATP) történı reakciójában keletkezik, eközben az ATP adenozin-monofoszfáttá (AMP) alakul. Reakciójában a tiazolgyőrő C-2 poziciója játszik döntı szerepet (5.8 ábra) A szomszédos elektronszívó csoport hatására a 2-es helyzető hidrogén protonként lehasad, és az így keletkezett tiamin-pirofoszfát (TPP) karbanion nukleofil támadást intéz a piroszılısav karbonilcsoportjának szénatomja ellen. Lejátszódik a nukleofil addíció, majd egy protonfelvételt követıen dekarboxiláz enzim közremőködésével a vegyület dekarboxilezıdik és kialakul az A közti termék. 117 OPP O -H 1 S N 3 OPP N + S CH3 C C 2 O H piroszılısav +H N dekarboxiláz N S S C C CH3 C C N -CO2 O O O O OPP OPP OPP CH3 O CH3 O OH S C +H OH A OPP OPP -H N CH3 S N C OH CH3 H S S S + (CH2 )4 COOH C OH B acil-anion

szintézis-ekvivalens "aciloil-tiamin" liponsav OPP CH3 CO S N CH3 S C S OH -TPP SH (CH2 )4 COOH + HS-CoA S (CH2 )4 COOH SH SH + CH3 CO S CoA (CH2 )4 COOH dihidro-liponsav 5.8 Ábra A piroszılısav dekarboxilezésének mechanizmusa. Ebbıl protonfelvétellel az un. „aciloil-tiamin” keletkezik, mely protonleadás után a B acil-anion szintézis-ekvivalenssé alakul (A és B egyébként a mezoméria viszonyában állnak). A B inverz polározottságú acetil-szinton (Umpolung!) ezután, mint nukleofil a 118 liponsav kénatomjára támad, a liponsav 1,2-ditiolángyőrője felnyílik és a vegyület a liponsav redukált (felnyílt) formájához kapcsolódik. A liponsav a szervezetben proteinhez kapcsolódik a proteinben található lizin aminosavon keresztül: ez a lipoxin. Errıl a továbbiakban a TPP lehasad, a dihidroliponsavhoz kötött acetilcsoport a CoA-ra kerül a dihidrolipoil-transzaciláz enzim segítségével. A reakció eredménye tehát

acetil-koenzim-A és dihidroliponsav. Ez utóbbi FAD koenzim és dihidrolipoil-dehidrogenáz enzim közremőködésével visszaalakul liponsavvá és a keletkezett FADH2-t a NAD+ koenzim FAD-dá oxidálja. Így felírhatók ezek a részfolyamatok is: dihidro-liponsav + FAD dihidrolipoildehidrogenáz FADH2 + NAD liponsav + FADH2 FAD + NADH + H A bemutatott reakciók a következıképpen összegezhetık: CH3 C COOH + HS CoA + NAD O liponsav TPP FAD AcS CoA + NADH + H + CO 2 A folyamat során a piruvát dehidrogenáz ciklusról van szó: az oxidatív dekarboxilezéskor az energiadús tioészter, az acetil-CoA keletkezik (∆G‡ = -33,5 kJ/mol). A reakció lényege, hogy az umpolung segítségével az acilanion-ekvivalens a liponsav felhasználásával az acetil-CoA-t eredményezi. A folyamat jelentısége abban áll, hogy az acetil-koenzim-A, mely a citromsav-ciklus „üzemanyaga”, összeköti a glükóz- és a zsírsavmetabolizmust, a 2-oxoborostyánkısav

(oxálacetát) citromsavvá alakulásához ezúton szolgáltatva az acetil-CoA-t. 119 GLÜKÓZ ZSIRSAV-METABOLIZMUS PIROSZİLİSAV O C COOH CH2 COOH ACETIL-KOENZIM-A CH2 CO S KoA AcS-CoA CH2 COOH HO C COOH HO C COOH CH2 COOH oxál-ecetsav CH2 COOH citromsav citroil-koenzim-A A fenti biokémiai folyamatból a szerves kémia, mint általánosítható umpolung reakciót, a Stetter-reakciót (5.9 ábra) használja 1,4-dikarbonilvegyületek elıállítására OH NEt3 Br N OH OH S Br N Ph R-CHO S Br N Ph Ph R S CH O OH O Br N Ph S + CH2 CH COOEt R C OEt O C R C OH 5.9 Ábra A Stetter-reakció. Ez a reakció jól modellezi a tiaminból keletkezı acil-anion szinton reakcióképességét. A negatív polározottságú szénatom α,β-telítetlen észterekre intéz 120 nukleofil támadást a β-szénatomon keresztül, és az addíciós reakcióban a karbonilcsoportot páros helyzetben tartalmazó oxoésztereket kapunk. 5.332

B2-vitamin A B2-vitamin, más néven riboflavin a FAD koenzim része, szerkezetével már ott találkoztunk. Növényekben, gombákban fordul elı és a májban is megtalálható A bélbaktériumok szintetizálják. Hiánya dermatitiszt, vakságot és idegrendszeri problémákat okozhat. Nélkülözhetetlen a növekedésben Hiányában a nyelv és az ajak duzzadása, súlyos béltünetek, fáradtság, a hemoglobinszint csökkenése is felléphet. Mőködésének alapja: oxidációs és redukciós reakciókban koenzimként funkcionál. A teljes reakció két hidrogénatom (két elektron és két proton) 1,4-addíciója. A reakció a pteridinvázas heterocikluson megy végbe, ahol R = a FAD koenzim tárgyalásánál már megismert oldallánc. R R CH3 N 2 O N 9 3 CH3 N NH 2H -2H 4 CH3 N H 1 N 2 O 3 CH3 N H O sárga oxidált forma FAD NH 4 O szintelen redukált flavin FADH 2 Katalizátora a következı folyamatoknak: 1.) Részt vesz a triptofán oxidatív

dekarboxilezésében, mely során indol-3-acetamid keletkezik: O2 CH2 C H2O O COOH NH2 H2N H NH L- (vagy S) triptofán triptofán-oxidáz-dekarboxiláz NH indol-acetamid 121 2.) A xantin húgysavvá történı átalakításában A húgysav volt az elsı, vizeletbıl izolált purinvázas vegyület, amelynek szerkezetét szintézissel is igazolták. O N HN O H2O2 H2O + O2 NH HN xantin-oxigenáz NH NH O xantin O O NH NH húgysav Másik funkciója az elektrontranszfer reakciók körébe tartozik. Elsı lépésben a 10-es helyzető nitrogénatom protonálódik, és a megfelelı konjugált sav keletkezik. Az így kialakult pozitív töltéső vegyület felírható egy másik mezomer határszerkezettel is. R R N 10 N H N O N NH N NH N H O O O e R FADH2 H N NH N H O N O szemikinon 5.10 Ábra A FADH2 keletkezése FAD redukciójával. Egy elektron felvételével az un. szemikinon intermediert eredményezi A páratlan elektront tartalmazó gyök

egy hidrogénatomot vesz fel ez idáig nem teljesen tisztázott 122 folyamatban, és a FAD redukált formája, a FADH2 a reakciósor végeredménye. A folyamatot az 5.10 ábrán vázoltuk fel 3.) A rendszer képes egyelektronos oxidációval a nem hemoglobinhoz kötött vas(II)-t vas(III)-má oxidálni: FeII FeIII 4.) Részt vesz kétszer egyelektronos redukcióban: az oxigént hidrogén-peroxiddá alakítja O2 2e H O O H Így oxidáz és dehidrogenáz reakciókban, pl. a NADH redukáló ágens és a Fe3+ egy elektronos oxidáló ágens között intermedierként funkcionál. Ez a szerepe a mitokondriális elektrontranszportban. 5.333 Pantoténsav A koenzim-A alkotórésze. B5-vitaminnak is nevezik Két szerkezeti egységbıl tevıdik össze, egyik az ábrán lilával jelzett β-alanin, mely amidkötéssel kapcsolódik a dihidroxisavhoz. A koenzim-A felépítéséhez szükséges, szabályozza az élesztı növekedését Bélbaktériumok is termelik. β-Ala H OH CH2OH HOOC

CH2 CH2 NH C C C O H3C CH3 pantoténsav Hiánya az élı szervezetekben a növekedés és a szaporodás gátlását idézi elı. Az egészséges szervezet mindenféle sejtjében megtalálható. Gazdag forrása az élesztı, a máj és a tojássárgája, valamint a zöld növényi részek. 123 5.334 Niacinamid A niacinamid vagy B3-vitamin tulajdonképpen nikotinamid, a nikotin-adenindinukleotid (NAD+) és 2-foszfátja a NADP+ koenzimek fontos része. A koenzimeknél már tisztáztuk az oxidációs és redukciós reakciókban betöltött szerepét. Sav formája a niacin, vagy nikotinsav. CONH2 N nikotinsavamid : niacinamid COOH N nikotinsav : niacin A "vitamin" fogalomtól eltérıen az emberi szervezet képes szintetizálni a triptofánból B6-vitamin segítségével. Növényekben és állati szervezetekben is széleskörően megtalálható, így a rizskorpában, búzakorpában, élesztıben, májban, húsfélékben, vesében és a halakban (elsısorban a heringben).

Hiánya elsısorban a nagyrészt kukorica alapú táplálékon élıkön mutatkozik. Fáradtság, gyomor-bélrendszeri zavarok, száj- és nyálkahártya gyulladások a tünetek. Fellép a pellagra két formája: érdes bır és fekete elszínezıdések a nyelven és a bırön, a nyelv dagadása, hasmenés, valamint idegrendszeri zavarok is észlelhetık. A tünetek a niacin vagy a niacinamid adagolására elmúlnak. Miután a biológiai rendszerekben a savamid (niacinamid) fordul elı, ezért ezt tekintik vitaminnak annak ellenére, hogy a sav (niacin) amidálása az állati szervezetben könnyen végbemenı folyamat. 5.335 B6-vitamincsoport Ebbe a csoportba a következı piridin-származékok tartoznak: Ide sorolható a piridoxál, mely a 4-es helyzetben könnyen karbonsavvá oxidálódható aldehid-csoportot tartalmaz, a piridoxin vagy piridoxol, az elıbbi alkohollá redukált formája, valamint a piridoxamin, amelyben aminometil-csoport a reakciókban résztvevı funkciós

csoport. Mindhárom vegyület további fenolos hidroxil- ill metilcsoport helyettesítıket tartalmaz. 124 CH2OH CHO HO H3C CH2OH HO CH2OH H3C N CH2NH2 HO N H3C Koenzimjeként a 3-as helyen lévı N piridoxamin piridoxin vagy piridoxol piridoxál CH2OH hidroximetil-csoport alkoholos hidroxilcsoportjának foszforilezett származéka, a piridoxál-foszfát szerepel. CHO CHO HO CH2OH ATP O CH2 O P OH HO OH H3C N H3C N koenzim forma: piridoxál-foszfát Növényi magvakban fordul elı. Hiánybetegsége során, amely ritkán figyelhetı meg, bırelváltozások, vérszegénység, gyengeség, idegrendszeri bántalmak léphetnek fel. A szervezetnek általában kevés B6-vitaminra van szüksége, melyet a normális étrend többnyire fedez, azonban bizonyos gyógyszerek szedése növelheti az igényt. Ilyen például a tuberkulózis kezelésére használatos IZONIAZID, melynek szerkezete izonikotinsavhidrazid. A vegyület a piridoxál aldehidcsoportjával

hidrazont képezve blokkolja a vitamint, mely ebben a formában nem képes a megfelelı biokémiai folyamatokban részt venni. Biokémiai reakciói során az aminosavak metabolizmusában vesz részt. A transzaminálás során oxosavakból aminosavak keletkeznek, a bemutatott példában glutaminsav és oxálecetsav reakciójában α-ketoglutársav és aszparaginsav keletkezik. A folyamatban a glutaminsav az amindonor aminosav, az oxálecetsav pedig az akceptor. A reakcióban a glutamin-aszparagin-transzamináz vagy aminotranszferáz enzim is részt vesz. A glutaminsav (vagy ahogy a biokémia tankönyvekben a fiziológiás körülmények között elıforduló anionos formáját helyesen emlegetik, a glutamát), mint az ammónia-asszimiláció 125 terméke kulcsszerepet játszik a transzaminálásban. Legtöbbször, de nem mindig, aminosav/ketosav párként a glutamát/α-oxoglutársav (vagy α-oxoglutarát; α-ketoglutarát) pár az aminotranszferázok szubsztrátja. Ugyanígy

szerepel az aszpartát (aszparaginsav anionos formája) ill. az oxálacetát is ebben a rendszerben, valamint az alanin/piruvát (piroszılısav anionos formája) is. Az ezekhez az oxosav/aminosav párokhoz kapcsolódó enzimek fontosak a klinikai diagnosztikában. Ilyenek a humán megbetegedésekben jellemzı mértékő szérum glutamát-oxálacetát transzamináz (SGOT) és a szérum glutamát-piruvát transzamináz (SGPT) aktivitások. Ezek az enzimek, melyek nagy mennyiségben megtalálhatók a szív és a máj szöveteiben, a sejtek sérülése esetén, melyeket pl. a miokardiális infarktus ill. a fertızı májgyulladás, esetleg más szerv kóros állapota okoz, felszabadulnak a sejtbıl. Ezen enzimek aktivitásának mérése a vér szérumban felhasználható egyrészt a diagnózis felállításában, másfelıl pedig a beteg kezelés hatására történı reagálásának nyomon követésére is. COOH COOH CH2 CH2 CH NH2 COOH glutaminsav (donor aminosav) + CH2

glutamin-aszparagin-transzamináz COOH COOH CH2 C O CH2 COOH C O + COOH oxálecetsav (akceptor) α−keto-glutársav CH2 CH NH2 COOH aszparaginsav A következı katalizált reakció, a dekarboxilezés során aminosavakból aminok, mégpedig un. biogén aminok keletkeznek, melyeknek a szervezet mőködésében igen fontos szerepük van. A glutaminsav ezen az úton alakul át γ-aminovajsavvá a glutamindekarboxiláz enzim közremőködésével, mely aminovegyületet az angol elnevezése (γ- aminobutyric acid) alapján GABA rövidítéssel használnak. A GABA rendkívül fontos idegi ingerületátvivı anyagként mőködik a szervezetben. Ebbe a folyamatba avatkozik be pl a gyilkos galóca a mérgezés során. 126 COOH CH2 CH2 CH NH2 COOH COOH glutamin-dekarboxiláz -CO2 CH2 CH2 (γ-amino-vajsav) H C NH2 H GABA Végül példaként megemlítjük az aminosavak izomerizációs ill. racemizációs reakcióit is, melyekben e vitamincsoportnak szintén szerepe van. A

reakciók részletes mechanizmusát az 5.11 ábrán mutatjuk be A piridoxál Schiff-bázist képez az apoenzim lizin aminosavjának ω-aminocsoportjával, ily módon kötıdve az enzimhez. A lizin helyére az átalakítandó aminosav addíciós-eliminációs reakcióval kerül át, szintén aldimint képezve. Az intermediert stabilizálja a fenolos hidroxilcsoport segítségével kialakult hidrogénhíd kötés. E forma stabilizálásában gyakran fémionok, pl Al3+ és Cu2+ ionok is szerepet játszanak. Ezután a molekula kétféle köztitermékké alakulhat, attól függıen, hogy milyen folyamatot katalizál az összetett reakcióban résztvevı enzim. A protonálódott nitrogénatom irányába történı elektronáramlás hatására megtörtént dekarboxilezést követı protonfelvétel és az imin kötés hidrolízise a megfelelı biogén aminhoz vezet. Másfelıl a kiindulási aminosav-piridoxál Schiff-bázis protonvesztéssel az ábrán látható kinoidális intermedierré

alakulhat át. Ekkor az aminosav α-szénatomja és az α-helyzető nitrogénatom között kettıs kötés jön létre. Ez a planáris szerkezet sztereotóp felületként szerepel a következı protonfelvétel során A bekapcsolódó proton ugyanis a planáris struktúra két oldaláról közelítheti meg a támadás helyét. Amennyiben az enzimkomplexben van kitüntetett támadási iránya a reagensnek, esetünkben a hidrogénnek, úgy optikailag aktív aminosav keletkezik. Ha a reakció egyforma valószínőséggel játszódik le a sík mindkét oldala irányából, akkor racemizáció történik. Bár a piridoxál-foszfát ezekben a reakciókban koenzimként mőködik, a reaktív forma mégsem az aldehid, hanem inkább az aldimin struktúra, amely a vitamin és az átalakítandó aminosav között jön létre. Ha pl az így keletkezett aldimin szén-nitrogén kettıs kötését (C=N) nátrium-tetrahidrido-boráttal (NaBH4) redukáljuk, az irreverzibilis változás következtében

(eltőnik a kettıs kötéses planáris felület) a rendszer elveszti aktivitását, és alkalmatlanná válik aminosavak átalakítására. 127 O C R apoenzim H C COO NH (L) N R CH COO NH3 CH HO N H CH O CH2OP CH2OP LIZIN H H, H2O -CO2 CHO CH2 OP HO N enzim-Lys (Ad + E) N + N -H (dekarboxilezés) R CH2 NH2 (biogén amin) H R α COO C R C COO N N CH HO CH +H CH2OP (izomerizáció v. racemizáció) N H + H2O HO CH2OP N H (kinoidális intermedier) CHO HO CH2 OP + (D)- vagy racém aminosav N 5.11 Ábra A B6-vitamin szerepe aminosavak dekarboxilezésében és izomerizációjában. A vitamin által katalizált reakciókba a transzaminálás is beletartozik. Ekkor a piridoxamin forma játszik fontos szerepet, melyben az aminofunkció adja az oxosavval történı kapcsolódás lehetıségét szintén imin formájában. Végeredményben ez a vitamincsoport mintegy 60 specifikus reakció katalízisében vesz részt. 128 5.336 Liponsav

Hidrogénezési, dehidrogénezési folyamatok koenzimje. Az apoenzimhez történı kapcsolódása az oldalláncban elhelyezkedı karbonsav funkción keresztül történik lizin aminocsoportjával savamid formájában (lipoxin). Az ábrán az oxidált és a redukált formáját tüntettük fel. COOH S S SH liponsav SH COOH dihidro-liponsav Az emberi szervezet, eltérıen a többi vitamintól képes szintetizálni. A máj és az élesztı gazdag liponsavban, egyúttal néhány baktérium növekedési faktoraként is ismert. Szerepét az α-ketosavak dekarboxilezésében (acetilcsoport átvitel) már a tiamin tárgyalásakor bemutattuk. 5.337 Biotin A vitamint H-vitaminnak is nevezik, biotinként mégis jobban ismert. Fıleg az élesztıben és a májban fordul elı. Hiánya bırbetegséget okoz, ilyenkor gyulladásos pír lép fel az egész testen (dermatitisz: bırgyulladás), valamint hámlás, szırkihullás és körömsérülések is tapasztalhatók. Innen a H-vitamin név

Németül a bır ui Haut Biciklusos vegyület, telített imidazol és telített tiofén kondenzációjával vezethetı le. A győrőkapcsolat cisz-konfigurációjú, a sztereocentrumok 2S,3S,4R-konfigurációjúak. Jobbra forgató, optikailag aktív molekula. O 1 3 HN 2 NH H H 4 3 2 H 5 S 1 6 (+)-2S,3S,4R-biotin COOH 10 129 5.12 Ábra A biotin térbeli szerkezete. A biotin a tojásfehérje egyik összetevıjével, az avidin nevő fehérjével komplexet képez, így biológiailag inaktívvá válik: az avidin (mint bázikus protein) tehát erıs antagonistája a biotinnak (amely karboxilcsoportot tartalmaz). Pl a sok madártejfogyasztás esetén biotinhiány léphet fel. A tojásfehérje leköti a biotint, azonban melegítés hatására, amikor denaturálódás következik be, a vegyület újra szabad állapotba kerül. A biotin a karboxilcsoportja segítségével protein lizin aminosav aminocsoportjához kötıdik peptidkötéssel, így a protein és a biotin proteidet alkot

(lipoxin). Biokémiai funkciója karboxilcsoport bevitele (CO2 beépítése), a reakciót a biotinfüggı karboxiláz enzim katalizálja. A reakció mechanizmusa során a biotin molekulán elıször karboxilátcsoport épül az 1-helyzetbe (5.13 ábra) Ennek forrása a széndioxid felvételével keletkezı hidrokarbonátion, valamint a folyamathoz adenozin-trifoszfát (ATP) is szükséges A biotin 1-helyzető nitrogénatom szabad elektronpárja irányából elektronátmenet indul a hidrokarbonát-ion karbonil szénatomja felé. Ebben a lépésben alakul ki a biotin-1-karboxilát, mely diacilaminként viselkedve erıs acilezıszer 130 O O O C + ATP O P OH HO HN + O NH H H H OH S CO2 CO NH Lys protein O OOC N NH H + ADP + P H H S CO NH Lys protein 5.13 Ábra A biotin karboxilezése. Ez utóbbi a megfelelı, koenzim-A-hoz kötött acilcsoporttal, az 5.14 ábrán R = H esetén acetil-koenzim-A-val reagál oly módon, hogy az acilcsoporton protonvesztéssel keletkezett

karbanion nukleofil támadást intéz az N-karboxilát karbonil-helyettesítı szénatomja ellen. A folyamat a transzkarboxiláz enzim katalízisével megy végbe, a reakcióban pl. R = H esetén malonil-koenzim-A keletkezik Ez utóbbi fontos szerepet játszik a zsírsavak metabolizmusában. A bruttó reakció szabadenergiája, ∆Go: -2,1 kJ/mol 131 O O C N O + R CH H C O NH H H S S CoA CO NH (R=H, acetil-koenzim-A) Lys protein transzkarboxiláz O + R CH C S CoA BIOTIN C O O (R=H, malonil-koenzim-A) 5.14 Ábra Karboxilcsoport bevitele biotin segítségével. Hasonló reakcióban az akceptor ketosav, így piroszılısav is lehet, ekkor oxálacetát képzıdik. CH3 C O + H2O + CO2 + ATP COO piroszılısav 132 COO biotin CH2 C O COO oxálacetát + ADP + P + H 5.338 Fólsav B10-vitaminnak is nevezik. Három fı részbıl áll, a 2-amino-4-hidroxi-6metilpteridinbıl, p-aminobenzoesavból és L-glutaminsavból fólsav COOH CH2 7 CH2 H C NH C COOH 9 6 10 NH

CH2 O L-glutaminsav p-amino-benzoesav 8 N N 5 1 N 2 NH2 4 OH N3 pteridin-komponens A természetben elıforduló fólsav nemcsak egy glutaminsavat tartalmaz, hanem többet is. Ezek száma egymáshoz kapcsolódva 3-8 között van, vagy esetenként még több is A glutaminsavak nem a szokásos peptid-kötéssel kapcsolódnak egymáshoz, hanem az αaminocsoport és a γ-karbonsav funkció között jön létre savamid-kötés. Ez a szerkezet valószínőleg azt a célt szolgálja, hogy a fólsav a sejtben maradhasson, miután a sejtbıl csak a fólsav monoglutamát formája képes kijutni. Koenzim formája a tetrahidrofólsav (H4F). A koenzim két lépésben alakul ki (515 ábra): a folát-reduktáz enzim elıször a fólsavat NADPH koenzim közremőködésével dihidrofólsavvá (H2F) alakítja, amely egy további redukciós lépésben alakul át a koenzimmé. Ebben a származékában a pteridin szerkezeti egység pirazingyőrője telített formában létezik. Növényi levelekbıl

izolálható. Jelentıs mennyisége található az élesztıben, májban és a vesében. Baktériumok növekedéséhez szükséges, ezért baktériumok specifikus növekedési faktorának tekinthetı. Erre vezethetı vissza, hogy pl a baktériumellenes hatású szulfonamidok, melyek a p-aminobenzamid résznek bioizosztér analogonjaiként léphetnek fel, gátolják a baktériumok növekedését és reprodukcióját. Voltaképpen a fólsav bioszintézise során a szulfonamid a p-aminobenzamid szerkezeti egység helyébe épül be, amely így már nem képes kifejteni a baktériumok fejlıdésében egyébként fontos szerepét. 133 COOH CH2 7 CH2 9 6 10 NH CH2 H C NH C COOH O L-glutaminsav p-amino-benzoesav 8 N 1 N 2 NH2 N 5 (NADPH) 4 OH pteridin-komponens COOH H CH2 H N H CH2 H C NH C COOH folát-reduktáz N3 NH CH2 N O N NH2 N OH dihidro-fólsav (H2F) COOH H CH2 H H CH2 NH CH2 H H C NH C COOH O N N N N H NH2 OH tetrahidro-fólsav (H4F)

5.15 Ábra A tetrahidrofólsav kialakulása. Központi biokémiai funkciója egy szénegység átvitele (5.16 ábra) A folyamat során hangyasav, ATP és tetrahidrofólsav enzimkatalizált reakciójában elıször a 10-es helyzető nitrogénen formilezett származék keletkezik (N10-formil-H4F). A formilcsoportnak a pteridingyőrő 5-ös nitrogénjére történı győrőzárásakor a formil-vegyület 5 tagú, kondenzált győrőt alakít ki a pteridin-részhez kapcsolódva. Ez az N5,10-meteniltetrahidrofólsav Az N5,10-metenil-H4F a továbbiakban elıször metilén-származékká redukálódik a NADPH 134 koenzim segítségével. Az így keletkezett fólsav-származék metiléncsoport átvitelében játszik szerepet. További hasonló (NADPH) redukció győrőfelnyílással a pteridingyőrő 5-ös nitrogénjén metilcsoporttal szubsztituált tetrahidrofólsavhoz vezet (N5-metil-H4F), melynek a metilcsoport szállításában van jelentısége. NH szintetáz H4F + ATP + HCOOH

L-Glu 10 N CH2 C O NH2 NH NH C O N + Pi O H + ADP + N10-formil-H4F NH N CH2 N NH2 NADPH NH N L-Glu C O O CH2 NH N CH2 H N CH N NH2 NH 5 O N5,10-metenil-H 4F NADPH NH 10 N CH2 N NH2 NH N O CH3 N5-metil-H 4F 5.16 Ábra Az N5-metiltetrahidrofólsav bioszintézise. Metiléncsoport átvitelére a glicinbıl történı szerin-bioszintézist említhetjük (5.17 ábra). A piridoxál-foszfáthoz Schiff-bázis formájában kapcsolódott glicin az N5,10-metilénH4F és szerin-hidroximetil-transzferáz enzim reakciója hatására átalakul, hidroximetilcsoport épül be a szerin α-szénatomjára A következı hidrolitikus lépésben a szerin és a piridoxál-foszfát szabaddá válik. 135 COO H2N CH2 COOH CH + piridoxál-foszfát N Gly CH HO CH2OP NH OOC CH CH2 OH N5,10-metilén-H4F szerin-hidroximetil-transzferáz N CH H2O HO CH2OP N H HOOC CH CH2OH + piridoxál-foszfát NH2 Ser 5.17 Ábra Glicin átalakulása szerinné. A metilcsoport

átvitelére példa a nukleinsavak körében a dezoxiuridilsav uracil bázisának metilezése az 5-ös helyzetben, mely reakció során dezoxitimidilsav keletkezik, valamint az aminosavak bioszintézisénél a homocisztein metioninná történı alakítása: HOOC CH CH2 CH2 SH NH2 homocisztein B12 HOOC CH CH2 CH2 S CH3 NH2 metionin Mindkét esetben a metilcsoport átvitelében az N5-metiltetrahidrofólsav játszik jelentıs szerepet. 136 5.339 B12-vitamin Szerkezete hasonlóságot mutat a porfirinvázzal (5.18 ábra) NH2 O O Me H2N H Me NH2 H H2N CN O Me H2N Me H O N Me Me N korrin-váz H H Me NH Me N Me O H Co N O H O HO O Me N 5,6-dimetil-benzimidazol P O O NH2 N O O CH2OH H Me α-ribofuranozid 5.18 Ábra A B12-vitamin szerkezete. Központi részét négy pirrolgyőrőbıl álló rendszer képezi, mely azonban a porfirinváztól eltérıen nem alkot delokalizált planáris struktúrát. Ez a korrinváz Központi atomja a kobalt,

amely heterociklusos bázishoz, az 5,6-dimetilbenzimidazolhoz kötıdik. A hatodik koordinációs kötést a cianidion foglalja el, ez azonban az izolálás során került oda. Ezen a részen a vitamin a szövetekben vizet (akvakobalamin), vagy hidroxidiont (hidroxokobalamin) tartalmaz. Szerkezetét totálszintézis segítségével állapították meg Koenzimjében a cianocsoport helyett adenozin ribofuranóz molekulájának 5-helyzető szénatomja kapcsolódik a kobalthoz. 137 Állati szervezetekben, fıleg a májban, húsban, tojásban és tejben, valamint mikroorganizmusokban található. Csak mikroorganizmusok szintetizálják Növényekben nem fordul elı, amire ügyelniük kell a vegetáriánusoknak. Hiánya vészes vérszegénységet okoz. Felszívódása a gyomor nyálkahártyája segítségével történik, ez glikoproteint választ ki ("intrinsic factor"), amely megköti a vitamint és megvédi az elbomlástól. Éppen ezért hiányát a felszívódás zavarai

is okozhatják. A vérben a transzkobalamin nevő speciális fehérjéhez kötıdik, és a szervezet a májban tárolja. Biokémiai szerepe a metabolizmusban sokrétő. Részt vesz átrendezıdésekben (mutázok), kötések hasításában, szén-szén kötés hasításában, pl.: COO COO H3C C H CH2 CO SCoA CH2 CO SCoA L-metil-malonil-koenzim-A szukcinil-koenzim-A Szén-nitrogén-kötés hasításában, pl. a lizin metabolizmusában: CH2CH2CH2CH2 CH COOH NH2 D-α−lizin-mutáz CH3 NH2 CH CH2CH2 CH COOH NH2 NH2 Koenzimként szerepet játszik metilcsoport aktiválásában, így a metildonor N5-metiltetrahidrofólsavval együtt a homocisztein metioninná történı átalakításában. A szén-oxigén kötés hasításában is részt vesz, ez a folyamat tulajdonképpen átrendezıdésnek tekinthetı: CH3 CH CH2 diol-dehidráz O CH3 CH2 C H OH OH Szerepe van ezen kívől a ribonukleotidok dezoxiribonukleotidokká történı redukciós átalakulásában is

(ribonukleotid reduktáz). 138 5.34 Zsírban oldódó vitaminok A továbbiakban a zsíroldható vitaminok közül az E- és K-vitaminokat mutatjuk be, az A- és D-vitaminok az elızı fejezetekben már ismertetésre kerültek. 5.341 Az E-vitamin Az E-vitamin, más néven α-tokoferol, fenolos hidroxilcsoporttal és metilcsoportokkal helyettesített benzopirángyőrőt, valamint alifás, apoláris és így hidrofób, vagyis lipofil oldalláncot tartalmaz. Az oldalláncban az aszimmetrikus szénatomok (R)konfigurációjúak Növényi olajokban (pl búzacsíraolajban) fordul elı H3C CH3 8 7 HO 6 1 O CH3 CH3 CH3 CH3 R 2 (CH2)3 CH (CH2)3 CH (CH2)3 CH CH3 3 R R 4 5 CH3 benzopirán E-vitamin: α-tokoferol (α-TH) Hiánya jellegzetes tüneteket okozhat a reprodukciós képesség csökkenésében, valamint izomsorvadás léphet fel. A hormontermelı mirigyek tevékenysége is kórosan megváltozik. Természetes táplálkozás esetén azonban a vitaminhiány kialakulása

meglehetısen ritkán fordul elı. Az α-tokoferolban a győrőn lévı metilcsoportok az 5-, 7- és 8-as helyzető szénatomokhoz kapcsolódnak. Más tokoferolok is ismertek, így a β-tokoferol, melyben két metilcsoport található az 5-ös és 8-as helyeken, a γ-tokoferol, melynek 7,8-dimetilszubsztituált benzopirán az alapváza. A δ-tokoferol csak egy metilcsoportot tartalmaz, a 8-as helyen. Természetesen a 6-os helyzető fenolos hidroxilcsoport és a terpenoid jellegő oldallánc mindegyik változatban megtalálható. Erıs antioxidáns, képes szabad gyökök „megfogására”, azaz redukciójára. Ebben jelentıs szerepe van a fenolos hidroxi-szubsztituensnek. A molekula tulajdonképpen győrőbe zárt hidrokinonnak tekinthetı, és mint ezt az 5.19 ábrán látható részletes 139 reakciómechanizmus is mutatja, a vegyület a szabad gyökök redukciója folyamán kinonná oxidálódik. H3C CH3 8 7 HO 6 1 O CH3 CH3 CH3 CH3 R 2 (CH2)3 CH (CH2)3 CH (CH2)3 CH CH3

3 R R 4 -H 5 CH3 benzopirán α-tokoferol (α-TH) CH3 H3C O CH3 CH3 -H , -H R H3C +H2O O O CH3 R O CH3 α-TH (R=fenti oldallánc) CH3 H3C O OH CH3 R O CH3 α-tokoferol-kinon 5.19 Ábra Az E-vitamin oxidációja α-tokoferol-kinonná. A különbözı helyeken metilcsoportokkal helyettesített vegyületekben a metilhelyettesítık a hidrokinonnak megfelelı forma elektródpotenciálját befolyásolják, amely hatással van az illetı tokoferol-származék redukciós készségére. A reakció során elsı lépésben az α-tokoferol (α-TH) hidrogénatomot veszít, mely lezárhatja egy szabad gyök lánc végét, pl. peroxidgyököt hidroperoxid-csoporttá alakítva Az 140 így keletkezett tokoferol-gyök ezután újabb hidrogénatomot és protont veszítve vízzel reagál. Az aromás rendszer megbomlik, a benzopirángyőrő felnyílik és kialakul a stabilis αtokoferol-kinon Ez az útja annak, hogy az elsı lépésben keletkezett tokoferol-gyök stabilizálódhat.

A vegyületnek fontos szerepe van többszörösen telítetlen zsírsavak peroxidációjának gátlásában. Ismeretes, hogy a membrán lipidek részét alkotó többszörösen telítetlen zsírsavak kettıs kötései között metiléncsoportok találhatók. A következı ábrán a lipidnek ezt a kis részletét rajzoltuk fel, ahol L a lipidet jelenti, vagyis az LH képlettel azt a hidrogént is jelöljük, amely gyökösen lehasadhat az oxidációs folyamat során. A lipid-peroxidok újabb lipidekkel reagálva lipidgyököket hozhatnak létre. Mind ez utóbbiak, mind pedig a peroxidgyökök az α-tokoferollal történı reakcióban semleges molekulákká alakulnak: LH (L=lipid) H H L LOO + LH LOO + α−ΤΗ L + α−ΤΗ LOOH LOOH + α−Τ LH + α−Τ A fenti ábrán vázoltuk fel a folyamatot, melynek során a keletkezett tokoferolgyökök az elıbbi mechanizmus szerint kinonná stabilizálódnak. Az emellett keletkezı hidroperoxidcsoport hidroxilcsoporttá történı

redukcióját a glutation végzi glutation-peroxidáz enzim katalízisével, így a láncok lezáródhatnak. (Megjegyezzük, hogy hasonló hatású a szelén is) 5.342 K-vitaminok A K1-vitamin vagy fillokinon növényekben (spenótban, káposztában, általában a zöld levelekben) található: 141 O CH3 CH2 ( CH2CH2 CH CH2)3 H O 2-metil-1,4-naftokinon K1-vitamin: fillokinon Fı része 2-metil-1,4-naftokinon, melyhez apoláris oldallánc kapcsolódik egy telítetlen kötéssel, amely egy izoprén egység része. A K2-vitamin, más néven menakinon, mely a bélben, illetve baktériumokban található, hasonló szerkezető. Ekkor azonban a naftokinon-győrőhöz kapcsolódó oldallánc izoprén-egységekbıl áll. O CH3 n=6-9 ( CH2 CH C CH2 )n H O K2-vitamin: menakinon Az apoláris oldallánc biztosítja a vegyületek zsíroldhatóságát. A K-vitamin szükséges faktora a véralvadásnak, illetve néhány faktorának (II, VIIX), és hiánya vérzékenységet okoz. Bizonyos

antibiotikumok hatására mennyiségük csökkenhet Ilyenkor csökkenhet a véralvadáshoz szükséges idıtartam. Éppen ezért e gyógyszerek szedésénél erre ügyelni kell. Szerepére az 5.20 ábrán bemutatott folyamat írható fel 142 OH protein O2 + protein + H2O + R OH CH2 CH2 KH2 (R=apoláris oldallánc) CH2 COO O + CH COO γ-glutamil-karboxiláz CO2 O R O protein K-vitamin epoxid CH2 CH COO COO a Ca2+ ion kötı oldala 5.20 Ábra A Ca2+ kötı oldal kialakulása K-vitamin segítségével. A protrombin nevő fehérje N-terminális aminocsoportja mellett glutaminsav található. A K-vitamin elısegíti ennek acilezését oly módon, hogy a reakció eredményeképpen a protrombin Ca2+ iont köthessen meg. Ez az elıfeltétele a protrombin trombin átmenetnek. Ezt követi a fibrinogén fibrinné történı átalakulása és megkezdıdhet a vérlemezkék kicsapódása, a véralvadás folyamata. Az itt leírt igen vázlatos folyamatot a következı

reakciók indítják meg. A K-vitamin elıször a NADH koenzim segítségével a redukált származékává (KH2) alakul. Ezután a protein-glutaminsavnak a karboxilcsoporttal szomszédos szénatomjáról a K-vitamin redukált formájával (KH2) történt reakciójában és oxigén felhasználásával protonvesztéssel karbanion keletkezik, valamint a K-vitamin epoxidja. Az így keletkezett karbanion széndioxiddal a γ-glutamil-karboxiláz enzim 143 katalizálta reakcióban alakul át olyan származékká, mely már két ionizált karboxilcsoportot tartalmaz. Ez a szerkezeti részlet már alkalmas kálciumion megkötésére, ezen az úton alakul ki a Ca2+ ion kötı oldala. 5.35 Vitaminszerő anyagok: az ubikinon Ebbe a csoportba sorolhatók a már érintılegesen tárgyalt inozit, kolin, karnitin (a zsírsav transzportját segítı enzim része), „p-aminobenzoát” és ubikinon. Közülük az ubikinont tárgyaljuk. Ezt a kinonokhoz tartozó vitaminnak is tekinthetı

vegyületet a mitokondrium tartalmazza: O CH3O CH3 CH3 ( CH2 CH C CH2 )n H CH3O O A vegyület kinon, melyhez izoprenoid típusú oldallánc kapcsolódik. Baktériumokban az ubikinon 6 izoprénegységet tartalmaz (n=6), míg állati szövetekben n=10, vagyis az oldallánc tíz izoprén egységbıl áll, ez utóbbit nevezik néha koenzim-Q10-nek vagy Q10-nek. Ez a vegyület is zsíroldható, az apoláris oldalláncának köszönhetıen. Fontos szerepe van a sejtlégzésben és az elektron-transzportban. Ennek folyamán az ubikinon elıször elektron-felvételével gyökanionná alakul, melyet szabad gyök intermediernek neveznek, majd ez utóbbi protont vesz fel. Ez a lépés az un protonált szabad gyökhöz vezet. Ezt újra egy elektron, majd egy proton felvétele követi, melynek során az ubikinon redukált, hidrokinon formája keletkezik (5.21 ábra) 144 1 R O O 3 R 2 R R R1 +e R 2 R 4 O 3 1 R +H 2 R 4 R O szabad gyök intermedier 1 R OH 2 R +H

4 R 1 R 3 R 2 R 4 R O R3 +e 4 R O protonált szabadgyök OH R3 OH R1=R2= CH3O, R3= CH3, R4= izoprenoid oldallánc OH hidrokinon 5.21 Ábra Az ubikinon redukciójának mechanizmusa. Az oxidációs-redukciós folyamatokban újabb kutatások eredményei szerint szemikinon intermedier is jelentıs szerepet játszik. O CH3O CH3 R = a fenti oldallánc CH3O R OH szemikinon intermedier Az ubikinon egy- és kételektronos reakciókban vesz részt. Egyelektronos folyamatban a szemikinon keletkezik. Reakcióiban jelentıs szerepe van a citokrómoknak Végeredményben megfelelı közbensı struktúrát jelent a két elektront szállító flavinkoenzim és az egy elektront hordozó citokrómok számára. 145 146