Dvanaesto izdanje pojavljuje se u novom ruhu. Vrlo rado sarn pristao na prijedlog izdavača da sе prijeđe na veći format. Podjelom na dva nejednaka stupca omogućeno je da se dodatne informacije smjeste na rub stranice. Čitalac će mnoge shematske prikaze naći na rubovima stranica. U tekstu će vrlo često naći opasku »sa strane«. U užem je stupcu nešto teksta koji se može smatrati uzgrednim opaskama, a sadrži dodatne informacije. To su djelomično povijesne primjedbe, dodatni opisi analitičkih metoda, zanimljive biokemijske reakcije u nekim organizmima ili patobiokemijski problemi, prikazani u vrio skraćenom obliku. Zainteresirani čitaoci upućuju se na dopunski udžbenik patobiokemije P. Karlsona, W. Geroka i W. Grossa.

Iako je prethodno XI.izdanje bilo sasvim promijenjeno, zbog brzog napretka biokemije u mnogim su se poglavljima morale provesti izmjene i dopune. Bitno je izmijenjeno 7. poglavlje o nukleinskim kiselinama i biosintezi proteina. Tu su ргоvedene i mnoge preinake. Pri tome sam nastojao da se opseg knjige ne poveća. Nadam se da je karakter »kratkog udžbenika biokemije« sačuvan. Odredeno povećanje opsega iz naklade u nakladu neizbježno je, jer je potrebno u svako novo izdanje unijeti nova saznanja.

Pomogle su mi mnoge kolege iz struke, kritički čitajući pojedina poglavlja ili veće dijelove manuskripta. Želio bih osobito zahvaliti svojim kolegama iz Marburga: D. Doeneckeu, D. Gallvvitzu, J. Koolmanu i F. Schneideru. Vrlo korisne bile su mi i diskusije s H. G. Zachauom. Želio bih zahvaliti čitaocima XI. izdanja koji su me upozorili na štamparske greške ili na neke neispravnosti u tekstu. Za dobru suradnju zahvaljujem suradnicima izdavačke kuće Thieme.

Marburg an der Lahn
u lipnju 1984.

P. Karlson

Sadržaj

I. poglavlje: Organska kemija i biokemija

1. Ugljikovodik kao osnovna tvorevina
2. Funkcionalne grupe
3. Biokemijski važne rcakcije
4. Veličina i oblik molekula

II. poglavlje: Aminokiseline

1. Kemijska konstrukcija i opće reakcije
2. Pojedine aminokiseline
3. Odjeljivanje aminokiselina

III. poglavlje: Peptidi

1. Princip izgradnje, nomenklatura i odredivanje konstitucije peptida
2. Prirodni peptidi..

IV. poglavlje: Proteini

1. Princip izgradnje proteina
2. Redoslijed (sekvencija) aminokiselina (primarna struktura)
3. Konformacija peptidnih lanaca (sekundarna struktura)
4. Tercijarna struktura globularnih proteina
5. Kvaterna struktura, kooperativnost i alosterija
6. Izolacija, karakterizacija i određivanje proteina

V. poglavlje: Enzimi

1. Kemijska priroda enzima
2. Kemijske ravnoteže i kemijska energetika
3. Energija aktivacije, kataiizatori i enzimi
4. Dinamičke ravnoteže i stacionarna stanja
5. Mehanizam enzimske katalize,
6. Specifičnost enzimske katalize
7. Kinetika enzimskih reakcija
8. Podjela i nomenklatura enzima

VI. poglavlje: Koenzimi

1. Koenzimi i prostetske skupine
2. Grada i podjela koenzima
3. Koenzimi i oksidoreduktaza
4. Prijenos grupa i potencijal prijenosa grupa
5. Adenozin-trifosfat kao koenzim za prijenos grupa.
6. Koenzimi C,-metabolizma
7. Koenzimi Crmetabolizma
8. Koenzimi liaza, izomeraza ijigaza

VII. povljavlje: Nukleinske kiseline i biosinteza proteina

1. Dezoksiribonukieinska kiselina kao nosilac genetičkih informacija
2. Sastojci nukleinskih kiselina
3. Primarna struktura nukleinskih kiselina
4. Prostorna struktura dezoksiribonukleinskih kiselina
5. Struktura kromosoma
6. Replikacija DNA
7. Transkripcija (biosinteza RNA)
8. Regulacija ekspresije gena
9.Translacija: biosinteza proteina
10. Mutacije
11. Biokemijska evolucija
12. Biokemija virusa

VIII. pogiavlje: Metabolizam proteina

1. Proteolitički enzimi
2. Pregled metabolizma aminokiselina
3. Dekarboksilacija aminokiselina
4. Transaminacija
5. Asimilacija dušika i sinteza aminokiselina kod biljaka
6. Dezaminacija i stvaranje mokraćevina
7. Metabolizam ugljikovog lanca aminokiselina
8. Razgradnja do aktiviranih mas’nih kiselina
9. Metabolizam aromatskih aminokiselina
10. Aminokiseline koje daju jedinice C,
11. Aminokiseline koje daju 2-oksoglutarnu kiselinu ili C4-dikarboksilne kiseline

IX. poglavlje: Oksidativna dekarboksilacija i ciklus limunske kiseline

1. Značenje ciklusa limunske kiseline
2. Oksidativna dekarboksilacija
3. Reakcije u ciklusu limunske kiseline
4. Iskorištavanje energije u ciklusu limunske kiseline
5. Ciklus limunske kiseline kao okretište metabolizma
6. Biosinteza porfirina

X. poglavlje: Jednostavni šećeri, monosaharidi

1. Konfiguracija i konformacija
2. Opće reakcije monosaharida
3. Najvažniji šećeri
4. Medusobne transformacije šećer
5. Ciklus pentoza-fosfata
6. Izgradnja šećera fotosintezom
7. Glikoliza
8. Glukoneogeneza
9. Metabolizam fruktoze
10. Vrenja

XI. poglavlje: Glikozidi, oligosaharidi i polisaharidi

1.Glikozidna veza
2.Disaharidi
3. Biosinteza glikozida i oligosaharida
4. Biljni polisaharidi
5. Glikogen i metabolizam glikogena
6. Heterogiikani
7. Glikoproteini

XII. poglavlje: Izoprenoidni Iipidi: steroidi i karotenoidi

1. Biosinteza kolesterola
2. Nomenklatura i stereokemija steroida
3. Steroli i biljni steroidi
4. Vitamin D
5. Žučne kiseline
6. Steroidni hormoni
7. Karotenoidi
8. Poliprenoli i poliprenilkmoni

XIII. pogiavije: Masti i metabolizam masti

1. Masti i lipidi
2. Kemijska grada masti
3. Masti kao rezervne tvari
4. (3-oksidacija masnih kiselina
5. Metabolizam nezasićenih i razgranatih masnih kiselina
6. Stvaranje acetoacetata (ketogeneza)
7. Biosinteza masnih kiselina

XIV. poglavlje: Fosfolipidi, glikolipidi i lipoproteini

1. Princip izgradnje
2. Biosinteza i struktura glicerofosfatida
3. Sfmgozin i sfingomijelin
4. Glikolipidi
5. Lipoproteini

XV. poglavlje: Biološke membrane

1. Izolacija organela i membrana
2. Sastav i izgradnja membrana
3. Membranski receptori
4. Permeabilnost i aktivni transport
5. Izmjena tvari između citosola i mitohondrija

XVI. poglavlje: Očuvanje energije u membranama: respiratorai lanac i fotosinteza

1. Oksidacija kao otpuštanje elektrona
2. Redoks-potencijal
3. Energetska bilanca respiratornog lanca
4. Redoks-sustavi respiratornog lanca
5. Mehanizam fosforilacije u respiratornom lancu
6. Citokrom P-450 i enzimska hidroksilacija
7. Fotosintetski transport elektrona i fotofosforiiacija

XVII. poglavlje: prehrana, metabolizam mineralnih tvari i vitamini

1. Kalorična vrednost i iskori[tavanje ATP
2. Bitni sastojci
3. Režim vode
4. Kiselinsko-bazna ravnoteža.
5. Režim mineralnih tvari
6. Elementi u tragovima
7. Vitamini
8. Vitamini topljivi u ulju
9. Vitamini topljivi u vodi

XVIII. poglavlje: Hormoni

1. Principi hormonske regulacije
2. Hormoni коге nadbubrežne žlijezde
3. Spolni hormoni
4. Kalcitriol
5. Hormoni štitnjače i paratireoidne žlijezde
6. Hormoni pankreasa
7. Hormoni hipofize i hipotalamusa
8. Hormonske regulacije ciklusa menstruacije
9. Hormoni epifize i timusa
10. Hormoni probavnog trakta želudac — crijevo i hormoni bubrega
11. Medijatori
12. Hormoni beskralješnjaka
13. Feromoni
14. Fitohormoni

XIX. poglavlje: Regulacijski mehanizmi i međusobni odnosi u intermedijarnom metabolizmu

1. Principi regulacije metabolizma
2. Hormonska regulacija metabolizma
3: Metabolizam ugljikohidrata
4. Metabolizam masti
5. Ciklus limunske kiseline i respiratorni lanac
6. Metabolizam proteina i nukleinskih kiselina
7. Zalihe intermedijarnog metabolizma

XX. poglavlje: Posebne biokemijske funkcije nekih organa

1. Probavni trakt
2. Jetra
3. Krv
4. Imunološki sustav
5. Bubrezi i mokraća
6. Vezivno i potporao tkivo
7. Biokemija mišića
8. Biokemija živčanog sustava
9. Razvoj, diferencijacija i maligna alteracija

Literatura
Predmetno kazalo

Zadaci i razvoj biokemije

Biokemija je dio »znanosti o životu«. Zadaća joj je da kemijskim metodama istražuje pojave života i da ih, ako je moguće, objasni.

Moderna istraživanja ultrastrukture posljednjih su desetljeća znatno koristila biokemiji, a ona je sa svoje strane povoljno utjecala na morfološka istraživanja. Opis pojedinih staničnih prostora ili »odjeljaka« (stanična jezgra, mitohondrije, endoplazmatski retikulum, citosol) bio bi, nesumnjivo, nepotpun bez njihove biokemijske karakterizacije, jer se funkcija pojedinih organela ne može objasniti morfološkim već samo biokemijskim metodama. Jednako je intenzivna i povezanost s fiziologijom, gdje se biokemijske metode istraživanja i spoznaje koriste za objašnjenje osnovnih staničnih procesa u mišićima, živcima, sinapsama i stanicama mozga. Postoji i uska povezanost uz medicinu. Mnoge bolesti shvatili smo kao smetnje u metabolizmu ili kao biokemijske anomalije, a zapravo svi lijekovi kao kemijske tvari utječu na biokemijske procese. Upravo zato za medicinara je vrlo važno poznavanje biokemije.

Biokemija se kao zasebno područje razvila u prvim desetljećima ovog stoljeća. Biokemijska su se istraživanja provodila već i prije, pa biokemija ima više korijena. Jedan od njih je kemija, naročito kemija prirodnih spojeva. Današnja organska kemija prije 150 godina bila je uglavnom kemija prirodnih spojeva.

Drugi je korijen fiziologija. Iz fiziologije, kemijski usmjerene, razvila se fiziološka kemija. Danas smatramo sinonimom oznake »fiziološka kemija« i »biokemija«. Naziv biokemija upotrebljava se sve više, pa i za institute na medicinskim fakultetima. Prva Katedra biokemije osnovana je 1859. godine u Tubingenu, a 1877. osnovao je Hoppe-Seyler »Zeitschrift fur physiologische Chemie«, prvi svjetski stručni časopis. Otcjepljenje fiziološke kemije od »fizikalne« fiziologije naišlo je na velik otpor fiziologa. Tek je 1932. godine fiziološka kemija (u Njemačkoj) postala zaseban predmet, odvojen od fiziologije.

Treći korijen biokemija povlači od medicine. Smetnje u metabolizmu, koje dovode do oboljenja, mogle su se objasniti samo biokemijski, a njihovo istraživanje dalo je biokemiji značajne poticaje.

Posljednjih desetljeća genetika je dala poticaj razvoju biokemije, iz koje se razvio jedan dio današnje molekulske biologije. Pojam molekulska biologija, u biti, sinonim je za biokemiju, odnosno za specifično područje biokemije koje nastoji objasniti fundamentalne pojave života na molekulskoj, tj. na biokemijskoj osnovi.

Pregledom kronološke tablice važnih biokemijskih otkrića u posljednjih stotinu godina mogu se raspoznati različita težišta istraživanja. Potkraj 19. stoljeća, razjašnjena je struktura šećera, aminokiselina, nukleinskih baza i drugih niskomolekulskih prirodnih spojeva. Kada je Buchner 1897. godine otkrio vrenje in vitro, zanimanje je vrlo brzo skrenulo na otvoreno područje metabolizma. Tako se u prvom desetljeću otkrila uloga fosfata pri vrenju ali i procesi, npr. p-oksidacija masnih kiselina.

Od 1920. do 1940. godine istraživanja su bila usmjerena prema vitaminima i hormonima. Mnogi od tih spojeva, koji djeluju već u najmanjoj količini, bili su izolirani u dvadesetim godinama, i početkom tridesetih godina. Oko 1935. godine spoznalo se da su vitamini dijelovi koenzima. Time se uspostavila veza između istraživanja vitamina i istraživanja metabolizma, što je svoj vrhunac doseglo tridesetih i četrdesetih godina. Tada se konačno razjasnio slijed reakcija u glikolizi i vrenju, otkriven je ciklus mokraćevine (ureje) i ciklus limunske kiseline.

Pedesetih godina moglo se prići strukturnoj analizi proteina. Utvrđene su prve potpune sekvencije aminokiselina, a istraživanje trodimenzionalne strukture razvilo se kako s eksperimentalne (rentgenska strukturna analiza), tako i s teorijske strane. Nakon modela uzvojnice kod proteina) Watson i Crick su došli do formulacije dezoksiribonukleinske kiseline kao dvostruke uzvojnice. To je bio početak moderne molekulske genetike, jer je istodobno bio predložen mehanizam kojim se genetske informacije mogu proslijediti i koristiti. Područje istraživanja nukleinskih kiselina i istovremeno istraživanje proteinske biosinteze i genetskog koda (šifra) doživjelo je u sljedećim desetljećima znatan zamah.

Otkrićem restrikcijskih endonukleaza otvorio se put za pripravu rekombinantnih DNA. Danas se mogu razmnožiti određeni geni, izolirani iz nekoga genoma i tako dobiti materijal za dalja istraživanja. Taj postupak, poznat i kao »genska tehnologija«, postao je nezaobilazan u istraživanju nukleinskih kiselina, a našao je i praktičnu primjenu npr. u proizvodnji humanog inzulina. U široj javnosti genska je tehnologija izazvala određene bojazni. Taj strah je tako dugo bezrazložan dok se ne pokuša izmijeniti Ijudski genom. Tu je sigurno postavljena granica koja se iz etičkih razloga ne smije prekoračiti. Isto tako je pogrešno, zbog teorijske mogućnosti prekoračenja granice, odbaciti cijeli postupak.

U posljednja dva desetljeća postignut je znatan napredak i u ostalim područjima biokemije, npr. istraživanju raka studijem onkogena, otkriću medijatora (prije svega eikosanoida), te proučavanju procesa koji se odvijaju na membranama. Priložena kronološka tablica daje još neke dodatne podatke o važnim biokemijskim istraživanjima. Oni će biti dopunjeni povijesnim napomenama u pojedinim poglavljima, na koje upućujem čitaoca zainteresiranog za povijest biokemije.

Kronološki popis važnih biokemijskih otkrića

1773. otkrivena ureja (Rouelle)
1779. priprava glicerola iz maslinova ulja (Sche-ele)
1780. disanje kao oksidacija (Lavoisier)
1810. objašnjenje bruto-reakcije alkoholnog vre-nja (Gay-Lussac)
1828. sinteza ureje iz amonij-cijanata, prva sin-teza organskog spoja biološkog porijekla (Wohler)
1836. Berzelius stvara pojam katalize
1857. »vitalistička« teorija vrenja (Pasteur)
1862. škrob kao proizvod fotosinteze (P. Sachs)
1869. otkrivanje nukleinske kiseline (F. Mie-scher)
1886. McMunn otkriva »histohematine« (kasni-je nazvane citokromi)
1890. prvi protein u kristaliziranom stanju: al-bumin jajeta (Hofmeister)
1897. otkriveno vrenje in vitro(E. i H. Buchner)
1902. formulacija proteina kao polipeptida (F. Hofmeister, E. Fischer)
1903. izolacija prvog hormona: adrenalin (Taka-mine, Aldrich)
1905. Starling stvara riječ »hormon«
1911. C. Funk stvara riječ »vitamin«
1912. teorija dehidrogeniranja kod biološke ok-sidacije (H. Wieland)
1913. teorija enzimske kinetike (Michaelis i Menten)
1914. biološka oksidacija uz aktivaciju kisika že-Ijezom (Warburg)
1926. izolacija prvog vitamina; aneurin (Jansen i Donath)
1926. prvi kristalizirani enzim: ureaza (Sumner)
1929. otkriven »labilni fosfat«: adenozin-trifos-fat (Lohmann)
1929. karakterizacija »fermenta disanja« kao spoja s heminom (Warburg)
1929—1934. izolacija mnogih steroidnih hor-mona (Butenandt, Doisy, Laqueur, Reich-stein)
1932. otkriven ornitinski ciklus (Krebs)
1935. izolacija prvog virusa u kristaliziranom stanju; virus duhanskog mozaika (Stan-ley)
1936. otkrivena povezanost vitamina i koenzi-ma. (Theorell, Warburg, H. v. Euler)
1936. otkriveni prostaglandini (LJ. v. Euler)
1937. formulacija ciklusa limunske kiselina (Krebs),
1938. otkrivena transaminacija (Braunstein)
1939. otkrivanje oksidativne fosforilacije (Belit-zer i Tshibakova, Kalckar)
1941. F. Lipmann postulira centralno značenje ATP kao »energijom bogatog spoja«
1944. otkriven način djelovanja nasljednih fak-tora preko enzima (Butenandt; Kuhn)
1944. faktor za transformaciju bakterija je DNA (Avery)
1951. objašnjena »aktivirana« octena kiselina (Lipmann, Lynen)
1952. model uzvojnice za proteine (Pauling)
1953. utvrđivanje strukture inzulina (Sanger)
1953. model uzvojnice za nukleinske kiseline (Watson i Crick)
1956. dokaz infektivnosti čistih nukleinskih ki-selina virusa (Gierer i Schramm)
1958. otkriven izopentenil-difosfat kao aktivni izopren (Lynen)
1959. otkriven ciklički AMP kao »second mes-senger« kod hormonskog djelovanja (Sut-herland)
1960. prve trodimenzionalne proteinske struktu-re (Kendrew, Perutz)
1960. Mitchell formulira kemiosmotsku hipote-zu fosforilacije u respiratornom lancu
1961. model za regulaciju aktiviteta gena (Jacob i Monod)
1961. razjašnjena šifra za baze nukleinskih kise-lina (Matthaei i Nirenberg, Ochoa)
1963. alosterička inhibicija enzima (Changeux, Jacob i Monod)
1965. prvo utvrđivanje sekvencije jedne nuklein-ske kiseline (Holley i suradnici; Zachau i suradnici)
1965. prostorni model enzima (lizozim) (Philips i suradnici)
1968 —1970. otkrivene restrikcijske endonukle-aze (Arber, Meselson, Smith)
1972 —1977. razvoj postupaka genske tehnolo-gije korištenjem restrikcijskih endonuklea-za
1972. model membrane kao tekući mozaik (Sin-ger i Nicolson)
1973. otkriće nukleosoma (Olins)
1975 —1976. izolacija i identifikacija trombok-sana i prostaciklina (Samuelson i sur.)
1977. postupci za određivanje sekvencije DNA (Maxam i Gilbert, F. Sanger)
1977. otkriveni »introni« u DNA
1979. identifikacija leukotriena (Hammarsten)

I poglavije Organska kemija i biokemija

1. Kemijska veza
2. Voda
3. Ugljikovodik kao osnovna tvorevina
4. Funkcionalne grupe
5. Biokemijski važne reakcije
6. Veličina i oblik molekula

Biokemija proučava spojeve ugljika koji se nalaze u organizmu, a posebno njihove pretvorbe. Zbog toga je organska kemija, ili kemija ugljikovih spojeva osnova biokemije. Kemija prirodnih spojeva i biokemija međusobno se isprepleću.

Dobro poznavanje organske kemije, prije svega razumijevanje strukturnih formula i kemijskih reakcija, preduvjet je smišljena studija biokemije. Iduća kratka izlaganja nisu ovdje da nadomjeste studij organske kemije. Ona naglašavaju njezino značenje, služe kao stalno prisutan priručnik te upozoravaju na neke klase spojeva i reakcije koje su osobito važne za biokemiju.

1. Kemijska veza

Molekule se sastoje od atoma međusobno povezanih valencijama koje omogućuju elektroni.

Jonska veza. Atomi s nepotpuno zaposjednutom valentnom elektronskom orbitalom primaju elektrone koje otpuštaju atomi koji na vanjskoj orbitali posjeduju malo elektrona. To je prikazano na primjeru na rubu stranice. Između iona postoji električna privlačnost koja u kristalu dovodi do rešetkastog rasporeda. U vodenoj otopini ioni se kreću slobodno, a obavijeni su hidratnim ovojem.

Kovalentna veza nastaje tako što dva atoma dijele zajednički elektronski par, tako da preklapanjem atomskih orbitala nastaju molekulske orbitale. (O teoriji kemijske veze vidi iscrpna objašnjenja u udžbenicima kemije.)

Ugljik je četverovalentan, tj. svaki C-atom može stvarati četiri istovrsne kovalentne veze. One se zovu o-veze i, kao što se vidi na sl. 1.1, usmjerene su u uglove tetraedra. O tome će još biti riječi u odsjeku o stereokemiji.

Osim o-veza postoje veze koje omogućuju n-elektroni. To je slučaj kod dvostruke veze između dvaju C-atoma, kao što je prikazano na sl. 1.2.

Nekovalentne veze. Takve veze nastaju između atomskih grupa, a da se pri tom ne preklapaju njihove atomske orbitale. U biokemiji su važne dvije vrste nekovalentnih veza: vodikova veza i hidrofobna veza.

Vodikove veze se stvaraju između neke HO-grupe ili HN-grupe i slobodnog elektronskog para atoma kisika, odnosno atoma dušika, ako se približe na udaljenost od 0,28 nm. Ta je veza simbolizirana točkastom crtom. Energija stvaranja vodikove veze iznosi samo jednu desetinu kovalentne veze, ali unatoč tome upravo vodikove veze stabiliziraju prostornu strukturu makromolekula (str. 38, 101).

Hidrofobne veze. Kada se grupe s ugljikovodičnim radikalima nalaze u vodenoj sredini, dolazi do poremećaja u strukturi vode (vidi dalje) jer se kidaju vodikove veze. Poremećaj je manji ako se dvije takve grupe toliko međusobno približe da između njih više ne postoje molekule vode. To se može približno usporediti sa spajanjem dviju malenih kapi ulja u vodenoj sredini u jednu veću kap. Ovdje se nije formirala kemijska veza u pravom smislu, već je uslijedilo međusobno hidrofobno djelovanje. Hidrofobne veze sudjeluju u stvaranju prostorne strukture proteina (str. 38) i pri međusobnom povezivanju fosfolipida i proteina u biološkim membranama.

2. Voda

Većina stanica sadrži oko 70 % vode. Postanak života odigrao se najvjerojatnije u vodenoj sredini, pa je voda do danas ostala najvažniji medij u kojem se provode mnoge reakcije metabolizma.

Voda kao dipol. Kao što se vidi na sl. 1.3, valencije kisika su međusobno pod kutom od 104° pa je molekula vode zakrivIjena. Kako atom kisika na sebe privlači elektrone koji ga povezuju s protonima vodika, nastaje dipolni moment, tj. atomi kisika postaju negativnije, a vodikovi atomi pozitivnije nabijeni. To naravno nisu potpuni elementarni naboji koji se ovdje pojavljuju već samo asimetrija u elektronskoj strukturi. Dipolni moment uvjetuje da molekule vode obaviju na usmjereni način pozitivne ione (prije svega natrij i kalij ione), i tako stvaraju hidratni ovoj. Često su hidratizirani i negativni ioni.

Led. Atom kisika u molekuli vode može stvarati vodikove veze i time dodatno pojačavati kovalentne veze formirajući tetraedar. U krutom stanju, dakle kao led, oblikuje se prava rešetkasta struktura sa šesterokutnim međusobnim povezivanjem molekula vode. Posljedica toga, među ostalim, jest to da led ima mnogo manju gustoću od tekuće vode pa stoga pliva na vodi. To je vrlo važno za život u vodi.

Slika 1.3. Struktura vode. U a je prikazan kalotni model molekule vode, a u b odgovarajući dipol. U c je djelomična slika strukture leda, gdje su oko svakog atoma kisika tetraedarski raspoređena četiri H-atoma s time da su dva povezana kova-lentnom vezom, a druga dva vodikovom vezom. Struktura odgovara dijamantnoj rešetki.

Izostavljeno iz prikaza

Voda kao otapalo. Voda je izvrsno otapalo za anorganske i organske spojeve. Pri otapanju dolazi do disocijacije soli u ione, a kiseline najčešće samo djelomično disociraju (str. 10, disocijacija karboksilnih kiselina). Možemo razlikovati »hidrofilne« i »hidrofobne« vrste organskih spojeva. Među prve pripadaju aminokiseline i proteini, zatim nukleinske kiseline i ugljikohidrati. Među druge pripadaju masti i lipidi (XIII. poglavlje, tablica 13.1).

Ponašanje otopina podvrgnuto je nizu zakona koji — kao i svi fizikalno-kemijski zakoni — vrijede i za organizam. Zakoni difuzije, osmoze i koloidno-osmotskog tlaka opširno su obrađeni u udžbenicima fiziologije.

Reakcije s vodom. Voda je reaktant, ali i produkt neke reakcije. Prilikom nastajanja visokomolekulskih spojeva, proteina i nukleinskih kiselina, formalno se sastojci povezuju uz odcjepljenje vode. Hidrolizom se makromolekule mogu opet razložiti na sastavne dijelove (str. 143). Napokon, najvažnija reakcija koja upravo omogućava život na Zemlji je cijepanje vode korištenjem energije svjetlosti, što je provode zelene biljke i alge pri fotosintezi. Obratna reakcija, nastajanje vode u respiratornom lancu, najvažnija je reakcija za dobivanje energije u aerobnim organizmima, dakle praktički kod svih životinja.

Anomalije vode. Voda (H,O), u usporedbi sa H,S i H2Se, ima mnoga neobična fizikalno-kemijska svojstva. U usporedbi s navedenim spojevima trebalo bi da voda ima ledište pri —150 °C, a vrelište pri — 80 °C. Za nastajanje i održavanje života na Zemlji veoma je važno to što je voda tekuća. Visoka toplina isparavanja vode isto je tako neobična, ali olakšava odvođenje topline, npr. pri hlapljenju znoja.

Izostavljeno iz prikaza

Čista voda, zbog disocijacije u H+ i OH-, ima koncentraciju H+ iona 10-7 mol dm-3, odnosno pH vrijednost 7, što je ujedno točka neutralnosti. U biokemiji je pojam pH vrlo važan, jer mnogi procesi u stanici jako ovise o koncentraciji H+ iona, tj. o pH.

Dielektrična konstanta vode neobično je visoka, što olakšava disocijaciju soli u ione. Sve navedene karakteristike rnogu se objasniti oblikom molekule vode i time uvjetovanim visokim dipolnim momentom, te sklonosti molekula vode da stvaraju vodikove veze.

Često se previdi činjenica da je točka neutralnosti — pri kojoj je koncentracija H+ jednaka koncentraciji 011 — ovisna o temperaturi. Pri 22 °C ona odgovara pH 7, pri 37 °C pH = 6,75, a pri 57 °C pH = 6,50.

3. Ugljikovodik kao osnovna tvorevina

Raznolikost organskih spojeva uvjetuju ugljikovi atomi koji se međusobno povezuju o-vezama. Tako se dolazi do velikog broja ravnolančanih i razgranatih ugljikovih lanaca, pa ako su u njima ostale valencije zaposjednute vodikom, dobivaju se ugljikovodici koji su — sa stajališta sistematike — osnova svih organskih spojeva.

Nezasićeni ugljikovodici sadrže > C = C < dvostruke veze koje smo prije opisali. Dok su zasićeni ugljikovodici slabo reaktivni, organski spojevi koji sadrže dvostruku vezu lako adiraju druge grupe. Posredovanjem n-elektronskog para dolazi do elektrofilne adicije, pri čemu se opet stvaraju a-veze. Tako se, na primjer, na dvostruku vezu može adirati voda ili vodik:

Izostavljeno iz prikaza

Prstenasti sustavi. Lanci ugljikovodika mogu se zatvarati u prstene. Zasićeni ili aliciklički prstenasti sustavi značajniji su za biokemiju od aromatskih spojeva benzenskog reda koji su vrlo brojni u klasičnoj organskoj kemiji. Kao što znamo, benzenski sustav je mezomeran pa se samo nepotpuno može prikazati klasičnom formulom šesteročlanog prstena sa tri dvostruke veze. Unatoč tome, odabrali smo takav način, odnosno moderniji način s kružnicom za K-elektrone, kako bismo razlikovali aromatske spojeve od zasićenih prstenastih sustava koji su prikazani jednostavnim peterokutima ili šesterokutima. Najvažniji spojevi u prstenu prikazani su u tablici 1. 1. imenom i formulom.

Uz čiste ugljikove prstene često ćemo sresti heterocikličke spojeve kod kojih su jedan ili više ugljikovih atoma nadomješteni dušikom, kisikom ili sumporom. Imena prstenastih sustava unesenih u tablicu 1.1. pretežno su trivijalna imena. Kemijska reaktivnost heterocikličkih spojeva često se znatno razlikuje od čistih ugljikovih prstena. Tako dušik, zbog svojega slobodnog elektronskog para, pokazuje najčešće bazična svojstva (više puta i kisela). Na to moramo, dakle, paziti kod heterocikličkih prstenastih sustava.

Sumarna formula svih zasićenih, lančanih ugljikovodika odgovara općoj formuli C„H2„+2. Kad se lanci zatvaraju u prstene — bez obzira na to da li u peteročlane, šesteročlane ili šesnaesteročlane — moraju se pri svakom zatvaranju prstena ukloniti dva atoma vodika, a sumarna formula bit će siromašnija za dva atoma vodika. Iz sumarne formule zasićenog ugljikovodika kolestana (osnovni spoj od kojega se odvodi kolesterol) C27H48, možemo zaključiti da se u njegovu ugljikovu skeletu moraju nalaziti četiri prstena.

Tablica 1.1. Prstenasti sustavi

Izostavljeno iz prikaza

Broj članova u prstenu karbociklički zasićen nezasićeni (aromatički) sa dušikom ili sa kisikom ciklo-pentan ciklo-perrtadien pirolidin pirol imidazol fur i hidrofuran ciklo benzen hekson piperidin piridin pirimidin tetro piran htdropiran hidrindan inden indol purin benzfurun (kumaron) dekalin naftalin kinolin pteridin kroman viši sustavi fenantren 5α-steran benz (g) pteridin

Prikazivanje formula. Strogo uzevši, u formulama bi svaku valenciju trebalo prikazati crticom koja simbolizira jedan elektronski par. U organskoj kemiji općenito se pokazalo opravdanim prikazivati grupe zasićene vodikom sa —CH3 ili >CH2 umjesto zamršenim načinom pisanja kako je prikazano sa strane.

Često ćemo formule još i dalje pojednostavniti, pa lanac ugIjikovodika prikazati sustavom crta na uglovima kojih treba zamisliti grupe —CH2—, kao što je prikazano na primjeru:

Kod cikličkih spojeva vrijedi isto. Ovdje je uobičajenije skraćeno pisanje. Dvostruke veze naznačene su uvijek dvostrukom crtom. Šesterokut s jednostavnim crtama znači, prema tome, cikloheksanski prsten, tj. zasićeni spoj (ne benzenski prsten!).

Grupe koje su u nekoj reakciji nevažne, jer se ponavljaju, a ne reagiraju, često se označavaju sa R (»ostatak«, »radikal«), R se piše i ondje gdje mogu postojati različiti ostaci, ili je nepoznata priroda R.

4. Funkcionalne grupe

Raznolikost organskih spojeva omogućena je, dalje, uvođenjem funkcionalnih grupa u strukturu ugljikovodika. RazumIjivo je da je to formalna dedukcija kojoj najčešće ne možemo pripisati neki eksperimentalno provediv put. Ovisno o tome je li zamijenjen jedan ili više vodikovih atoma, razlikujemo: jednovalentne, dvovalentne i trovalentne funkcionalne grupe (tablica 1.2).

Tablica 1.2. Važne funkcionalne grupe

Izostavljeno iz prikaza

• Funkcionalne grupe
• jednovalentne:
  — OH
  -NH2
• dvovalentne:
  = O
  = NH
• trovalentne;
• Oznake kao prefiks
  hidroksi-
  amino-
  okso-
  imino-
  karboksi-
  cijano-
• Sufiks (nastavak)
  -ol
  -amin
  -on
  imin
  -karboksilna kiselina
  -nitril

Nomenklatura. U sistematskim imenima organskih spojeva najprije se označava sistematskim imenom osnovni ugljikovodik, a u kompliciranijim strukturama često se umjesto sistematskog imena stavlja trivijalno ime. Funkcionalne grupe označuju se tada prefiksima ili sufiksima, kao što je navedeno u tablici 1.2. Pri tome vrijedi pravilo da se kao sufiks može navesti samo jedna funkcija (ona s najvišom vrijednosti) pa nije dopušteno upotrebljavati sufiks-olon za neki hidroksi-keton.

Kemijske reakcije pojedinih klasa spojeva najčešće su reakcije funkcionalnih grupa, pa im odatle i ime.

Hidroksilna grupa. Prema najduže poznatom predstavniku, običnom alkoholu ili etilnom alkoholu, nazivaju se analogni spojevi s hidroksilnom grupom alkoholi. Njihova imena nastaju tako da se imenu osnovnog spoja doda nastavak —ol (primjer: etan → etanol). U sistematskoj organskoj kemiji razlikujemo primarne, sekundarne i tercijarne alkohole.

Alkoholi stvaraju niz derivata od kojih su za nas važni esteri organskih kiselina i fosfatne kiseline:

Stvaranje estera je ravnotežna reakcija, kao što pokazuje dvostruka strelica. Konačna koncentracija može se postići sa obje strane (str. 52 i dalje).

Eteri formalno nastaju kao produkt uklanjanja vode između dviju molekula alkohola. Eterske grupacije nalaze se u nekim prirodnim spojevima. Od ostalih reakcija alkoholne grupe spominjemo dehidrogeniranje do karbonilnog spoja.

Prema reakciji a nastaje iz primarnog alkohola aldehid, a prema reakciji b iz sekundarnog alkohola keton. Tercijarni alkoholi dehidrogeniraju se uz razgradnju ugljikova skeleta a u daljnoj reakciji lagano otcjepljuju vodu i daju nezasićeni spoj, što je poznato i kod drugih alkohola.

Amini. Amine možemo smatrati alkiliranim amonijakom, ili alkiliranim amonij-ionom. S toga gledišta stvorena je i nomenklatura tih spojeva. Primarni amin je monoalkilirani amonijak, sekundarni amin je amonijak sa dvije alkilne grupe, tercijarni amin sadrži tri ugljikova ostatka na amonijaku, a kvaterna amonijeva sol se odvodi od amonijeva iona NH4+ zamjenom svih četiriju vodikovih atoma s organskim supstituentima.

Amini su organske baze. Stvaranje soli, koje tumačimo — analogno stvaranju amonijevih soli — kao adiciju protona, najvažnija je funkcionalna reakcija amino-spojeva (str. 20 i dalje).

NH, + H+ ↔ NH4+ R—NH2 + H+ ↔ R—NH3+

Iz sekundarnog ili tercijarnog amina odvode se bez teškoća cikličke baze. Kod njih su se ostaci R2 i R3 spojili u prsten. Primjere za to nalazimo u tablici 1.1. Kod nekih od tih baza (piridin, imidazol itd.) nalazi se između C i N dvostruka veza (»aromatski« sustavi).

Nastajanje amida iz amina analogno je reakciji stvaranja estera iz alkohola. Ta reakcija je vrlo važna za izgradnju peptida i proteina (bjelančevina) iz aminokiselina, pa će o njoj još biti kasnije riječi (str. 27 i dalje).

Pri dehidrogeniranju primarnih amina nastaje — prema analogiji s alkoholom — dvostruka veza >C = NH. Te spojeve zovemo imini. Oni su nepostojani i s vodom se hidroliziraju dajući ketone (ili aldehide ako je R| = H) i amonijak NH3:

Prema toj reakciji u metabolizmu se mogu oksidirati aminokiseline.

Karbonilni spojevi: aldehidi i ketoni, imaju opću formulu prikazanu sa strane.

Sistematsko ime aldehida tvori se dodavanjem nastavka —al imenu osnovnog spoja. Ketoni imaju analogno nastavak —on. Skupina > C = O zove se okso-grupa ili karbonilna grupa (naziv keto-grupa je zastario).

Karbonilni spojevi vrlo su reaktivni. Redukcijom (hidrogeniranjem, tj. adicijom vodika na dvostruku vezu > C = O) nastaju alkoholi. Reakcija je reverzibilna: primarni ili sekundarni alkohol može se dehidrogenirati u karbonilni spoj kao što je to naznačeno kod alkohola. Ta je reakcija u biokemiji važna.

Dalja reakcija adicije na karbonilne spojeve je adicija vode. Nastaju hidratni oblici koji su nepostajani, ali mogu biti međuproizvodi reakcije. Adicija alkohola na aldehide daje analogno poluacetale, koji su važni spojevi u kemiji ugljikohidrata, pa će se o tome opširnije govoriti na str. 192.

Dehidrogeniranjem aldehid-hidrata, tj. bezdovođenja kisika, može nastati karboksilna kiselina.

Adicija primarnih amina na karbonilnu skupinu daje spojeve koji lako odcjepljuju vodu, pri čemu se stvara >C = N—dvostruka veza:

Spojevi ove vrste nazivaju se Schiffovim bazama. One su važni međuprodukti enzimskih reakcija (str. 62).

Napokon treba razmotriti aldolnu adiciju, koja se često, ne sasvim ispravno, naziva aldolnom kondenzacijom.

Ta reakcija bila je osnova za H. Wielandovu »te-oriju dehidrogeniranja« kod biološke oksidacije, o kojoj se dvadesetih godina mnogo raspravljalo. Suprotnost između H. Wielandove teorije »aktivacije vodika« (dehidrogeniranje) i O. War-burgove postulirane teorije »aktivacije kisika« (oksidacije) čini nam se danas bespredmetna. Poznajemo mnogobrojne primjere za oba tipa reakcija, a pri staničnom disanju događaju se obje.

Prvi stupanj te reakcije je stvaranje enolat-aniona koji nastaje otpuštanjem a-vodika u prisutnosti neke baze. Nastali anion veže se na neku karbonilnu skupinu, stvarajući C—C vezu, što dovodi do nastajanja aldola. Pri tome može doći i do naknadnog otcjepljenja vode:

Aldehidi i ketoni koji CH— ili CH2— grupu imaju uz karbonilnu grupu posjeduju kiselinski karakter. Otpuštanjem protona nastaje karbanion, koji je stabiliziran mezomerijom kao što je prikazano formulom sa strane. Kada se proton adira na desni oblik spoja u zagradi, nastaje enol. Ime nastaje od nastavka en = dvostruka veza i nastavka ol = alkoholna grupa. Izomerija između keto-oblika i enolnog oblika zove se i tautometrija.

Fenoli. Enolima su vrlo bliski fenoli koji imaju grupu —OH izravno vezanu za aromatski prsten. Fenolna hidroksilna skupina vezana je na ugljikov atom koji je uključen u mezomerni aromatski sistem. Fenolat-ion ima na raspolaganju mnoge mezomerne oblike. Zbog toga su fenoli slabe kiseline, a najjednostavniji predstavnik, fenol, prije se zvao karbolna kiselina. Fenolna hidroksilna grupa može stvarati estere i time je nalik na alkohole.

Imini su spojevi za koje je karakteristična >C = N— veza; općenito vrlo lagano hidroliziraju, a postojani su samo u posebnim slučajevima. Među njih možemo ubrojiti spojeve u prstenu (tablica 1.1. i 6.2.) i spojeve s gvanidino-skupinom. Gvanidin je stabilan u vodenoj otopini.

Karboksilne kiseline sadrže karboksilnu skupinu, u kojoj je atom ugljika trima valencijama povezan s atomima kisika. Lokalizacija negativnog naboja samo na jednom 0-atomu je netočna jer su zbog mezomerije oba O-atoma jednako mogući nosioci naboja. Ipak, za naše je svrhe zgodnije zadržati taj način pisanja.

Derivati karboksilnih kiselina nastaju zamjenom —OH grupe u karboksilnoj skupini nekom drugom skupinom.

Oni formalno sadrže acilni ostatak koji je desno prikazan, a X može biti —OR, —NH2, —NHR i dr.

Acilni je ostatak, kao i karbonilna grupa, elektrofilan, pa može vezati nukleofilne skupine. Nakon adicije nukleofilne skupine dolazi do eliminacije grupe X. Ukupan rezultat je nukleofilna supstitucija, prema mehanizmu adicije-eliminacije, koju zovemo »aciliranje«. Reakcija je prikazana na primjeru stvaranja amida iz nekog estera (X = —OCH3) i primarnog amina.

Amidi (X = NH2 ili NH—R2) u biološkim sustavima također nastaju prijenosom grupa. Hidrolizom se razgrađuju na sastavne dijelove, kiselinu i amonijak, odnosno amin. Amidna je veza vrlo važna za izgradnju peptida i proteina (II. i III. poglavlje).

Esteri. Kod njih je X neka alkoksi-grupa (—OR). Oni nastaju ravnotežnom reakcijom od kiseline i alkohola, kao što je prikazano na str. 52. U fiziološkim uvjetima, tj. u vodenoj sredini kod neutralnog pH, ravnoteža je na strani kiseline i alkohola. U biološkim sustavima esteri nastaju iz aktiviranih derivata kiselina (vidi već opisano), prema principu prijenosa grupa.

Aktiviranim derivatima kiselina nazivamo spojeve kod kojih grupa X djeluje polarizirajući na karbonilnu vezu i time olakšava naveđenu reakciju. U organskoj preparativnoj kemiji za aciliranja se upotrebljavaju prije svega kiselinski kloridi i anhidridi kiselina. I u biokemiji su poznati aktivirani derivati kiselina, npr. anhidridi fosfatne kiseline ili tio-esteri, npr. acil-CoA (vidi koenzim A, str. 88). Aciliranja se u biokemiji provode prijenosom skupine, tako da se acilna grupa prenosi s aktiviranog ostatka X (npr. CoA) na neku molekulu akceptora.

• monokarboksiLne kiseLine (soli)
• dikarboksilne kiseline (soli)
• hidroksikiseline (soli)
• oksokiseLine (soli)
• mravLja kiselina
• oksalna kiselina
• glikoLna kiselina
• glioksiina kiselina
• (formijat) (oksalat) (glikolat)
  H3C-CH-COOH (gLioksilat)
  H3C-C-COOH
  H3C-COOH
  HOOC-CH2-COOH
• octena kiselina
• maLonska kiselina
• mliječna kiselina
• pirogrožđdna kiselina
  (acetat) (maLonat) (Laktat)
  H2C-CH-COOH (piruvat)
  H2C-C-COOH
  H3C-CH2-COOH
  HOOC-CH2-CH2-COOH
• propionska kiselina
• jantarna kiselina
• gLicerlnska kiselina
• hidroksipirogrožđana kisel,ina
  (propionat)
  (sukcinat)
  (glicerat)
  (hidrokslplruvat)
  COOH
  HOOC-CH2-CH-COOH
  HOOC-CH2-C-COOH
  H3C-CH2-CH2-COOH
  C = C
• masLačna kiselina
• fumarna kiselina
• jabučna kiselina
• oksaloctena kiseLina
  (butirat)
  (fumarat)
  (malat)
  (oksalacetat)
  H3CX
  CH-CH2—COOH
  H2C-CH2-CH2
  HOOC-CH-CH-COOH
  H2C-CH2-C=O
  H3C
  HOOC
  COOH
  OH
  COOH
  COOH
• izovalerijanska kiselina
• glutarna kiselina
• vinska kiseLina
• 2-oksogLutarna kiselina
  (izovaLerat)
  (glutarat)
  (tartarat)
  (2-oksogLutarat)

Tablica 1.3. Važne kiseline i soli

Izostavljeno iz prikaza

Disocijacija karboksilne kiseline. U vodenoj otopini disociraju karboksilne kiseline na protone (koji u vodi hidratiziraju u H3O + -ione) i karboksilat anione, kao što prikazuje jednadžba sa strane. Anion je stabiliziran mezomerijom, pa se negativni naboj može pripisati i drugom kisikovom atomu.

Soli. Najveći broj organskih kiselina postoji kod fiziološkog pH kao anion, tj. kao sol. Imena soli izvode se od latinskih imena kiselina. Formule kiselina koje češće dolaze u biokemiji navedene su u tablici 1.3. Imena soli navedena su u zagradama. U biokemiji se pretežno upotrebljavaju imena soli, čak i onda kada je kation nepoznat ili kada kod višebaznih kiselina nije poznato do kojega su stupnja one disocirane.

Zakon disocijacije i p/č-vrijednosti. Disocijaciju karboksilnih kiselina možemo prikazati jednadžbom (1.1), i primijeniti zakon o djelovanju masa. Kao što je poznato, on pokazuje da je odnos koncentracija stalan. Matematički izraz prikazan je sa strane (1.2).

Za koncentraciju (točnije aktivitet) H + -iona, koji se nalaze u prije navedenoj jednadžbi, Sorensen je uveo jedinicu pH koja je prema jednadžbi (1.3) definirana kao negativan dekadski logaritam množinske koncentracije H + -iona.

Prema tom načinu pisanja c(R —COO-) nazna-čuje molarnu koncentraciju te molekule, odnos-no iona izraženu u mol dnr3. U tim se jedna-džbama piše zbog jednostavnosti c(H + ). iako zapravo nastaje ion H3O + .

pH = — log c(H + )/mol dnr3 (1.3)

Vratimo se na zakon o djelovanju masa. Jednadžbu (1.2) možemo pisati u obliku jednadžbe 1.4.

Ako je vrijednost razlomka = 1, tj. ako postoji ista količina nedisocirane kiseline i aniona, tada je koncentracija H+ iona jednaka konstanti disocijacije kiseline. Ako se želi c(H+) izraziti kao pH, svrsishodno je navesti i konstantu disocijacije kao negativni logaritam. Ta se veličina naziva pKa vrijednost: PK, = — log Ka

Karboksilne kiseline imaju pKa vrijednosti obično između 3,5 i 5,0. Konstanta K, (od acrdum^kiselina) označava se najčešće kao konstanta disocijacije kiseline. Možemo je shvatiti i kao konstantu asocijacije aniona Ac_ s protonima ako jednadžbu (1.1) čitamo zdesna nalijevo. Tada pK, poprima vidljivo značenje. Spojevi s visokom vrijednosti pK, čvrsto vežu protone, a disocijacijom ih teško otpuštaju. To je kod slabih kiselina. Obratno, niska pKa vrijednost nekog aniona znači da on slabo veže protone. Takav anion dio je jake kiseline koja disocijacijom lako otpušta protone.

Za rad sa pH vrijednostima vrijede, naravno, pravila logaritamskog računanja. Svaka promje-na pH za jednu jedinicu odgovara promjeni kon-centracije H + -iona za faktor 10.

Množinska koncentracija H + -iona od 2 × 10-5 mol dnr3= 0,210+ mol dm3 odgovara pH od — (log 2 × 10-5 mol dm3Vmol dm-3) = — (log 2 + log 10-5) = − (0,3-5,0) = 4,7.

Logaritmiranjem jednadžbe (1.4) dobivaju se jednadžbe (1.5) i (1.6).

Taj izraz, koji nazivamo i Henderson-Hasselbalchovom jednadžbom, vrlo je praktičan za izračunavanje pH vrijednosti koje se uspostavljaju u smjesama soli i kiselina. Te smjese nazivamo puferima.

Puferi imaju osobinu da vežu H+-ione (i OH~-ione) i time ublažuju promjene pH koje nastaju dodatkom kiselina (ili baza). Njihov način djelovanja razumljiv je iz zakona o djelovanju masa. Ako bi se ravnotežnoj smjesi, prikazanoj jednadžbom (1.2), dodala kiselina, povisila bi se koncentracija c(H+). Da bi se ponovo uspostavila ravnoteža, mora se povisiti i c(HAc), a to se može samo kad se H+ i Ac_ spoje u HAc. Tako nestane najveći dio H + -iona, a pH vrijednost se promijeni samo neznatno. Pri tome se, naravno, uvijek pretpostavlja da se ne doda previše H + -iona, tj. ne prevelika količina kiseline. Puferski kapacitet je iscrpljen kad se istroši znatan dio Ac~-iona za prihvaćanje H+-iona.

Kao puferske smjese općenito služe slabe kiseline ili slabe baze u smjesi sa svojim solima. Njihovo pufersko djelovanje najbolje je u području pK vrijednosti. Puferske smjese uvijek su potrebne pri biokemijskim radovima. Mnogo se upotrebIjavaju fosfatni puferi, citratni puferi i tris-(hidroksimetil)-aminometan, često jednostavno zvan tns-pufer.

U novije vrijeme češće se kao puferi upotrebljavaju organske sulfonske kiseline, npr. morfolino-propansulfonska kiselina (Good-pufer). Točan sastav puferskih smjesa naveden je u biokemijskim priručnicima. — O puferskim sistemima u krvi vidi XVII. poglavlje.

5. Biokemijski važne reakcije

Gotovo su sve biokemijske reakcije katalizirane enzimima. Enzimi (i koenzimi) u određenom su smislu »reagencije« žive stanice, pomoću kojih se provode sve reakcije u vodenoj sredini kod približno neutralnog pH i u uskom temperaturnom području. Raznolikost tih reakcija može se svesti na razmjerno malen broj tipova reakcija.

Principi enzimske katalize bit će opisani kasnije (IV. i V. poglavlje). Unatoč tome, ovdje je svrsishodno navesti biokemijski važne reakcije u skladu sa sistematikom enzima (str. 69). Za biokemijske procese u živoj stanici značajni su ovi tipovi reakcija:

Dehidrogeniranje (oksidacija) i hidrogeniranje (redukcija) međuproizvoda metabolizma. Dehidrogeniranjem se prevode:

a) alkoholi u karbonilne spojeve — reakcija je reverzibilna (str. 76);
b) zasićeni u nezasićene spojeve — reakcija je najčešće reverzibilna;
c) aldehidi u karboksilne kiseline — reakcija nije uvijek reverzibilna;
d) amini u imine koji se dalje hidroliziraju u karbonilne spojeve — ta reakcija nije reverzibilna (izuzetak je transaminacija, str. 150).

Kisik kao reaktant. Kod mnogih oksidacija reaktant je kisik. Na osnovi elektronske konfiguracije molekula kisika može prihvatiti dva ili četiri elektrona. Ako se veže samo jedan elektron, dobivamo superoksidradikal-anion, neobično reaktivnu molekulu koja je u stanju napasti i razoriti mnoge organske spojeve. Da ta agresivna vrsta molekula ne bi učinila neku štetu u stanici, priroda je proizvela naročiti enzim superoksid-dismutazu koji omogućuje da se ovaj radikal razgradi na kisik i H2O2.

Prijenosom dvaju elektrona nastaje vodikov peroksid H2O2. To se dešava pri reakcijama mnogih dehidrogenaza koje kao

Prijenos grupa: prijenos metilnegrupe prostetsku grupu sadrže flavin-dinukleotid. Danas još nije jasno da li u stanici nastaje H2O2 ili umjesto kisika djeluje neki drugi akceptor elektrona.

Prijenosom četiriju elektrona na molekulu kisika, uz istovremeno vezanje četiriju protona, nastaje voda. Taj proces odgovara reakciji plina praskavca, poznatog iz anorganske kemije, pri čemu se oslobađa vrlo mnogo energije. Enzimi koji kataliziraju taj prijelaz najčešće sadrže bakar.

Najvažnija takva reakcija je nastajanje vode u respiratornom lancu mitohondrija (XVI. poglavlje).

Postoje još enzimi-oksigenaze — koji se koriste kisikom ne samo kao akceptorom elektrona, već ga mogu izravno uvesti u organsku molekulu. Tok reakcije je često kompleksan (str. 69, 187).

U vodenoj sredini kisik je samo umjereno topljiv. Njegov prijenos u krvi omogućuje hemoglobin crvenih krvnih tjelešaca, naročiti sustav za transport. Međutim, molekula kisika može razmjerno lako proći kroz lipidne membrane i tako dospjeti u stanicu i na mjesto staničnog disanja, tj. u unutrašnjost mitohondrija.

Prijenos grupa ima osobito značenje kao tip reakcije. Određena grupa — npr. acilni ostatak, metilna grupa ili cijela molekula glukoze — prenosi se s određenog koenzima (str. 80 i dalje) na drugu molekulu. Te reakcije su najčešće nukleofilne supstitucije. Tako nastaju C—O, C—N, a isto tako i C—C-veze. Prema tom principu izgrađuju se i visokomolekulske supstancije.

Koenzimi i njihove reakcije opširnije su opisani u VI. poglavIju. Neki enzimi, koji kataliziraju prijenos grupa, navedeni su u tablici 5.1 (str. 74).

Hidroliza se može ubrojiti u reakcije supstitucije, pri čemu se HO“-ion veže na molekulu, a neka druga grupa se istovremeno odcjepljuje.

Povezivanje i cijepanje C—C-veza provodi se često kao nukleofilna adicija enolat-iona (str. 8) na neku karbonilnu skupinu. Tipične reakcije te vrste jesu:

a) aldolna adicija (str. 8, 62),
b) stvaranje P-karbonilnih spojeva prema principu reakcije esterske kondenzacije,
c) karboksiliranje ketona i acil-CoA, kao i njihova reverzibilna reakcija, tj. dekarboksilacija pri čemu se cijepa jedna C—C-veza.

Ugljikovi atomi povezuju se i drugim reakcijama adicije. Kod aciloinske adicije veže se aktivirani aldehid kao karbanion na neki drugi aldehid (str. 198).

Navedene reakcije kataliziraju se enzimima koji pripadaju skupini liaza. Druge liaze omogućuju vezivanje vode, odnosno amonijaka na >C = C< dvostruku vezu, a isto tako omogućuju i reverzibilnu reakciju, tj. reakciju eliminacije, pri čemu se stvara dvostruka veza.

U petu skupinu ubrajamo enzime koji kataliziraju reakciju izomerizacije. Reakcijski mehanizam nije jedinstven, pa će ove reakcije biti kasnije opisane. To isto vrijedi i za reakcije s ligazama (str. 89).

• Claisenova kondenzacija estera
• reakcija s liazom: otcjepljenje NH3

6. Veličina i oblik molekula

Za mnoga razmatranja u biokemiji značajni su veličina i oblik molekule, što je osobito važno za molekulu supstrata koja sudjeluje u enzimskoj reakciji. Zbog toga moramo ukratko upoznati ta svojstva.

Mol je jedinica količine tvari. Definiran je kao ona količina supstancije koja sadrži toliko elementarnih jedinki (atoma, iona, molekula), koliko je atoma u 0,012 kg ugljikova izotopa 12C. To je 6,022 x 1023 čestica.

Množinska koncentracija je izvedena veličina, a definirana je omjerom množine i volumena otopine. Jedinica je mol dm-3 za koji se upotrebljava i oznaka M.

Masa molekula. Masa pojedinačnih atoma i molekula izražava se unificiranom atomskom jedinicom mase (atomic mass units) u. Ona predstavlja dvanaesti dio mase ugljikova atoma izotopa 12C, prema tome odgovara masi od 1,66 x 10-24 g.

U biokemiji se za tu vrijednost često koristio izraz dalton, skraćeno Da.

Umjesto da se masa izražava daltonima, može se navesti odnos mase molekula prema unificiranoj atomskoj jedinici mase. Taj se odnos zove relativna molekulska masa, skraćeno Mr. Prije se nazivao molekulskom težinom. M. kao relativna veličina, nema dimenzije. Često se, međutim, upotrebljava i fizikalna veličina — molarna masa (znak M) čija je jedinica gram po molu (znak g/mol). — Tri navedene veličine razlikuju se samo dimenzijom, njihova je brojčana vrijednost ista.

Dimenzija molekula. Iz duljine veza, koje su reda veličine 0,1—0,2 nm (1—2A), može se izračunati da jednostavne molekule, npr. serin ili glukoza, imaju promjer od 0,5 — 1 nm (5-10 A).

Molekule su, prema tome, vrlo malene; one se mogu promatrati pod najboljim elektronskim mikroskopom, ali atomi u molekulama ne mogu se međusobno razlučiti.

Model tetraedra. Kao što je već spomenuto, četiri veze (atomske orbitale) ugljikova atoma usmjerene su prema vrhovima tetraedra, a zamišlja se da je atomska jezgra u središtu. Kut između dviju veza iznosi 109°30′, duljina jedne C—C-veze je 0,154 nm, a C—O-veze 0,143 nm. Duljina dvostruke veze je kraća od duljine jednostruke veze.

Želimo li dobiti predodžbu o građi molekule, moramo se poslužiti modelima. Prostorna se predodžba najbolje može proučavati pomoću kalotnih modela; kod njih su volumeni djelovanja atoma predstavljeni kalotama. Sl. 1.4. prikazuje metan i jednu dugolančanu masnu kiselinu (dodekan-kiselinu) pomoću kalotnog modela.

Za mnoga stereokemijska razmatranja pogodniji su modeli kod kojih su atomska središta predstavljena malim kuglama, međusobno povezanim dugim štapićima. Jedan takav model, za aminokiselinu serin, prikazan je na sl. 1.5 (str. 14).

Kiralnost. Kiralno izgrađena molekula i njezin odraz u zrcalu ne mogu se međusobno preklopiti. Međusobno se razlikuju kao lijeva i desna ruka, odakle i potječe naziv kiralnost.

Slika 1.5. Prostorni modeli kiralnih molekula serina. a. Tetraedarski model molekule D-serina. b. Tetraedarski model molekule L-serina. Ta dva modela ne mogu se preklopiti već se odnose kao predmet i slika u zrcalu. Zorno to možemo predočiti ako zamislimo model D-serina zakrenut oko okomice za 120° nalijevo, pri čemu — CH2OH-grupa postaje usmjerena nadesno, a H-atom koso prema pozadini. c. Prostorni model L-serina je tako orijentiran da su —COOH i —CH2OH-grupe smještene iza projekcijske ravnine, koja je sivo obojena. Prema prostornom modelu naznačenom u c, u d je prikazana projekcijska formula.

Izostavljeno iz prikaza

Tetraedarski model aminokiseline serina, prikazan na sl. 1.5, također se ne može preklopiti sa svojom zrcalnom slikom. Ta se pojava opaža uvijek kada se na četiri vrha tetraedra nalaze različiti supstituenti. Tada govorimo o asimetričnom C-atomu (ispravno rečeno, asimetrički supstituirani C-atom).

Postoje organski spojevi koji nemaju asimetričkih C-atoma, a ipak su kiralno izgrađeni, pa se oni i njihove zrcalne slike ne mogu međusobno preklopiti. U svim tim slučajevima dolazi do optičke izomerije. Dvije supstancije, koje se odnose jedna prema drugoj kao optički izomeri, poklapaju se u svim kemijskim i najvećem broju fizikalnih svojstava (talištu, vrelištu, topljivosti itd.). Razlikuju se samo u optičkom zakretanju, te se stoga nazivaju optički antipodi. Otopine tih tvari skreću ravninu polarizirane svjetlosti.

Danas se mogu nabaviti vrlo jeftini elementi od umjetnih metarijala, pomoću kojih se mogu izgraditi molekulski modeli. Tko se želi ozbiljno pozabaviti pitanjima stereokemije, mora nabaviti takve modele, ili ih mora sam izraditi od stiropor-kuglica i čačkalica, ili od čepova i igala.

Smjer skretanja označuje se sa + (skretanje udesno ) i — (skretanje ulijevo), a kut skretanja mjeri se kod duljine sloja otopine od 10 cm i masene koncentracije od 1 g aktivne supstancije u 1 mL otopine. To »specifično skretanje« uneseno je u tablice zajedno s valnom duljinom i temperaturom.

Važnije od fizikalnog svojstva, skretanja ravnine polariziranog svjetla, jest biokemijsko ponašanje kiralnih spojeva. Općenito se optički antipodi razlikuju u svojim kemijskim reakcijama samo kada reagiraju s kiralnim spojevima. Enzimi su kao proteini izgrađeni iz L-aminokiselina, pa su stoga kiralni. Prema tome, optički će antipodi reagirati s enzimima različitim brzinama. »Neprirodni« će oblik često reagirati neizmjerno polagano. To je lako razumjeti: tri funkcionalne grupe L-serina stvaraju prostorni raspored (sl. 1.5) u koji se D-serin ne uklapa.

Događa se da su u nekim spojevima dva supstituenta na centralnom C-atomu jednaka, a kiralnost nastaje tek kada se u reakciji jedan od tih supstituenata izmijeni. U takvim se slučajevima govori o prokiralnosti. Važan prokiralni spoj je limunska kiselina koja, iako simetrički građena, u metabolizmu djeluje kao asimetrički spoj (str. 178).

Projekcijske formule. Za prikazivanje trodimenzionalne molekule serina u ravnini najčešće se koristi Fischerova projekcija. Sl. 1.5. c pokazuje prema kojim se pravilima crta ta projekcija. Da bi projekcija bila jasnija, često su veze iznad ravnine prikazane izduženim klinovima, a veze ispod ravnine projekcije označene su crtkanim ili vrlo tankim linijama.

D-red i L-red. U projekciji je prikazana formula L-serina. Sve aminokiseline koje pripadaju L-redu prikazuju se projekcijskim formulama u kojima je skupina — NH2 u istom položaju (lijevo, ako je —COOH gore). Kod optičkih izomera D-reda amino-skupina je u projekciji smještena desno. Ta konvencija vrijedi analogno i za šećere kojih je najjednostavniji predstavnik gliceraldehid. Projekcijske formule prikazane sa strane predočavaju desnogirni D-gliceraldehid, ct(D)= + 14°, i lijevogirni L-gliceraldehid, (D) = — 14°.

Konfiguracija, tj. pripadnost D-redu ili L-redu, utvrđuje se tek mukotrpnim pregradnjama i uspoređivanjima. Ona nije ovisna o smjeru skretanja koji se eksperimentalno utvrđuje. D-gliceraldehid (prema dogovoru referentna supstancija) skreće udesno. Oksidacijom nastaje D( — jglicerinska kiselina koja skreće ulijevo. Redukcijom skupine —CH,OH do skupine —CH3 dobiva se D( — )mliječna kiselina koja skreće ulijevo, a njezin ester skreće udesno.

Kod organskokemijskih sinteza nastaju iz inaktivnih (simetričnih) tvari oba izomera — lijevi i desni oblik u jednakoj količini, pa dobivamo smjesu iz jednakih dijelova Di Loblika koju nazivamo »racematom«. Postoji nekoliko metoda za izolaciju čistih optičkih antipoda iz racemata.

Sustav R—S. Pripadnost D-redu ili L-redu ne može se uvijek jednoznačno utvrditi ni kod poznate formule. Za oznaku konfiguracije pojedinih asimetričnih atoma izrađen je poseban sustav nomenklature, koji izravno uzima u obzir tetraedarski model, prikazan na sl. 1.6.

Za četiri skupine na asimetričnom centru utvrdi se najprije slijed važnosti, koji je ovisan o rednom broju atoma u tim skupinama. Ako neposredno vezani atom još ne dovede do odluke, razmatraju se sljedeći. Kod serina (sl. 1.6) centralni je atom okružen sa H (redni broj 1), sa N (redni broj 7) i sa dva C-atoma (redni broj 6). Jedan od njih ima hidroksilnu skupinu (kisik, redni broj 8), drugi karboksilnu skupinu (dvostruko vezani kisik vrijedi zbog dvostrukog veza 2 × 8, a jednostavno vezani kisik 8). Prema tome, amino-skupina ima najviši stupanj, zatim slijede —COOH, skupina — CH2OH i na kraju vodik. Tetraedarski model orijentira se tada tako da je skupina s najnižim stupnjem (vodikom) smještena otraga, a ostale tri skupine stvaraju pravilnu zvijezdu. Na tako smještenom modelu utvrđuje se smjer od grupe najvišeg stupnja do grupe drugog i trećeg reda. Ako je smjer takva zakretanja lijevi, kao što je kod prikazanog modela serina, centralni atom dobiva oznaku 5(od latinskog sinister — lijevi); u protivnom imala bi konfiguracija oznaku R (od latinskog rectus = prav, izravan).

Ako molekula sadrži dva (ili općenito n) različita asimetrična C-atoma, moraju postojati četiri (općenito 2n) različita oblika, od kojih se po dva odnose kao slika i predmet u zrcalu i poklapaju se u talištu, topljivosti itd., te se u tome razlikuju od drugoga srodnog para. Kao primjer mogu se navesti treonin i alotreonin (formule, str. 24).

Sa R, 5-nomenklaturom može se i kod kompliciranih spojeva jednoznačno navesti sterički raspored na svakom pojedinom centru, a da nije potrebno utvrditi ostale referentne točke. Nedostatak ove nomenklature jest to što se niži ili viši stupanj supstituenata može mijenjati kemijskom reakcijom na atomima koji nisu dio asimetričnog centra. Tako se iz R dobiva S spoj, a da nije došlo do obrata na asimetričkom C-atomu. Za biokemijska razmatranja kod kojih je važna ista orijentacija između različitih spojeva, praktičniji je stariji način označavanja, tj. označavanje pripadnosti D-redu ili L-redu.

Kod kompliciranih molekula, osobito kod cikličkih spojeva, nije uvijek lako utvrditi je li neki spoj optički aktivan ili nije aktivan. Najpouzdanije je pravilo da određena molekulska struktura može postojati u obliku optičkih antipoda samo kada se ne može prekriti sa svojom zrcalnom slikom. To se može najlakše uočiti na modelu.

Ako u molekuli postoje dva jednaka centra (npr. kod vinske kiseline), jedan je od dva moguća oblika simetrično građen, tj. zrcalne slike mogu se prekriti. Takvi spojevi nisu optički aktivni, a zovu se mezo-oblici.

Geometrijska izomerija ili cis-trans izomerija moguća je kad u molekuli određeni C-atomi leže u ravnini. U četveročlanom prstenu, npr., leže svi C-atomi prstena u jednoj ravnini. Ako se u 1,3-položaju nalaze dvije COOH-grupe, one mogu biti smještene na istoj strani ravnine prstena (crs-spoj) ili na suprotnim stranama (trans-spoj).

Iz crteža se jasno vidi razlika između obaju modela (obiju molekula). Ti se oblici razlikuju u svojim svojstvima npr. u talištu.

Geometrijska izomerija javlja se i kod dvostruke veze. Kao što smo vidjeli (str. 1 i sl. 1.2) ugljikovi atomi povezani dvostrukom vezom leže u ravnini, a okomito na nju smješteni su ir-elektronski oblaci. Ravnina n-elektrona odgovara ravnini prstena u već navedenom primjeru. Ako se ova ravnina orijentira okomito na ravninu papira, tada se cis-trans izomerija na dvostrukoj vezi može lako prikazati. To se vidi na poznatom paru izomera maleinske i fumarne kiseline. Nasuprot tome, na formuli jantarne kiseline prikazana su dva jednako vrijedna načina pisanja iste tvari. To nisu izomeri, jer u toj tetraedarski građenoj molekuli postoji slobodna pokretljivost oko C—C-veze.

• jantorno kiselina
• samo dvije megućnosti pisanja,
• nema izomerije
• cis -1,3 − dihidroksi-ciklopentan

Z,E − nomenklatura. Često je teško uočiti na koje se skupine odnosi oznaka cis, ako su na dvostrukoj vezi različiti supstituenti. Primjenom »redoslijeda važnosti« koji smo upoznali kod R, 5-sustava za označavanje kiralnih spojeva (str. 15) dobiva se jednoznačna nomenklatura. Za svaki C-atom dvostruke veze (ili cikličkog spoja) odredi se skupina s najvišim redoslijedom važnosti. Ako su te skupine na istoj strani dvostruke veze ili prstena, označavaju se sa Z (zusammen, zajedno), a kada su na suprotnim stranama, dobivaju oznaku E (entgegen, suprotno). Te se oznake stavljaju u zagradu ispred imena spoja.

Geometrijska izomerija i optička izomerija često se javljaju zajedno. Tako 1,3-dihidroksi-ciklopentan postoji u cžs-obliku i trans-obliku; c/s-spoj je mezo-oblik, dakle simetrično građen (kao i m/o-inozitol), dok se trans-spoj ne može preklopiti svojom zrcalnom slikom, pa, prema tome, moraju postojati dva optička antipoda.

• fumarna kiselina
• trans -spoj

Konformacija ugljikovih prstenova. Dok su četveročlani i peteročlani prstenovi još (gotovo) planarni, šesteročlani prstenovi to više nisu. Kako bi se unutar prstena izbjegla napetost koja bi nastala izvijanjem normalnog kuta veze, pojedini atomi šesteročlanog prstena izlaze iz ravnine. Pri tome postoje dva preferirana oblika koja nazivamo oblik stolcai oblik kade (sl. 1.7). Oba oblika predstavljaju dvije konformacije iste molekule ili dva konformera, koji mogu prelaziti jedan u drugi. Kod toga prijelaza potrebno je svladati određenu energetsku barijeru. To se može opaziti ako se iz atomskih modela ugljikovih atoma izgradi šesteročlani prsten i ako se iz oblika stolca želi prijeći u oblik kade. Oblik stolca je energetski povoljniji.

Kao što prikazuje sl. 1.7, supstituenti su smješteni ekvatorijalno, tj. u smjeru od središta prstena, a približno u središnjoj ravnini prstena, ili aksijalno, tj. približno okomito na ravninu prstena, kao što su to H-atomi u položaju C-1 i C-2 u prikazanoj formuli. Tako se grupe u frans-položaju (na slici hidroksilne grupe u položaju C-l, C-2) mogu međusobno približiti isto tako kao grupe u cis-položaju (npr. na C-4 i C-5). Vidi i formule disaharida u XI. poglavlju. Prebacivanjem jednog oblika stolca u drugi, ekvatorijalne grupe postaju aksijalne, a aksijalne skupine postaju ekvatorijalne. Položaj grupa važan je za njihovu reaktivnost. Vidi i konformaciju steroida (str. 234) i šećera (str. 193).

Slika 1.7. Različlte konformacije 1,2,4,5-tetrahid-roksi-cikloheksana. Lijevo gore je konvencional-ni prikaz u obliku prstena u ravnini. Crtkana valen-cija označava da je OH-grupa smještena ispod ravnine prstena. Desno je prikazan oblik kade koji je energetski nepovoljan i može se stabilizirati samo dodatnim prstenovima. Donji red prikazuje dva različita oblika stolca. U lijevom obliku smješ-tene su HO-grupe, na C-1, C-2 i C-4 ekvatorijal-no, a u desnom obliku samo je HO-grupa na C-5 u ekvatorijalnom položaju. Energetski je povoljniji oblik prikazan nalijevo.

Izostavljeno iz prikaza

Biopolimeri. Dosad razmatrani ugljikovi spojevi, koji su važni u biokemiji, izgrađeni su od razmjerno malog broja atoma. U svim stanicama postoje visokomolekulski spojevi izgrađeni od mnogo tisuća ili čak milijuna atoma koje nazivamo biopolimerima. Organska kemija i kemijska tehnologija primjenjuju za izgradnju makromolekula, koje u današnje vrijeme kao umjetne tvari igraju vrlo značajnu ulogu, uglavnom dva tipa reakcija, i to polimerizaciju i polikondenzaciju. U biokemiji je manje važna polimerizacija nezasićenih spojeva. Jedini značajan produkt je kaučuk, prirodni polimer izgrađen od izoprenskih jedinica (str. 230). Važni biopolimeri nastaju polikondenzacijom. Oni sadrže veze koje se mogu cijepati hidrolizom.

Najvažniji biopolimeri mogu se podijeliti prema načinu kojim su povezane pojedine osnovne jedinice u makromolekuli. Visokomolekulski ugljikohidrati mogu se smatrati poliacetalima. U proteinima su osnovne jedinice vezane amidnim vezama, a nukleinske kiseline su u osnovi poliesteri, gdje fosfatna kiselina djeluje kao bifunkcionalna kiselina Tablica 1.4. daje pregled najvažnijih biopolimera.

Izostavljeno iz prikaza

Tablica 1.4. Najvažniji biopolimeri acetatna veza u ugljikohidrata

• Prirodni spoj Vrsta veze
• kaučuk C-C veza
• proteini amidna veza
• nukleinske kiseline esterska veza fosfatne kis.
• polisaharidi acetalna veza
• Prirodni spoj Vrsta osnovne jedinice
• kaučuk izopren
• proteini aminokiseline
• nukleinske kiseline nukleotidi
• polisaharidi šećeri aminošećeri uronske kiseline
• Prirodni spoj Broj jedinica u makromolekuli
• kaučuk 4 × 103 − 104
• proteini 102 — 103
• nukleinske kiseline 102 − 107
• polisaharidi 102 —105

Za izgradnju većih agregata važni su, osim estera fosfatne kiseline, i esteri karboksilnih kiselina. To je slučaj kod lipida tipa fosfatida. Oni sami nemaju veliku molekulsku masu, ali su sposobni da se međusobno povezuju u micele, odnosno lamele i tako izgrađuju veće jedinice. To, doduše, nisu definirane molekule, već agregati neodređene veličine koji su kao lipidni dvosloj glavni sastavni dio bioloških membrana (XV. poglavlje, str. 269).

Primarna struktura. Industrijski polimeri izgrađuju se najčešće polikondenzacijom jedne ili dviju komponenata, tako da u najboljem slučaju imamo dvije različite jedinice koje se u slijedu pravilno izmjenjuju. Slično su izgrađeni mnogi visokomolekulski ugljikohidrati. Biološki toliko važni proteini i nukleinske kiseline sadrže veći broj različitih osnovnih jedinica (kod nukleinskih kiselina su četiri jedinice, kod proteina dvadeset), koje su određenim rasporednom poredane u molekuli. Tako je molekula definirana redoslijedom (sekvencijom) osnovnih jedinica, što kod nukleinskih kiselina istovremeno predstavlja određenu biološku informaciju. Sekvenciju osnovnih jedinica nazivamo primarnom strukturom, kako bismo je razlikovali od viših struktura.

Sekundarna i tercijarna struktura. Svi se visokomolekulski prirodni spojevi izgrađuju linearnim povezivanjem pojedinih osnovnih jedinica. Zbog toga najprije nastaje duga tanka, nitasta molekula. Relativno malen protein, kao što je lizozim, izgrađen je od 127 aminokiselina. Potpuno izdužen, postigao bi duljinu od 46 nm, ali bi bio samo 0,5 nm debeo. Te se niti djelovanjem sekundarnih sila (nekovalentne veze, str. 40) nabiru u trodimenzionalne tvorevine visokog reda. Ta se pojava često zove nabiranje (folding). Važna tvorevina je i struktura uzvojnice koju nalazimo kod ugljikohidrata, proteina i nukleinskih kiselina, ali ona je uvijek specifična za svaku vrstu makromolekula. O pojedinostima sekundarne i tercijarne strukture tih makromolekula govorit ćemo na str. 38 i dalje.

Koloidi i makromolekule. Globularne proteinske makromolekule stvaraju otopine koje imaju neka svojstva koloidnih otopina. Ne dijaliziraju kroz membrane i mogu se odijeliti ultrafiltracijom. Razlog tome jest to što je promjer proteinske molekule od 5 do 50 nm (50 do 500 A) jednake veličine kao i promjer agregata neke koloidne otopine. Otopine biopolimera nisu koloidno disperzne, već molekulski disperzne, jer se u otopini nalaze pojedine molekule, a ne molekulski agregati. Molekule su stoga i monodisperzne, tj. sastoje se od čestica jednake veličine i oblika.

Sol i gel. Globularni proteini stvaraju općenito otopine normalne viskoznosti koje nazivamo i solovima. Gelovi (galerte, želatinozne otopine visoke viskoznosti) nastaju od fibrilarnih i nitastih makromolekula koje su rahlo isprepletene. U međuprostoru se nalazi voda. Poznati primjer je želatina, razgrađeni kolagen. Ugljikohidrati (pektini, mukopolisaharidi) mogu, također, postojati u stanju gela.

Naročito lagano se stvaraju gelovi s velikim, vo-dom ispunjenim šupljinama kada su makromolekule izgrađene kao dvostruke ili trostruke uz-vojne strukture. Kao što je prikazano na slici, dijelovi uzvojnica mogu se međusobno povezati i stvarati mrežastu strukturu unutar koje su »uhvaćene« mnoge molekule vode.

Sažetak

• Kemija ugljikovih spojeva (organska kemija) bitna je osnova biokemije.
• U organskim spojevima povezani su atomi međusobno kovalentnim vezama (zajednički posjeduju elektronske parove). Važne su i nekovalentne veze kao vodikove veze (vodikovi mostovi) i hidrofobne veze.
• Stanice sadrže oko 70 % vode. Molekule vode imaju dipolni karakter i međusobno se povezuju vodikovim vezama. Voda je najvažnije otapalo, a često je i reaktant u biokemijskim reakcijama.
• Formalno su ugljikovodici osnovne tvorevine svih organskih spojeva. Oni mogu biti ravnolančani, razgranati ili prstenasti. Strukturu i ime važnijih karbocikličkih i heterocikličkih osnovnih spojeva prikazuje tablica 1.1.
• Ugljikovodici mogu posjedovati funkcionalne grupe. Alkoholi sadrže − OH-grupe, amini – NH3, odnosno — NH-grupe. Važni derivati su esteri i amidi. Aldehidi i ketoni imaju karbonilnu grupu > C = O, a najvažnije su im reakcije redukcija, oksidacija i aldolna kondenzacija.
• Karboksilne kiseline (trovalentna funkcija) sadrže karboksilne grupe, a njihovi najvažniji derivati su kiselinski esteri i amidi. Karboksilne kiseline mogu disocijacijom otpustiti H+-ione i stvarati soli koje imaju posebno ime (tablica 1.3). Objašnjeni su zakoni disocijacije i pojmovi pH i pK,.
• Najvažnije biokemijske reakcije jesu dehidrogeniranje (oksidacija) i hidrogeniranje (redukcija), prijenos grupa, hidroliza komplicirano građenih spojeva te stvaranje i cijepanje C — C-veza.
• Za mnoga biokemijska razmatranja važan je prostorni oblik molekule. Mnoge su reakcije izrazito stereospecifične. Opsežno su obrađeni pojmovi kiralnost, stereoizomerija i konformacija prstenasto građenih spojeva.
• Biopolimeri, prije svega proteini i nukleinske kiseline, neobično su važni sastavni dijelovi stanice. Ukratko je opisana njihova kemijska građa i veličina molekula. Upozoreno je i na njihovu kemijsku reaktivnost i ponašanje u otopinama, kao odraz njihove makromolekulske prirode.