Хемија за 4. разред гимназије општи тип и природно-математички смер - 24183

Милан Николић • Иван Николић

ХЕМИЈА уџбеник за IV разред гимназије

Милан Николић • Иван Николић

ХЕМИЈА уџбеник за IV разред гимназије општи тип и природно-математички смер

Завод за уџбенике • Београд

Рецензенти др Лидија Израел Живковић, ванредна професорка, Институт за хемију у медицини, Медицински факултет Универзитета у Београду Данијела Малинар, професорка хемије у V београдској гимназији у Београду Владимир Тасић, професор хемије у VI београдској гимназији у Београду Уредник Иван Николић Одговорни уредник др Татјана Костић Главни уредник Стефан Пауновић За издавача Стефан Пауновић, в. д. директора

Министар просвете, науке и технолошког развоја Републике Србије решењем број 65002-00119/2024-03 од 08. 10. 2024. године одобрио је овај уџбеник за издавање и употребу.

CIP – Каталогизација у публикацији Народна библиотека Србије, Београд 37.016:54(075.3) НИКОЛИЋ, Милан Р., 1971Хемија : за IV разред гимназије општи тип и природно-математички смер / Милан Николић, Иван Николић. - 1. изд. - Београд : Завод за уџбенике, 2024 (Београд : Дунав). - 203 стр. : илустр. ; 27 cm Тираж 2.500. - Библиографија: стр. 203.

ISBN 978-86-17-21198-9 1. Николић, Иван Р., 1971- [autor] COBISS.SR-ID 156024585

© ЗАВОД ЗА УЏБЕНИКЕ, Београд, 2024. Ово дело не сме се умножавати, фотокопирати и на било који други начин репродуковати, ни у целини ни у деловима, без писменог одобрења издавача.

РЕЧ АУТОРА Поштовани и драги ученици и наставници, У вашим рукама је уџбеник – ХЕМИЈА 4 – двојице Николића: Милана, наставника на Хемијском факултету Универзитета у Београду (Катедра за биохемију), и Ивана, наставника средње стручне школе „Политехника – школа за нове технологије” у Београду. Овај рукопис обухвата теоријски – уџбенички део (поглавља 1–4) и практични – експериментални део (поглавље 5) који је непосредно повезан с теоријским делом. Програм је веома озбиљан, што је оправдано, будући да садржаји обрађени у овом уџбенику оспособљавају ученике да по успешно завршеном средњем општем образовању без тешкоћа наставе школовање на Универзитету, надограђујући своја теоријска и практична знања из „биолошке хемије” (биохемије и молекуларне биологије). Илустрације, табеле, схеме и формуле дате у тексту овог уџбеника не треба учити напамет и без разумевања. Оне су уклопљене у текст само с циљем да га боље објасне и приближе читаоцу. Изузетно је важно да сви ученици током савладавања теоријског дела схвате улогу појединачних биомолекула и макромолекула у живим системима у којима они настају и делују, као и њихов растући значај за живот и рад човека 21. века. Концепт и форма овог рукописа унеколико је другачија од „стандардног” материјала за рад на часу и учење у средњој школи. Она је ближа савременим основним универзитетским уџбеницима – садржи примере из „стручне праксе”, као и могућност за додатни рад са ученицима и самосталан рад ученика којима је „хемија живота” посебно „прирасла срцу”. Свесни смо да текст овог нашег уџбеника није без недостатака, тако да ћемо све утемељене и добронамерне примедбе и сугестије примити са захвалношћу. Стојимо на располагању наставницима за сваку врсту помоћи око извођења предложених огледа, као основе за усвајање нових појмова, као и посебно погодне методе за продубљивање постојећих и стицање нових знања. Пишите нам на: mnikolic@chem.bg.ac.rs (М. Николић) и nikolic.ivan@outlook.com (И. Николић).

Садржај 1. УВОД У ХЕМИЈУ ЖИВОТА . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1.1. БИОГЕНИ ЕЛЕМЕНТИ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 Основни елементи у телу човека . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 Макроелементи у телу човека. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 Одабрани микроелементи у телу човека . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 1.2. ХЕТЕРОЦИКЛИЧНИ БИОМОЛЕКУЛИ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 1.3. ВОДА . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 1.4. ТЕЛЕСНЕ ТЕЧНОСТИ И ПУФЕРСКИ СИСТЕМИ У ТЕЛУ ЧОВЕКА . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 Слабе киселине (и њихове базе/соли); пуфери . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 Телесне течности у телу човека . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 Пуферски системи у крви човека . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 1.5. ЋЕЛИЈА – СТРУКТУРНА И ФУНКЦИОНАЛНА ЈЕДИНИЦА ЖИВОТА . . . . . . . . . . . . . . . 29 1.6. ХИЈЕРАРХИЈСКА ОРГАНИЗАЦИЈА ЖИВИХ СИСТЕМА . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 У ФОКУСУ. – Лекови: синтетичка једињења природног порекла . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 Питања и задаци за утврђивање и проверу знања . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 Проблемски задаци за радознале и оне који желе да знају више . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

2. МАКРОМОЛЕКУЛИ ЖИВОТА . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 2.0. УВОДНА ЗНАЊА . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 Представљање структуре органских једињења . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 Хиралност и врсте стереоизомера . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 Означавање конфигурације енантиомера . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 Питања и задаци за утврђивање и проверу знања . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 2.1. УГЉЕНИ ХИДРАТИ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 Подела угљених хидрата . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 2.1.1. Моносахариди . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 Структурa моносахарида . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 Хемијска својства моносахарида . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 Најважнији природни моносахариди . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 2.1.2. Олигосахариди . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 2.1.3. Полисахариди . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 У ФОКУСУ. – Вештачки полимери у нашем свакодневном животу . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 Питања и задаци за утврђивање и проверу знања . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 Проблемски задаци за радознале и оне који желе да знају више . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

2.2. ЛИПИДИ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 2.2.1. Масне киселине . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 2.2.2. Прости липиди. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 Масти и уља. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 Воскови. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 2.2.3. Сложени липиди . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 Липиди у биолошким мембранама . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 2.2.4. Изведени липиди . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 Стероиди: дивљи и неодољиви . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 У ФОКУСУ. – Злоупотреба анаболичких андрогених хормона. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 Питања и задаци за утврђивање и проверу знања . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 Проблемски задаци за радознале и оне који желе да знају више . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 2.3. АМИНО-КИСЕЛИНЕ И ПРОТЕИНИ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 2.3.1. Амино-киселине . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 Подела стандардних α-амино-киселина . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 Кисело-базна својства α-амино-киселина. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 Значај амино-киселина за живе системе . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 Пептидна веза, пептиди и протеини . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 2.3.2. Протеини . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 Подела и улоге протеина у живим системима. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 Структура глобуларних протеина . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 Стaбилност глобуларних протеина . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 2.3.3. Ензими . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 Како ензим убрзава хемијску реакцију? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 Регулација активности ензима . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 У ФОКУСУ. – Протеини у исхрани савременог човека . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 Питања и задаци за утврђивање и проверу знања . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 Проблемски задаци за радознале и оне који желе да знају више . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 2.4. НУКЛЕИНСКЕ КИСЕЛИНЕ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 2.4.1. Нуклеотиди . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 Основи структуре нуклеинских киселина . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 2.4.2. Дезоксирибонуклеинска киселина . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 Хемијски састав и структура молекула ДНК . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 Репликација (самоумножавање) молекула ДНК. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 2.4.3. Рибонуклеинска киселина и синтеза протеина . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 Улоге и структура молекула рибонуклеинске киселине . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 Уметност синтезе протеина . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118 У ФОКУСУ. – Како делују иРНК вакцине против ковид вируса? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 Питања и задаци за утврђивање и проверу знања . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122 Проблемски задаци за радознале и оне који желе да знају више . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123

3. ОСНОВИ ЕНЕРГЕТСКОГ МЕТАБОЛИЗМА . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125 3.1. ОСНОВНИ КОНЦЕПТИ У ЕНЕРГЕТСКОМ МЕТАБОЛИЗМУ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 Молекули укључени у чување и коришћење метаболичке енергије . . . . . . . . . . . 129 Анаеробни и аеробни метаболизам . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130 3.2. МЕТАБОЛИЧКИ ПРОФИЛ ТИПИЧНЕ ЋЕЛИЈЕ ЧОВЕКА. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131 Oрганизам човека различито користи метаболичка горива . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131 Калоријска хомеостаза . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132 Извори енергије за физичку активност човека . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134 3.3. АНАЕРОБНИ ПУТЕВИ ЗА СТВАРАЊЕ ЕНЕРГИЈЕ ИЗ ГЛУКОЗЕ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136 Гликолиза . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136 3.4. АЕРОБНИ ПУТЕВИ ЗА СТВАРАЊЕ ЕНЕРГИЈЕ ИЗ ГЛУКОЗЕ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139 Кребсов циклус . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139 Оксидативна фосфорилација . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141 3.5. ОСНОВИ ЕНЕРГЕТСКОГ МЕТАБОЛИЗМА ДРУГИХ МЕТАБОЛИЧКИХ ГОРИВА . . . . . . 143 Масне киселине као извор метаболичке енергије . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143 Амино-киселине као извор метаболичке енергије . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144 У ФОКУСУ. – Физичка активност и здравље човека . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146 Питања и задаци за утврђивање и проверу знања . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147 Проблемски задаци за радознале и оне који желе да знају више . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147

4. СЕКУНДАРНИ МЕТАБОЛИТИ ЖИВИХ СИСТЕМА. . . . . . . . . . . . . . . . 149 4.1. АЛКАЛОИДИ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151 Појмовно одређење, структура и својства алкалоида . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151 Алкалоиди у свакодневном животу човека . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152 У ФОКУСУ. – Злоупотреба психоактивних супстанци код младих људи . . . . . . . . . . . . . . 155 Питања и задаци за утврђивање и проверу знања . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156 Проблемски задаци за радознале и оне који желе да знају више . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156 4.2. АНТИБИОТИЦИ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157 Откриће, појмовно одређење и значај антибиотика. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157 Подела антибиотика . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158 Општи механизам дејства одабраних антибиотика . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159 У ФОКУСУ. – Правилна употреба антибиотика . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161 Питања и задаци за утврђивање и проверу знања . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163 Проблемски задаци за радознале и оне који желе да знају више . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163 4.3. ВИТАМИНИ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164 Појмовно одређење, номенклатура и значај витамина . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164 Подела и карактеристике витамина . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166 У ФОКУСУ. – Здрава исхрана и витамини . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170

Питања и задаци за утврђивање и проверу знања . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172 Проблемски задаци за радознале и оне који желе да знају више . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173

5. ПРАКТИКУМ – ОГЛЕДИ СА БИОЛОШКИ ВАЖНИМ ЈЕДИЊЕЊИМА .. 175 5.1. ОГЛЕДИ СА УГЉЕНИМ ХИДРАТИМА . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177 5.1.1. Реакција глукозе с Толенсовим реагенсом. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178 5.1.2. Реакција глукозе с Фелинговим реагенсом . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178 5.1.3. Доказивање скроба у намирницама помоћу јода . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179 5.1.4. Хидролиза сахарозе и доказивање хидролизе Толенсовим реагенсом . . . . . . 180 5.1.5. Хидролиза скроба и доказивање хидролизе Фелинговим реагенсом. . . . . . . . . 181 5.2. ОГЛЕДИ С ЛИПИДИМА . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182 5.2.1. Растворљивост уља у води и органским растварачима . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182 5.2.2. Доказивање незасићених масних киселина у уљу . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182 5.2.3. Сапонификација масти . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183 5.3. ОГЛЕДИ С ПРОТЕИНИМА . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185 5.3.1. Доказивање протеина: нинхидринска реакција . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185 5.3.2. Доказивање протеина: биуретска реакција . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186 5.3.3. Доказивање протеина: ксантопротеинска реакција . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187 5.3.4. Доказивање протеина: цистеинска реакција . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187 5.3.5. Таложење протеина загревањем, алкохолом и солима тешких метала . . . . . 188 5.3.6. Утврђивање каталитичког деловања каталазе . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189 5.4. ОГЛЕД СА НУКЛЕИНСКИМ КИСЕЛИНАМА . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190 5.4.1. Изоловање дезоксирибонуклеинске киселине из воћа . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191 5.5. ОГЛЕДИ СА СЕКУНДАРНИМ МЕТАБОЛИТИМА БИЉАКА . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192 5.5.1. Изоловање кофеина из листова зеленог чаја . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192 5.5.2. Испитивање хемијских својстава аскорбинске киселине . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193 У ФОКУСУ. – Значај огледа у настави хемије . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194 Огледи за радознале и оне који желе да знају више . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195 1. Молишева проба за угљене хидрате . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195 2. Ниландерова проба за угљене хидрате . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195

Решења задатака . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196 ЛИТЕРАТУРА . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203

8 Увод у хемију живота

ХЕМИЈА 4 9

1

УВОД У ХЕМИЈУ ЖИВОТА Када проучите садржај ове целине, сазнаћете: • које су биохемијске карактеристике живота; • које су најважније улоге биогених елемената у телу човека; • каква је структура и које су најважније класе и улоге хетероцикличних једињења у живим системима; • зашто без молекула воде нема живота; • како пуферске супстанце одржавају pH-вредност телесних течности; • које структуре унутар ћелија раде да одрже живот; • у чему се огледа значај развоја лекова и фармацеутске индустрије као подршке животу.

10 Увод у хемију живота

УВОД

Савремена наука издваја седам основних обележја живо�а. Живи системи: 1. напра­ вљени су од ћелија; 2. приказују увек исти начин организације; 3. расту, развијају се и размножавају; 4. прилагођавају се променама у својој околини, мењајући се кроз време; 5. користе енергију; 6. реагују на стимулусе из своје околине; 7. одржавају хомеостазу.

› Одржање животних функција подсећа на одржавање равнотеже тела на клацкалици.

Сви живи системи размењују са својом околином не само материју и енергију, што је одлика свих отворених система, него и информације. Процењује се да организам здра­ вог одраслог човека садржи најмање тридесет и седам трилиона ћелија! Да би он ра­ дио као „швајцарски сат”, неопходно је да тело у сваком тренутку одржава рела�ивно с�алним све кључне параметре важне за све његове активности. Ово је основа концеп­ та хомеостазе, а неки од кључних хомеостатских параметра јесу и одржање о��ималне телесне температуре и pH­вредности водене средине, количине воде, јона и хранљивих састојака у свим ћелијама и телесним течностима. Нарушавање хомеостазе води у ра­ зличита патофизиолошка (болесна) стања и процесе.

У првом делу овог поглавља сазнаћете: какви атоми, јони и мали молекули изграђују живе системе, а у другом делу: како су ови биомолекули међусобно организовани, ин­ тегрисани и регулисани у ћелијама, ткивима и органима у телу човека.

ХЕМИЈА 4 11

1.1. БИОГЕНИ ЕЛЕМЕНТИ

У

свакој науци постоји потреба да се подаци сређују, организују и групишу. У хемији је било важно класификовати хемијске елементе који изграђују живи и неживи свет на нашој планети и у свемиру, бескрајном пространству које нас окружује. Овај изазов решио је у 19. веку руски хемичар Дмитриј Иванович Мендељејев (Дми́трий Ива́нович Менделе́ев). Периодни систем елемената (на корици књиге) тренутно садржи 118 други хемијских елемената: метала, неметала, металоида и племенитих гасова. Од 94 природна елемента на калцијум 1,5% Земљи, 80 је стабилно, док је свих 24 вештачки ство­ рених хемијских елемената радиоактивно. фосфор 1% Да ли људско тело у себи садржи све стабилне при­ родне елементе нађене на Земљи? Тачан одговор био би потврдан, међутим, многи од њих су толико мало заступљени да немају никакву биолошку сврху.

У живим системима откривено је присуство око 40 различитих биогених елемената (биоелемената), чија је улога у здрављу и болести позната. Једанаест најза­ ступљенијих биогених елемената (поређаних у низ према растућем атомском броју) јесу: водоник (H), угљеник (C), азот (N), кисеоник (О), натријум (Na), магнезијум (Mg), фосфор (P), сумпор (S), хлор (Cl), калијум (К) и калцијум (Ca). Међу овим макро­ елемен�има, прва четири (H, C, N и О) чине око 96% свих атома неког живог организма, пре свега изгра­ ђујући биомолекуле воде, угљених хидрата, липида и протеина.

калијум 0,4%

азот

водоник

сумпор 0,3% натријум 0,2%

угљеник

хлор 0,2% магнезијум 0,1% кисеоник

› Хемијски састав тела одраслог човека

Следећих осам најзаступљенијих биоелемената су: флуор (F), манган (Mn), гвожђе (Fe), кобалт (Co), бакар (Cu), цинк (Zn), молибден (Mo) и јод (I). Они се називају микроелемен�и и такође су есенцијални (за живот неопходни) елементи. Осам биогених елемената присутно је у још мањим количинама у живим системима. То су елемен�и у �ра�овима: литијум (Li), силицијум (Si), ванадијум (V), хром (Cr), селен (Se), бром (Br), калај (Sn) и волфрам (W). Биолошке улоге неких од њих нису у потпуности познате.

Елементи као што су: арсен (As), олово (Pb), кадмијум (Cd), берилијум (Be) и жива (Hg) јесу �оксични (о�ровни) елемен�и за организме копнених животиња. До сада није утврђено да имају корисну улогу у нашем телу. Све биогене елементе налазимо у морској води. Зато се сматра да је процес на­ станка и еволуције живота на Земљи започет у мору, коришћењем у води растворљивих катјона и анјона различитих хемијских елемената.

12 Увод у хемију живота

Сазнајте које су кључне улоге најважнијих биоелемената у телу човека и како да пра­ вилном исхраном подмирите све основне потребе за њима, у циљу очувања живота и здравља.

Основни елементи у телу човека (% телесне масе)

Кисеоник (65%) – састојак воде, гаса кисеоника (О2) и већине органских једињења. Угљеник (18,6%) – основа грађе свих органских једињења.

Водоник (9,5%) – у саставу воде и свих органских биомолекула.

Азот (3,2%) – највећи део у структури протеина и нуклеинских киселина.

Макроелементи у телу човека (% телесне масе)

› Намирнице посебно богате калцијумом. Калцијум је свуда око нас. Тело просечно грађеног човека садржи око 1 kg калцијума, од чега је 99% ускладиштено у костима.

› Намирнице богате фосфором

› Тенисери у паузама исцрпљујућих мечева користе банане зато што оне помажу да се регулише ниво електролита у крви и дају брз енергетски подстицај телу.

Калцијум (око 1,8%) – пре свега у костима и зубима; неопхо­ дан за функције биолошких мембрана, преношење нервних им­ пулса, контракцију мишића, рад срца, лучење хормона из жлезда, згрушавање крви, активност великог боја протеина/ензима и друго. Намирнице посебно богате калцијумом су млеко и млечни производи, семенке, махунарке и месо рибе. Потребна дневна ко­ личина калцијума зависи од старосне доби човека: од 200 mg (но­ ворођенчад и деца до шест месеци) до 1.300 mg (млади школског узраста).

Фосфор (око 1,0%) – највише у костима и зубима; састојак нуклеинских киселина, аденозин­трифосфата и фосфорилисаних протеина. Фосфолипиди изграђују све биолошке мембране. На­ мирнице богате фосфором су и: месо, јаја, млеко, риба, орашасти плодови, пасуљ и махунарке, гљиве, какао, кикирики. Дневне по­ требе за фосфором зависе од старости и пола: од 100 mg до 1.250 mg (одрасли људи око 700 mg).

Калијум (око 0,4%) – већи део у ћелијама; утиче на преноше­ ње нервног импулса и контракцију срчаног мишића, контролор је запремине течности унутар ћелија и регулатор кисело­базне рав­ нотеже. Банане, авокадо, батат (сладак кромпир), спанаћ, пасуљ и суве кајсије одличан су извор калијума у исхрани. Препоручени дневни унос калијума је од 400 mg (новорођенчад) до 5.100 mg (жене које доје).

Натријум (око 0,2%) – највећи део је изван ћелија; посебно је важан за функције мембрана, за равнотежу воде у телу, преноше­ ње нервних импулса и за контракцију срчаног мишића. Добри извори натријума су јабуке, купус, жуманце јајета, махунарке, ба­ нане, а лоши кухињска со (NaCl) и високопрерађена индустријска храна. Kод одраслих особа, дневне потребе за натријумом износе око 1,5 g, што је око 4 g кухињске соли. Код физички веома актив­ них особа потребе за натријумом могу да буду и двоструко веће.

Хлор (око 0,2%) – важан за рад биолошких мембрана, равноте­ жу воде и електролита у телу, преношење нервних импулса и за

ХЕМИЈА 4 13

рад мишића; један је од важнијих састојака желудачне киселине (у саставу хлороводоничне киселине). Хлор пре свега уносимо преко кухињске соли; налази се и у бројном поврћу, највише у парадајзу, целеру, ражи и маслинама, као и у алгама. Здрава одрасла особа требало би да унесе око 3 g хлора дневно. Потреба тела за хлором расте с појачаним знојењем.

Магнезијум (око 0,06%) – кофактор ензима, омогућује актив­ ност аденозин­трифосфата; учествује у више од 300 различитих › Намирнице посебно богате хемијских процеса. Будући да је неопходан за функцију мишића и натријумом нервног система и да утиче на смањење стреса и умора, важно је да свом организму обезбедимо довољно магнезијума. Посебно богат извор јесу ора­ шасти плодови, зелено лиснато поврће, као и природне олигоминералне воде. Препору­ чени дневни унос магнезијума је 30–420 mg; највише је потребан старијим особама (од 51 и више година).

› Структура хлорофила а. Фотосинтетски пигмент хлорофил, који даје зелену боју листовима биљака (грчки: chloros = зелен и phyllon = лист), у центру порфиринског прстена садржи атом магнезијума (Mg).

Сумпор (око 0,04%) – део структуре сваког протеина, у саста­ ву амино­киселина цис�еина и ме�ионина. Намирнице богате протеинима су црвено и бело месо, риба, млеко или поврће. Сум­ пор улази у састав таурина, једињења које је важан састојак жучи. Потребе организма за сумпором крећу су од 600 mg до 800 mg на дан и задовољавају се разноврсном исхраном. Риба, јаја и црвена меса су најбогатије цистеином и метионином. Сумпором су бога­ ти и црни и бели лук, празилук, црна ротква, купус и шпаргле.

› Намирнице посебно богате магнезијумом

› Структура таурина. Уз кофеин, главни активни састојак популарног енергетског пића Red Bull јесте таурин (латински: taurus = бик).

Гвожђе (око 0,007%) – у саставу је многобројних хемопроте­ ина, као што су хемоглобин и миоглобин, или цитохроми, који учествују у процесима ћелијског дисања и биотрансформације ксенобиотика (стране супстанце у телу). Гвожђе је неопходно за бројне виталне функ­ ције организма, као што су раст, размножавање и имунитет. Из намирница животињског порекла организам човека усваја и користи 15–35% гвожђа, а из биљног 2–20% гвожђа. Витамин C повећава апсорпцију (усвајање) гвожђа, док танини, полифеноли, фитати (из намирница биљног порекла) и калцијум ту апсорпцију смањују. Након преласка из црева у крв, гвожђе се везује за транспортни протеин трансферин. Вишкове гвожђа организам одлаже у депо протеин феритин. Недостатак гвожђа доводи до анемије, чији су најчешћи симптоми општа слабост и умор. Појединачне потребе за гвожђем веома варирају и за­ висе од узраста, пола и резерви овог елемента у телу. Дневне потребе за гвожђем јесу 8–10 mg код одраслих људи, код деце у развоју и жена у репродуктивном периоду 10–15 mg. Труднице имају повећану потребу за гвожђем.

14 Увод у хемију живота

› Структура хема б. Хем садржи атом гвожђа у центру великог хетероцикличног прстена порфирина. У хемопротеинима хем је чврсто нековалентно везан за протеински део молекула. Даје црвену боју крви, као компонента хемоглобина у цитосолу еритроцита.

› Намирнице богате гвожђем

Јод (око 0,0002%) – неопходан за синтезу тироидних хормона у штитној жлезди, који контролишу метаболичке процесе и температуру тела. Без довољно јода нема правил­ ног физичког и менталног развоја човека. Кухињска јодирана со најдоступнији је извор јода у исхрани. Према подацима Светске здравствене организације, до 70% светске попу­ лације пати од дефицита јода; препорука је унос најмање 150 μg на дан. Намирнице које обезбеђују довољну количину јода јесу морски плодови (алге, шкољке, сардине, лосос), орашасти плодови (посебно ораси) и соја.

› Структура L-тироксина. Уколико штитна жлезда не ствара довољно тироксина (хормон Т4; садржи четири атома јода у молекулу), развијају се следећи симптоми: умор, осетљивост на ниске температуре, нижи број откуцаја срца, повећање телесне масе, слабија меморија, укоченост мишића и смањена плодност.

› Намирнице богате јодом

Одабрани микроелементи у телу човека (мањи укупни садржај у телу одраслог човека) Цинк (око 2 g) – учествује у бројним процесима у нашем телу: у синтези протеина и ДНК, имунском одго­ вору (због чега се додаје препаратима који се користе код прехлада и грипа), расту и развоју ћелија, зараст­ ању рана и као кофактор више од 300 ензима. Један од њих је цитосолна супероксид­дисмутаза (CuZnSOD), моћан антиоксидативни ензим. Многе животињске и биљне намирнице природно су богате цинком, посебно шкољке, месо, махунарке, орашасти плодови и семен­ ке, млечни производи, јаја и цела зрна житарица. Пре­ поручена дневна количина цинка је 8 mg за жене и 11 mg за мушкарце.

› Намирнице богате цинком, „минералом плодности”

ХЕМИЈА 4 15

Бакар (1,4–2,1 mg/kg масе) – микроелемент без кога нема стварања црвених крвних зрнаца (ери­ троцита), као ни одржања неурона и имунског си­ стема. Бакар помаже телу да ствара колаген и ап­ сорбује гвожђе, а учествује и у енергетском метабо­ лизму. Недостатак бакра може да изазове анемију, због недостатка гвожђа, или да угрози синтезу аде­ нозин­трифосфата, што доводи до слабости и умо­ ра. Храна богата бакром укључује изнутрице (по­ себно јетру), остриге, месо јастога, шитаки печур­ ке, орахе и семенке, али и црну чоколаду. Препору­ чена дневна доза бакра је око 900 μg за адолесцен­ те и одрасле људе.

Манган (10–20 mg) – неопходан je за форми­ рање, развој и здравље костију; заједно са Ca, Zn и Cu одржава густину костију, што је нарочито важно за старије особе. Део је антиоксидативног ензима супероксид­дисмутазе (MnSOD) у митохондријама ћелија. Помаже функцију имунског система, мета­ болизам угљених хидрата и липида и процес коа­ гулације (згрушавања) крви. Недостатак мангана доводи до успореног раста и развоја код деце. На­ мирнице богате манганом јесу орашасто воће, ма­ хунарке, житарице од целог зрна, рибизле, ананас и зелени чај. Адекватни дневни унос мангана је 1,8–2,3 mg.

Селен (13–30 mg) – подржава многе процесе у нашем телу, као што су когниција (спознаја), рад имунског система, заштита од оксидативних оште­ ћења, метаболизам тироидних хормона, плодност (фертилност), синтеза и поправка (репарација) де­ зоксирибонуклеинске киселине. Намирнице посеб­ но богате селеном су (бразилски) ораси, плодови мора, пре свега туњевина, црвена меса, смеђи пи­ ринач и жуманце јајета. Оптимални дневни унос се­ лена за већину одраслих је 55 μg.

› Намирнице богате бакром

› Намирнице богате манганом

› Намирнице богате селеном, „минералом виталности”

Уместо закључка. – Сви хемијски елементи првобитно присутни на Земљи и другим небеским телима настали су из језгара водоника и хелијума у унутрашњости звезда које су одавно експлодирале и нестале. Без тридесетак хемијских елемената нема живота какав познајемо, било да ове биогене елементе уносимо појединачно (минерали), или као делове структуре разноврсних биомолекула. Етикете на прехрамбеним производи­ ма које показују њихов састав, величину порције и енергетску вредност (енгл. Nutrition facts label) наводе четрнаест минерала: натријум, калијум, калцијум, хлор (као хлорид), хром, бакар, јод, гвожђе, магнезијум, манган, молибден, фосфор, селен и цинк. Исхрана богата витаминима и минералима подстиче раст, развој и нормално функционисање тела. Различите болести настају када у организму постоји мањак или вишак различитих биоелемената.

16 Увод у хемију живота

1.2. ХЕТЕРОЦИКЛИЧНИ БИОМОЛЕКУЛИ

Р

еч хетеро на грчком језику значи �ру�ачији. Хетероатом је сваки атом у струк­ тури органског једињења који није угљеник (и водоник). Типични хетероатоми су неметали азот (N), кисеоник (O), сумпор (S), фосфор (P), хлор (Cl), бром (Br) и јод (I), као и метали литијум (Li) и магнезијум (Mg). Хетероциклични молекули су циклична органска једињења која у прстену, уз атоме угљеника, садрже један хе­ тероатом или више хетероатома. Присуство хетероатома некада даје хетероцикличним једињењима физичка и хемијска својства различи�а од њихових аналога, који у прстену имају само атоме угљеника.

Хемичари раде са хетероцикличним једињењима више од два века. Уобичајени (три­ вијални) називи тих једињења, који потичу из времена када није била позната њихова структура, и данас се користе. У природи најчешћи хетероцикли имају петочлани или шесточлани прстен, са хетороатомима азота, кисеоника и/или сумпора. Атоми у пр­ стену обележавају се тако да хетероатом носи најмањи број. Из систематских назива (IUPAC номенклатура) закључујемо о структури хетероцикла. У номенклатури се за хе­ тероатоме користе следећи префикси: кисеоник = окса; азот = аза; сумпор = �иа. За пе­ точлани засићени прстен са атомом азота користи се суфикс ­ол, за незасићен ­оли�ин. Назив засићеног шесточланог прстена са азотом у структури завршава се на ­ин.

Слика 1.1. – Хемијске структуре одабраних хетероцикличних једињења с једним прстеном у структури молекула; слева надесно, редом: пиридин (азобензен), пирол, фуран (оксол) и тиофен

Најзаступљенија једноставна (један прстен) хетероцикличнa једињења у природи су: пирол, фуран, тиофен и пиридин (слика 1.1).

Обележавање атома бројевима и систематско именовање хетероцикличних прстено­ ва сложеније је за кондензоване (спојене) системе код којих је део једног прстена уједно и део другог. За њих се користе уобичајена имена, на пример: хинолин, кумарин (даје мирис многим биљкама) и акридин (изолован из катрана) (слика 1.2).

Слика 1.2. – Хемијска структура одабраних хетероцикличних једињења с више прстенова; слева надесно, редом: хинолин, кумарин и акридин

ХЕМИЈА 4 17

Према хемијској структури и својствима, хетероциклична једињења класификујемо на алифатична и ароматична. Најзаступљенији алифатични хетероцикли су циклични аналози амина, етара, тиоетара и амида. Ароматични хетероцикли имају хетероатом у прстену и понашају се слично бензену. И за ова једињења важи Хикелово (Hückel) прави­ ло – да су ароматична, циклична, конјугована и планарни системи који садрже 4n + 2π­електрона (n је цео број који почиње од 0). Примери ароматичних хетероцикла су: пирол, тиофен, фуран, тиазол, имидазол, пиридин, пиримидин, индол, хинолин и пурин. Ароматичност хетероцикличних једињења рас�е са опадањем електронегативности хе­ тороатома. Примери неароматичних хетероцикла су: пиран, пиролидин, пиперидин, тетрахидрофуран и тетрахидропиран (слика 1.3).

Слика 1.3. – Хемијске структуре одабраних (не)ароматичних хетероцикличних молекула; слева надесно, редом: тиазол, 2H-пиран, пиролидин и пиперидин

Структура многих биомолекула садржи супституисани хетеро­ циклични прстен са атомом азота. Шесточлани пиридин део је структуре два витамина B­групе: никотинамида и пиридоксала (одељак 4.3). Никотинамид улази у састав два коензима кључна за енергетски метаболизам ћелије и ре�окс (оксидационо­редук­ ционе) реакције катализоване ензимима (поглавље 2): никотина­ мид­аденин­динуклеотид (NAD+/NADH) и никотинамид­аденин­ динуклеотид­фосфат (NADP+/NADPH) (слика 1.4).

Од двадесет стандардних (одељак 2.3.1), три протеинске аминокиселине су хетероцикличне: хисти­ дин, пролин и триптофан. Хистидин у бочном остатку садржи имидазол, хетероциклични систем са два атома азота. Имидазолно језгро налазимо у структу­ ри многих биоактивних молекула, као код хистамина (слика 1.5), кључног посредника у алергијском одго­ вору организма. Пролин је пиролидинске структуре, циклични амид са атомом азота у петочланом прсте­ ну. Структурни протеин колаген има неуобичајено висок садржај пролина (готово трећину свих амино­ ­киселина).

Триптофан је најмање заступљена амино­кисели­ на у структури протеина и метаболичка претеча „хормона среће” – серотонина (слика 1.6), који садр­ жи индолов прстен бицикличне структуре; шесто­ члани прстен бензена спојен је с петочланим пироло­ вим прстеном.

Слика 1.4. – Хемијска структура редокс коензима NADPH, неопходног за редуктивне биосинтезе (донор електрона) у свим живим системима

Слика 1.5. – Хемијска структура имидазоловог прстена (лево) и хистамина

Слика 1.6. – Хемијска структура индоловог прстена (лево) и серотонина (5-хидрокси-триптамин)

18 Увод у хемију живота

Све нуклеинске киселине у структури својих нуклеотида имају хетероцикличне азотне базе пуринске и пиримидинске структуре (одељак 2.4.1). Пурин садржи два спојена прстена: шесточлани пиримидински прстен, са два атома азота, и имидазолов прстен. Осим пуринских база аденина и гуанина, биомолекули с пуринским хетероцик­ личним прстеном јесу и алкалоиди кофеин (слика 4.3) и теобромин, као и мокраћна киселина (слика 1.7), производ разградње пурина у телу човека. Слика 1.7. – Хемијска структура пуринског прстена (лево) и мокраћне киселине (кето облик)

Уз нуклеотидне азотне базе урацил, цитозин и тимин, хетероциклични прстен пири­ мидина налазимо и у структури два витамина B­групе: тиамин (B1; слика 1.8) и рибо­ флавин (B2). Други (тиазолински) хетероциклични прстен у молекулу тиамина, уз три атома угљеника, има по један атом азота и сумпора.

Слика 1.8. – Хемијска структура пиримидинског прстена (лево) и тиамина

Аналози (структурно слична једињења) нуклеозида често се користе као анти­ви­ русни лекови. Ацикловир (слика 1.9), први такав лек, ефикасан против херпеса, и зидову­ дин, прво антиретровирално средство у третману HIV (AIDS) инфекције, настали су мо­ дификацијом структуре нуклеозида с тимином као хетероцикличном азотном базом.1

Слика 1.9. – Хемијска структура антивирусног лека ацикловира

Многи антибиотици садрже хетероцикличну групу у структури молекула. Кључна структурна карактеристика пеницилина и цефалоспорина је четворочлани β-лактамски прстен. Овај део молекула с хетероатомом азота неопходан је за антибактеријску актив­ ност ове класе природних или полусинтетичких лекова (одељак 4.2). Лактамски прстен је спојен с петочланим тиазолидинским прстеном (садржи атом сумпора) у структури пеницилина, односно шесточланим дихидротиазинским прстеном (такође са атомом сумпора) у молекулу цефалоспорина.

1

Гликозидна веза је тип ковалентне везе која повезује молекул шећера (одељак 2.1) са другом функционалном групом или молекулом. Нуклеозиди настају повезивањем хетероцикличних азотних база са шећерима пентозама (одељак 2.4), N­гликозидним везама. AIDS je акроним од (енгл.) Acquired Immune Deficiency Syndrome, што значи синдром стеченог губитка инунитета; то је последњи и најтежи стадијум HIV инфекције. HIV је акроним за вирус хумане имунодифицијенције (енгл. Human Immunodeficiency Virus), који је узрочник HIV инфекције, односно AIDS­а (сиде).

ХЕМИЈА 4 19

Готово сви алкалоиди у природи су хетероциклична азотна једињења (одељак 4.1). Најзначајнији алкалоиди које уносимо храном јесу пурини, као кофеин из зрна кафе и листова чаја (слика 4.3) и теобромин из какаовца (слика 1.10), и пиперидини, као пипе­ рин из плода бибера (слика 1.10).

Слика 1.10. – Хемијска структура теобромина (лево) и пиперина

У молекулима тетрапирола четири пиролна прстена по­ везана су на линеаран или циклични начин. Ова једињења су важна за биолошке системе због способности да образују металне комплексе, као у хем­протеинима (гвожђе), хлоро­ филу (магнезијум), или витамину B12 (кобалт). Разлагањем хема настаје билирубин (слика 1.11), пигмент који се наго­ милава у крви код оштећења јетре, запушења жучних путева или повећаног разлагања еритроцита. Хетероциклична једињења су свеприсутна и као физиолошки активне супстанце. На пример, барбитурна кисе­ лина је дериват пиримидина из којег су синтетисани бар­ битурати, некада много коришћени лекови за лечење узнемирености, анксиозности и несанице. Данас су у вели­ кој мери замењени бензодиазепинима, због ризика по здравље од превелике дозе и злоупотреба. Бензодиазепи­ ни (као диазепам и ксанакс) у центру молекула садрже сед­ мочлани прстен са два атома азота (слика 1.12).2

Слика 1.11. – Хемијска структура билирубина (жути пигмент жучи)

Слика 1.12. – Хемијска структура барбитурне киселине (лево) и лека диазепана (бенседин, апаурин, валијум)

Уместо закључка. – Хетероциклична једињења, с једним хетероатомом или више хе­ тероатома у молекулу (азот, сумпор и кисеоник), највећа су и најразноврснија породица органских једињења с хемијским, биомедицинским и индустријским значајем. Нашла су примену и као лекови, средства за дезинфекцију, антиоксиданси, инхибитори корозије, кополимери (производи сачињени од два или више различитих мономера) и боје. Са­ ставни су део бројних природних производа, као што су витамини, хормони, антибиоти­ ци, алкалоиди и хербициди.

2

Застрашујућ је податак да у данашње време више људи умре од �рекомерне �озе лекова него од ватреног оружја. Бензодиазепин диазепан у нашој средини људи често користе самоиницијативно, за лечење депресије и поремећаја сна, без лекарског надзора и временског ограничења употребе.

20 Увод у хемију живота

1.3. ВОДА Зашто је вода извор живота?

В › Kада би сви водили више рачуна о животној средини и воденим површинама, степен загађења био би много нижи. Зато смањимо употребу пластике, бирајмо амбалажу која се лакше рециклира, не просипајмо уља и средства за чишћење у судоперу, не бацајмо лекове у канализацију и смеће у непосредну околину водених површина, зауставимо отицање свих штетних хемикалија у воде и садимо биљке у близини река и језера.

› Пијење воде и здравље. Недовољна хидрираност смањује ниво енергије, менталне функције опадају, повећава се учесталост главобоља, уз смањење издржљивости и физичких перформанси организма.

3

ода је свеприсутна супстанца у свемиру, пронађена у међузвезданим облацима, ко­ метама, планетама и њиховим природним сателитима. У течном агрегатном стању вода је извор живота какав познајемо. У воде­ ној средини се налазе све наше ћелије. Вода је универзални растварач – која раствара и прено­ си хранљива и непотребна једињења кроз тело и из њега. Вода служи и за пренос кисеоника и других гасова, регулише (смањује) топлоту тела, учествује у хемијским реакцијама (метаболичка вода). Једино у води протеини могу да се увију у нативну конформацију, која једина омогућава да изврше све своје улоге у живим системима (одељак 2.3). Без хране можемо данима, некада и недељама, без воде не више од 3–4 дана. За­ гађење извора �и�ке воде (река, језера, мора и океана), изазвано људским активностима, један је од највећих проблема савременог света.

Наш организам тражи свакодневни унос воде, која чини 55–60% телесне масе, код деце до 75%. Пошто липиди везују мање воде, жене и гојазни људи имају мање воде у телу од мушкараца и ви­ тких особа. Минимални препоручени дневни унос воде износи 1,5–2 L (6–8 чаша течности).3 Сваки мањак воде у телу (стање дехидратације) требало би што пре надокнадити. Најбољи извор изгубљене воде је вода сама, као и свеже воће, воћни сокови и млеко. Не гасите жеђ газираним и енергетским пићима! Алкохолна пића смањују количину воде у телу, јер подстичу прекомерно мокрење (појачану диурезу). Јутарњи урин је тамне боје, што је знак да смо благо дехидрирали након ноћног одмора. Започнимо, зато, дан ча­ шом воде, или незаслађеним чајем, не кафом и цигаретом.

Унос воде знатно је већи код физички активне популације. Утренирани спортиста знојењем изгуби до 1,5 l воде током једносатне активности; организам се тако ослобађа вишка топлоте.

ХЕМИЈА 4 21

Око 60% воде (течности) у организму човека је унутар ћелија. Остатак је у течном делу плазме очи 95% мозак 73% (крв након што се одстране ћелије) или у ткиву које се налази између ћелија (међућелијска, ткив­ срце 75% на, или интерстицијумска вода). Мањи део воде крв 94% изван ћелија је такозвана трансћелијска течност: дигестивни сокови, урин, зној и течност која изла­ бубрег 79% плућа 83% зи кроз зидове капилара крвних судова. Вода се унутар тела расподељује према садржају раство­ кости 31% рених састојака. Осмолалност течности је сра­ мишићи 75% змерна укупној концентрацији свих растворених молекула и јона. Вода се креће из делова с нижом концентрацијом растворених супстанци ка дело­ › Различити делови нашег тела садрже различити удео вима с вишом концентрацијом, како би осмолал­ воде. ност са обе стране мембране била једнака. Полу­ пропустљиве ћелијске мембране, које раздвајају унутарћелијске и ванћелијске одељке, имају канале кроз које вода, не и други молекули, може слободно да пролази. Вода се креће и кроз капиларе који раздвајају крвну плазму и међућелијску течност. Специјализо­ вани канали за воду у мембранама ћелија су протеини аквапорини. Њихов садржај се смањује са старењем, што је, уз смањену синтезу колагена, основни разлог суве и избора­ не коже код старијих особа. Недостатак воде у једном делу тела надокнађује се из другог, да би се одржала стална осмолалност. Системи који регулишу с�алнос� запремине и расподеле воде у телу јесу бубрези (излучивање воде и соли урином), дигестивни систем (фецесом се дневно излу­ чи 100–150 ml воде), респираторни систем (дисањем губимо око 350 ml воде за 24 сата) и кожа (јачина перспирације или знојења, уз ниво физичке активности, зависи од темпе­ ратуре и влажности ваздуха средине у којој се налазимо). Вода која из крви прелази у урин надокнађује се ткивном водом, што одржава сталну запремину крви. Када је осмо­ лалност крви и међућелијске течности сувише велика, вода напушта ћелије. То се догађа код особа са стално повишеним садржајем глукозе у крви (хипергликемија). Зато је жеђ један од раних симптома дијабетеса (шећерне болести). Подсетимо се структуре воде и упознајмо четири јединствена својства молекула воде, због којих је она извор живота. Знамо да живот може да постоји без светлости, на ниским температурама, у средини с високим притиском и са мање кисеоника, што су услови какви владају у дубинама океана, али не и у средини без течне воде.

1. Вода је поларни молекул

Молекул воде (Н2О) настаје сједињавањем два атома водо­ ника и једног атома кисеоника. Просторна структура молекула је тетраедарска: aтом кисеоника налази се у центру тетраедра, у два рогља су слободни електронски парови кисеоника, а у дру­ га два рогља атоми водоника, који с кисеоником граде заједнич­ ки електронски пар (слика 1.13). У обе ковалентне везе елек�роне�а�ивни атом кисеоника �ривлачи себи заједничке електро­ не. Зато је атом кисеоника делимично негативно (δ–) наелектри­ сан, док су атоми водоника (δ+) делимично позитивно на­ електрисани: молекул воде је дипол (слика 1.14).

тетраедар

слободни електронски парови Слика 1.13. – Просторни распоред атома у молекулу воде

22 Увод у хемију живота

2. Вода образује јаке међумолекулске силе: водоничне везе

а

водоничне везе

б Слика 1.14. – Молекул воде. Приказ расподеле наелектрисања у диполном молекулу воде (а); водоничне везе (испрекидане линије) између молекула воде (б)

› Због присуства растворених соли, морска вода почиње да се замрзава на температури од –2,3 °C до –1,8 °C. Лед помаже у заштити већине водених биљака и животиња током зимских месеци. Када се лед полако топи у пролеће, он апсорбује топлоту из околине. Пошто је за промену агрегатног стања воде потребно много енергије, овај постепени процес помаже у спречавању наглог повећања температуре, које може бити штетно по живот у води.

Резултат делимичног раздвајања наелектрисања у мо­ лекулу воде је стварање �и�ол-�и�ол привлачних сила: по­ зитиван крај једног молекула воде привлачи негативан крај другог. Због високе електронегативности атома кисе­ оника, као и због тога што атом водоника има само један електрон, у молекулу воде се ствара знатно већа разлика наелектрисања од очекиване. Услед великог диполног мо­ мента, између молекула воде настају привлачне силе јаче од дипол­дипол интеракција – водоничне везе.

Водонична веза настаје између атома водоника је�но� молекула воде и атома кисеоника другог молекула воде (слика 1.14), образујући течне тродимензионалне решетке. Као посебан тип дипол­диполног привлачења између молекула, водоничне везе у природи настају и између атома водоника ковалентно везаног за веома електронегативни атом азота и другог веома електро­ негативног атома. Водоничне везе у протеинима и нукле­ инским киселинама, макромолекулима који садрже атоме кисеоника и азота, нужне су за правилну просторну струк­ туру и активност ових биомолекула (поглавље 2). Водони­ чне везе унутар истог молекула називају се унутармолекулске, а између појединачних молекула међумолекулске водиничне везе.

Водоничне везе су довољно јаке да растворе поларне молекуле у води и довољно слабе да дозвољавају кре�ање воде и растворених супстанци. Јачина водоничне везе између два молекула воде је око 20 пута мања од јачине ковалентне О–H везе у молекулу воде. Зато је решеткаста структура воде динамична, с водоничним везама које се стално раскидају и наново стварају између молекула моде, али и молекула воде и поларних растворених суп­ станци, што супстанцама омогућава да се крећу кроз воду, а води да пролази кроз протеинске канале у ћелијским мембранама.

За живот важна последица стварања водоничних веза јесте и то што се у леду („смрзнутој води”) појединачни молекули воде држе заједно у облику који је мање густ од оног у течности. Водоничне везе „закључавају” молекуле воде у кристалну решетку која садржи „рупице”, што смањује густину леда. Лед, у облику коцке или леденог брега, плута на води у течном стању; обично је обрнуто – кад се чврст материјал нађе у течности, он тоне. Слој леда који настаје на површини хладних водених тела изолује течност од хладног ваздуха, штитећи организме који живе у води испод леда од неповољних атмосферских прилика.

ХЕМИЈА 4 23

3. Универзални растварач – најважнија биохемијска улога воде Вода се назива универзалним растварачем јер раствара различите врсте супстанци. Јонска једињења се растварају у води, пошто негативни крајеви молекула воде привлаче позитивно наелектрисане катјоне у јонским једињењима, а позитивни крајеви негативне анјоне. Поларни молекули, као алкохоли и шећери, растварају се у води, с обзиром да диполна природа молекула воде омогућава настајање водо­ ничних веза. Због интеракција с молекулима воде поларни молекули су хидрофилне супстанце, које „воле” воду. Не­ поларни молекули, као масти и уља, не растварају се у води. То су хидрофобне супстанце, оне које „мрзе” воду. Амфипа­ тичке или амфифилне супстанце (од грч. amphis = оба и philia = љубав, пријатељство) у молекулу имају и поларне и неполарне делове. Такви су молекули фосфолипида, који у води с�он�ано образују мицеле и ћелијске мембране.

› Својство воде као универзалног растварача. Вода може да раствори већину супстанци које садрже наелектрисане честице (јоне) или електронегативне атоме (поларност), образујући хидратационе љуске.

4. Висока специфична топлота воде

Специфична топлота је количина енергије потребна за повећање температуре једне јединице масе тела супстанце за једну јединицу температуре. Температура је физичка ве­ личина којом се описује степен загрејаности неког тела. Вода има високу специфичну топлоту, што значи да она треба да прими пуно енергије по јединици масе да би по­ већала своју температуру. Ако у лето ставимо лавор с водом на светлост сунца, вода ће се довољно загрејати да можемо да је искористимо за туширање, али не и да у њој скувамо јаје. Вода има и високу топлоту испаравања (температура кључања 100 °C), тј. потребно је много енергије да се нека маса воде претвори из течности у пару. Због високе специфичне топлоте воде и топлоте испа­ равања, мора и океани могу да приме и да ослободе велику количину топлоте без великих промена температуре. При умереним температурама на Земљи, давање и узимање то­ плоте од стране молекула воде у живим системима омо­ гућује да они лакше контролишу телесну температуру. Топлокрвне животиње (хомеотерми) одржавају релативно сталну температуру тела, а хладнокрвне (поикилотермне) животиње у току дана апсорбују довољно топлоте да издр­ же хладне ноћи.

› Топлотни капацитет воде помаже и у регулацији климе на Земљи. Велике водене површине (океани и мора) спречавају екстремна колебања температуре на читавој планети.

У води растворене неорганске анјоне и катјоне називамо електролити. Електроли­ ти су неравномерно рас�оређени у телу животиња: Na+ и Cl– најважнији су електролити у ванћелијским течностима, а K+ и фосфати (H2PO4–/HPO42–) у ћелијама (табела 1.1). Овакву расподелу одржава активност с�ецијализованих мембранских транспортних система протеинске структуре: различите пумпе (уз утрошак енергије, као Na+/K+–AТP­аза) и јонски канали (као напоном регулисани канали за Ca2+).

24 Увод у хемију живота

Табела 1.1. – Разлике у концентрацији електролита унутар и изван типичне ћелије човека Јон

Цитосол (mmol/L)

Ванћелијска средина (mmol/L)

Na

+

15

142

+

150

4

Cl-

5

120

Ca2+

10-4

4

2+

1

0,5

HCO3

8

27

K

Mg

-

Уместо закључка. – Вода, поларни неоргански молекул, на собној температури безбојна течност без укуса и мириса, заиста је чудесан молекул. Kоличински далеко најзаступље­ није једињење на Земљи, вода у биосфери постоји у чврстом, течном и гасовитом агрегат­ ном стању. Водоничне везе су заслужне за јединствена својства молекула воде, попут аномалије воде (чврсти лед је мање густине од текуће воде), релативно високе температуре кључања (100 °C) и великог топлотног капацитетa, предуслова за очување жи­ вота на нашој „плавој” планети. краставац 96%

ананас 87%

боровнице 90%

ПОЈЕДИ СВОЈУ ВОДУ поморанџа 87%

парадајз 94%

лубеница 92%

јагоде 92%

› Воће и поврће богати водом. – Лубеница, омиљена летња посластица многих, садржи око 92% воде. Садржи и магнезијум, витамине А, С и B6, као и L-цитрулин, непротеинску амино-киселину која помаже у смањењу болова у мишићима након тренинга. Краставац, омиљени састојак пролећних и летњих салата, садржи чак 96% воде, витаминe С и А, али и калијум, због чега нема потребе да му се додаје кухињска (натријумова) со. Парадајз је нискокалорична намирница, са више од 90% воде. Садржи црвени ликопен, моћан антиоксиданс, који штити срце и крвне судове и помаже у борби против малигних болести, витамине С, Е и А, као и минерале бакар и гвожђе. Иако на први поглед не делује тако, јагоде су веома богате водом (преко 90%). Здраве су и као ризница витамина С и других антиоксиданса. Поморанџе, сласно медитеранско воће, садрже око 87% воде и значајан су извор витамина C, B1, B9, калијума, као и дијетних влакана (пулпа). Још једно воће с високим процентом воде (око 87%) јесте ананас, који је и одличан извор витамина С и В6, гвожђа, магнезијума и калцијума. Боровнице, мало и округло шумско воће црвене или црнољубичасте боје и слатко-киселкастог укуса, богато је не само водом (око 90%) већ и обиљем минерала (калијум, манган, хром, гвожђе, бакар), као и витамином С и органским киселинама.

ХЕМИЈА 4 25

1.4. ТЕЛЕСНЕ ТЕЧНОСТИ И ПУФЕРСКИ СИСТЕМИ У ТЕЛУ ЧОВЕКА

Р

егулација pH вредности телесних течности једна је од најважнијих физиоло­ шких улога хомеостазе; pH вредност водене средине утиче на ефикасност деловања ензима, па тако и на одвијање хемијских реакција у телу. Tоком мета­ боличких процеса настају киселине, ређе и базе, чиме се мења концентрација јона водоника у ћелији, крви и другим телесним течностима. Да би се одржала pH хомео­ стаза, поред уклањања протона из цитосола ћелија у ванћелијски простор и изван тела, живи системи користе различите пуфере.

Термин �уфер означава о�у�ирање �ромени. У хемији, пуфером се назива раствор слабе киселине и њене соли (или раствор слабе базе и њене соли) који спречава вели­ ке промене pH вредности средине при додатку мањих количина H+ (H3O+) или OH– јона. Ако је настајање слабих органских киселина повећано, или су системи за пуферовање и излучивање оштећени, телесна течност постаје кисела, што доводи до абнормалних стања. Пример је повећање концентрације млечне киселине у скелетним мишићима, као одговор на напорне вежбе, због чега водена средина постаје киселија и успоравају се контракције мишића.

Слабе киселине (и њихове базе/соли); пуфери

Прeма протолитичкој теорији, киселине су хемијске врсте које дају протон (H+), а базе врсте које примају протон.

У води се процес примопредаје протона уобичајено представља као: HA + H2O A– + + – H3O , где су HA и А међусобно конјуговани пар киселина и база. HA је киселина, пошто предаје протон, а А– је конјугована база (со киселине), пошто прима протон у реакцији у AH + OH–. којој је молекул вода киселина: A– + H2O

Слабе киселине и базе не дисосују потпуно у раствору на јоне. Карактеришу се кон­ стантом дисоцијације (Ка и Кb; а од енгл. acid = киселина, а b од base = база). У води, за слабу киселину (HA) и њену конјуговану базу (А–) биће:

Ka

[ A ] [ H3 O ] [ HA]

и

Kb

[ HA] [ OH ] . [ A ]

Овај пар константи дисоцијације повезан је јонским производом воде: Ka Kb

[ H 3 O ] [ A ] [ HA] [ OH ] [ HA] [ A ]

[ H 3 O ] [ OH ]

1 0

1 4

;

.

У овим релацијама примењен је уобичајени начин означавања: pH = –log [H3O+]. Пре­ ма томе, сваку слабу киселину карактеришу константа киселине (Kа) и константа њене конјуговане базе (соли киселине) (Kб). На примеру угљене и фосфорне киселине:

26 Увод у хемију живота

H2CO3 + H2O HCO3– + H2O HCO3– + H2O CO32– + H2O H3PO4 + H2O H2PO4– + H2O HPO42– + H2O

HCO3– + H3O+ H2CO3 + OH– CO32– + H3O+ HCO3– + OH– H2PO4– + H3O+ HPO42– + H3O+ PO43– + H3O+

pKa1 = 6,10 pKb1 = 7,90 pKa2 = 10,25 pKb2 = 3,75 pKa1 = 2,12 pKa2 = 7,12 pKa3 = 12,32

Степен дисоцијације представља о�нос броја дисосованих молекула у раствору и укупног броја растворених молекула.

У равнотежи, однос дисосованог (A–) и недисосованог облика (HА) слабе киселине зависи од константе њене дисоцијације (Kа), као и од pH вредности воденог раствора (концентрације H3О+) у којем се налази: pH = pKa + log [А–] / [HА].4

Ова релација је позната и као Хендерсон–Хаселбахова (Henderson–Hasselbalch) једначина. Она се у хемији много примењује, будући да када је pH раствора сличан pKa вред­ ности слабе киселине, pH вредност (киселост) средине се веома мало мења додатком малих количина базе – пуферска област.

Према Хендерсон–Хаселбаховој једначини, у раствору слабе киселине и њене соли pH раствора зависи од pKа киселине и односа концентрација соли и киселине: pH = pKa + log [со] / [киселина].

Мала количина јона водоника у присуству пуфера неутралише се настајањем одгова­ рајуће количине слабе киселине: А– + H+ → HА, и обрнуто, мале количине хидроксилних јона бивају неутралисане слабом киселином: OH– + H+ (дисоцијацијом HА) → H2О. Kако се при томе мења однос [А–]/[HА] и pH ће се мало променити. Способност пуфера да се одупре промени pH највећа je када је pH = pKа. Област у којој се слаба киселина или база понаша као пуфер је већа и износи pKа ± 1. За пуфере у киселој области pH живи системи користе супстанце са pKа < 7, а за пуфере у базној области супстанце са pKа > 7, пошто су тада у раствору присутне обе компоненте пуфера (слаба киселина и њена со, односно слаба база и њена конјугована киселина).

Способност пуфера да се одупре промени pH зависи од његовог капацитета. Мера за капацитет пуфера је промена pH настала у зависности од количине додатих H3O+ или ОH– јона. Kапацитет пуфера је количина H3O+/ОH– јона која би трeбало да се дода у 1 l пуфера да би му се pH променио за 1. Kапацитет je исти у киселом и базном смеру само код пуфе­ ра код којих је pH = pKа. Kапацитет пуфера зависи од концентрације пуферских компонен­ ти (150 mМ пуфер има већи капацитет од 50 mМ пуфера) и од pH (због односа pH и pKа).

Телесне течности у телу човека

У основи, телесна течност је свака течност коју производи живи систем. Код човека разликујемо унутарћелијскe и ванћелијскe течности. Две најважније ванћелијске теч­ ности су крв и лимфа. Други примери су: урин, сузе, пљувачка, зној, себум, жуч, желудач­ ни сок, мајчино млеко, плодова водица (амнионска течност), ликвор (цереброспинална течност), очна водица, синовијална течност, слуз, семена течност и гној.

4

По аналогији, за слабе базе важи: pH = pKa + log [B] / [BH+]. Примери за слабе киселине и слабе базе у ћелији редом су α­карбоксилна и α­амино­група у структури молекула амино­киселине.

ХЕМИЈА 4 27

Лимфа тече кроз мрежу лимфних судова повезаних групом лимфних чворова. Чво­ рови делују као филтер, заробљавајући или уништавајући све што телу није потребно. Унутар лимфних чворова налазе се бела крвна зрнца (лимфоцити), која нападају и ра­ зграђују бактерије, вирусе, оштећене ћелије или ћелије рака. Дакле, основна улога лим­ фе је да из међућелијских простора непрекидно уклања (велике) штетне честице и ће­ лије, задржавајући течност у крвним судовима.

Крв је специјализовано течно везивно ткиво са ћелијама и уобличеним елементима (еритроцитима, леукоцитима и тромбоцитима) суспендованим у течном матриксу пла­ зми. Крв је око пет пута вискознија од воде, температуре око 37°C. Најважније улоге крви су: 1. транспорт растворених гасова, хранљивих састојака, хормона и отпадних произво­ да метаболизма; 2. регулација pH вредности и састава електролита у течностима између ткива (нпр. неутрализација млечне киселине настале у мишићима); 3. спречавање губитка течности услед повреда (коагулација, уз формирање крвних угрушака); 4. одбрана организма од токсина, патогена и инфекција (крв носи заштитна антитела); 5. одржава сталну температуру тела (крв апсорбује топлоту из мишићног ткива и пре­ расподељује је у друга ткива). Крв која протиче кроз вене, артерије и капиларе назива се пуна крв и представља мешавину плазме (око 55%), ћелија и уобличених елемената (око 45%). плазма (око 55%)

бела крвна зрнца (око 4%):

крвне плочице (тромбоцити) (0,01%)

лимфоцити

базофили

еозинофили

црвена крвна зрнца еритроцити (око 41%)

моноцити

неутрофили

› Хемијски састав пуне крви: различите специјализоване ћелије суспендоване су у плазми, течном матриксу. Око 7–8% укупне телесне масе је крв: мушкарац просечне грађе има око 5,6 l крви у свом телу, а жена око 4,5 l.

У телу човека уочене су разлике у киселости телесних течности. Оптимална вред­ ност pH у цитосолу ћелија је 7,1, у артеријској крви 7,4, у желудачнoм соку 1–2, а у цреви­ ма 8–9. Већ је речено да промене у концентрацији јона водоника могу да угрозе прави­ лан рад нашег организма. Ацидоза је патофизиолошко стање које настаје када је pH вредност крви за више од 0,05 pH јединица нижа од оптималне. Респираторна ацидоза настаје као последица болести које отежавају дисање (пнеумоније, емфизема плућа, аст­ ме), пошто недовољно ефикаснo избацивање CO2 из тела доводи до повећања концен­ трације угљене киселине (H2CO3) у крви. Метаболичка ацидоза последица је смањене концентрације бикарбонатног јона (HCO3–), услед болести бубрега, дијабетеса или тро­ вања киселинама. Код обе ацидозе капацитет пуферских система у крви није био до­ вољан да спречи наведена патофизиолошка стања.

28 Увод у хемију живота

Пуферски системи у крви човека артерија активне ћелије

крв

ваздух плућа

O2

O2

O2

O2

O2

O2

CO2

CO2

CO2

CO2

CO2

CO2 H2CO3 вене H++HCO3- вене

Слика 1.15. – Сви пуферски системи у телу, као овде схематски приказан карбонатни пуфер у крви, делују према Ле Шателијеовом (Le Chatelier) принципу: када је поремећена равнотежа у систему, он се прилагођава тако што се супротставља промени која је нарушила равнотежу.

Примери пуферских система у организму чове­ ка су: угљена киселина / бикарбонат (H2CO3/ HCO3–), који углавном делује у крви, хемоглобински пуфер у еритроцитима, фосфатни пуфер, пре свега у ћелијама, и протеински пуфери у ћелија­ ма и плазми.

Угљена киселина је слаба дипротична (двоба­ зна) киселина. Када су у раствору присутне значај­ не количине угљене киселине (слаба киселина) и бикарбоната (со слабе киселине), формира се пу­ ферски систем. То се дешава у крви под физиоло­ шким условима, када је у систему присутно много више бикарбоната него угљене киселине, што је у складу с потребама тела: (а) крв са високом кон­ центрацијом бикарбоната ефикасно неутралише произведене метаболичке киселине; (б) пошто у телу настају мале количине метаболичких база, концентрација угљене киселине у крви може да буде ниска (слика 1.15).

Фосфат је ефикасан пуфер у свим деловима тела с неутралним физиолошким pH, с обзиром на другу pKa вредност трипротичне (тробазне) фосфорне киселине од 7,21. Фосфати се налазе у крви у два облика: натријум­дихидроген­фосфат (NаH2PО4), који је слаба киселина, и динатријум­монохидроген­фосфат (Nа2HPО4), који је слаба база. Према томе, у раствору су присутне обе компоненте пуферског система: примарни (H2PO4–) и секундарни (HPO42–) фосфат. Такође, капацитет фосфатног пуфера је висок, с обзиром на значајну концентрацију фосфата у телесним течностима, поготову у ћелија­ ма (око 100 mmol/L).

HCl

(јака киселина) NaOH

(јака база)

+

+

Na2HPO4

(слаба база) NaH2PO4

(слаба киселина)

→

NaH2PO4

→

(слаба киселина) Na2HPO4

(слаба база)

+ +

NaCl (со)

H2O (вода)

Хемоглобин је главни протеин у црвеним крвним зрнцима (150 g/L) и чини једну трећину масе ћелије. Имидазолна група из амино­киселине хистидин (pKa~6,8) у хемо­ глобину пуферује јоне водоника који се ослобађају у реакцији превођења угљен­диокси­ да у бикарбонат, што помаже у одржању оптималног pH.

Уместо закључка. – Пуферски системи су неопходни за одржање живота, јер се сло­ жени биохемијски процеси несметано одвијају једино када pH вредност у сваком делу организма остане у уском опсегу физиолошких вредности. Вишак H3O+ или OH– јона у раствору мења структуру, облик и стабилност, као и активност („шта раде”) и биолошку улогу („чему служе”) многих биомолекула, посебно амфотерних молекула протеина/ен­ зима (одељак 2.3.).

ХЕМИЈА 4 29

1.5. ЋЕЛИЈА – СТРУКТУРНА И ФУНКЦИОНАЛНА ЈЕДИНИЦА ЖИВОТА

Ћ

елије су најмање морфолошке јединице способне да обављају све животне про­ цесе. Зато кажемо да је ћелија основна јединица грађе и функције свих живих система.5 Ћелије настају деобом постојећих ћелија и међусобно се разликују по величини, облику и улогама које обављају.

Уколико под микроскопом посматрамо ћелије, установићемо да су све састављене од ћелијске (плазмине) мембране и цитоплазме. То су основни делови ћелије. На Земљи постоје два типа ћелија. Еукариотске ћелије (код животиња, биљака, гљива и проти­ ста) у цитоплазми садрже једро, у коме се ендоплазматични налази најмање један молекул дезоксири­ глатки ретикулум хроматин једро бонуклеинске киселине (ДНК). Прокариотједарце ске ћелије (код бактерија и археја) немају једро и, по правилу, један молекул ДНК лизозом гранулисани ендоплазматични (кружни или линеаран) налази се у сре­ ретикулум дишњем делу ћелије (нуклеоид). Еукариот­ ски организми, једноћелијски (квасци) или вишећелијски, много су сложенији од про­ рибозоми кариота. Еукариоти садрже више генетског микровили материјала од прокариота, као и бројне орцилије ганеле у цитоплазми (слика 1.16). Органе­ центриоле Голџијев ле су структуре оивичене мембраном, ка­ комплекс митохондрија рактеристичног облика и грађе, са специја­ лизованом улогом у ћелији. Слика 1.16. – Приказ структуре типичне животињске ћелије

5

гликолипид

гликопротеин

угљенохидратни ланац

фосфолипидни двослој

Плазмина мембрана даје облик ћелији и одваја и штити унутрашњост ћелије од околине. У основи, све биолошке мембране су изграђене од фосфоли�и�но� �вослоја у који су уроњени различити типови проте­ ина (слика 1.17). Мембрана обезбеђује усло­ ве за одвијање свих животних процеса у ће­ лији, одржава разлике између унутарће­ лијске и ванћелијске средине и успоставља контакте и размењује супстанце са другим ћелијама и спољашњом средином. Плазми­ на мембрана одређује који молекули и јони

периферни протеин холестерол трансмембрански протеин Слика 1.17. – Илустративни приказ флуидно-мозаичног модела плазмине мембране

Иако поседују генетички (наследни) материјал, о вирусима се не говори као о живим системима, с обзиром на то да нису способни да самос�ално (изван ћелије домаћина) расту, стварају своје протеине и обављају метаболичке процесе.

30 Увод у хемију живота

улазе у ћелију или излазе из ње, процесима активног или пасивног транспорта. За ак­ тивни транспорт, насупрот градијенту концентрације, потребна је енергија. Пасивни „превоз робе” не захтева утрошак енергије (добијене хидролизом молекула аденозин­ трифосфата) и одвија се кроз процесе дифузије, осмозе и филтрације.6

Цитосол је течни састојак цитоплазме, који процесима дифузије преноси растворe­ ни материјал кроз ћелију.

Једро и једарце. Ћелије у нашем телу имају једро (нуклеус) и, у једру, једарце (нукле­ олус).7 То су контролни центри ћелије и место из којег настају будуће генерације једин­ ки. Једарна мембрана окружује једро, у коме се налази хроматин, густо спаковани гене­ тички материјал, састављен од ДНК и протеина. Током деобе ћелије хроматин се конден­ зује и настају хромозоми. Поред преношења генетских информација од стране ДНК, у једру настају молекули неопходни за тумачење ове информације: информациона рибо­ нуклеинска киселина (иРНК) и транспортна рибонуклеинска киселина (тРНК). Једарце ствара рибозомалну рибонуклеинску киселину (рРНА).

Митохондрије су „електране”, место у ћелији где настаје највећи део потребне мета­ боличке енергије, у процесима ћелијског дисања. Молекули аденозин­трифосфата (енергетска монета ћелија) настају разградњом унетих угљених хидрата, масних кисе­ лина и (уколико је неопходно) протеина. Садрже своју, митохондријску ДНК.

Рибозоми садрже малу и велику подјединицу, изграђену од молекула протеина и рРНК. У њима се амино­киселине повезују у протеине који су у датом тренутку потребни ћелији. Многи од ових протеина су ензими, који учествују у сваком процесу у нашем организму. Ендоплазматични ретикулум има два региона. Један је груби (храпави), који на по­ вршини мембране садржи рибозоме, „фабричку монтажну линију” за производњу про­ теина. Глатки ендоплазматски ретикулум нема рибозоме. У њему се дорађују биомоле­ кули настали у другим деловима ћелије, који се затим отпремају до Голџијевог апарата. Голџијев апарат је структура налик лавиринту која служи као „поштански” систем ћелије. У њој се у везикуле (мале врећице затворене мембраном) пакујe материјал који ћелија направи и потом шаље до других органела или преко плазмине мембране изван ћелије. Ћелијска мембрана садржи „царинске службенике” (протеински канали) преко којих „роба” излази из ћелије и потом је на располагању другим ћелијама и ткивима. Лизозоми су „депоније” у ћелији. Ензими које садрже лизозоми разграђују молекуле који могу да оштете ћелију, истрошене делове ћелије, као и мртве органеле.

Центриоле су „локомотиве ћелијског воза”. Оне организују структурне компоненте ће­ лије, попут микротубула које помажу кретање делова ћелије током деобе (процес митозе). Вакуоле имају различите улоге у ћелији, као што су складиштење и транспорт различи­ тих једињења. Ћелија касније искористи или одбаци непотребан ускладиштени материјал.

Биљна ћелија има додатне структуре, којих нема у животињској: ћелијски зид, велику вакуолу и хлоропласте (слика 1.18). Полисахарид целулоза основа је структуре 6

7

Дифузија је спонтани пренос материје из зоне више у зону ниже концентрације (низ градијент концентрације). Осмоза је кретање растварача кроз полупропустљиву мембрану, из раствора мање у раствор веће концентрације, којим се изједначава концентрација раствора са обе стране мембране. Гломеруларна филтрација описује проток филтриране течности кроз бубреге. Изузетак су зрели еритроцити, без једра и органела: „кесице” хемоглобина.

32 Увод у хемију живота

1.6. ХИЈЕРАРХИЈСКА ОРГАНИЗАЦИЈА ЖИВИХ СИСТЕМА

Ж

ива бића су изузетно сложени системи. Ћелија бактерије Escherichia coli садржи око шест хиљада различитих молекула, довољно за обављање свих животних функција. Више организме карактерише пропорционално већа сложеност. Само у мозгу пацова нађено је око 13.000 протеина. У геному човека (Homo sapiens) нађено је више од 20.000 гена. Наше тело изграђује 250 специја­ лизованих типова ћелија. Процењени укупан број протеина (протеом) код човека је између 80.000 и 400.000. С обзиром на ове бројеве, циљ биохемије – проучавање и раз­ умевање живог света на нивоу молекула – чини се неостварив. То, међутим, није тако будући да жива бића поседују унутрашњу правилност, а то је хијерархијска органи­ зација живих система. Хијерархија представља уређење елемената система (појмова, предмета, људи) у ран�ирани �оре�ак, у којем је сваки ранг, од најнижег до највишег, подређен оном изнад.

ткиво

ћелија

НИВОИ орган

органела

ОРГАНИЗАЦИЈЕ макромолекул

молекул систем органа атом

организам Слика 1.19. – Приказ нивоа организације грађе организма човека

Организам је највиши ниво организације, на пример тело човека (слика 1.19). Анатомска и цитолошка истраживања пока­ зала су да људско тело чине си­ стеми органа, који заједно и син­ хронизовано раде у циљу одр­ жања живота и здравља. Систе­ ми органа састоје се од органа, органи од ткива, а ткива од ће­ лија. Из биологије знамо да је ткиво скуп ћелија истог порек­ ла, сличне грађе, облика и вели­ чине, које обављају исту улогу у организму. У телу животиња постоје четири основна типа ткива: покровно (епително), ве­ зивно (потпорно), мишићно и нервно ткиво. Ткива образују органе, делове тела који имају одређени облик, величину, по­ ложај и улогу (табела 1.2). Си­ стеми органа су међусобно пове­ зани у простору који деле једни с другима (организам), као ста­ новници велике зграде са много станара.

ХЕМИЈА 4 33

И у ћелији је успостављена хијерархија, различити степени подређености између делова који је чине. Ћелије еукариота састоје се од органела, органеле од супрамолекул­ ских структура, нпр. мембрана, које изграђују биомакромолекули. Макромолекуле жи­ вота (протеине и нуклеинске киселине, угљене хидрате и липиде) гради мали број јед­ ноставних молекула (амино­киселине, нуклеотиде, моносахариде, масне киселине) (поглавље 2). Табела 1.2. – Преглед система органа и њихових основних улога у организму човека

Органски систем

Koжни систем

Скелетни систем

11 1 11 11

1 1

22 2 222 22

2

33 3 333 3 Мишићни систем 3

Најважније улоге

Заштита тела од спољњих утицаја; контрола температуре тела Потпора; заштита меких ткива; складиште минерала; формирање крви

Кретање; потпора тела; производња топлоте

3 Нервни систем

44 4 444 4

4

4

Систем органа са 5 5 555 5 5 унутрашњим лучењем

Усмеравање одговора на надражаје (стимулусе), координацијом деловања других система органа Контрола дугорочних промена у деловању других система органа

5 6 Систем органа за варење 66 666 6

5

Обрада хране и усвајање хранљивих састојака, минерала, витамина и воде

6 7 7 Систем органа за дисање 77 77 7

6

Допремање ваздуха до места размене гасова из ваздуха и циркулишуће крви

7

8 88 8 Кардиоваскуларни систем 88 8

Транспорт у води растворних супстанци (хранљивих једињења и гасова) унутар тела

78 Лимфни систем

9 9 9

9 99 9

89 10

10 10 10 Систем органа за излучивање 1010 10

1011 911 11 Систем органа за 11 11 11 размножавање 11

10

Одбрана организма од инфекција и болести

Излучивање вишка воде, соли и отпадних производа метаболизма

Производња полних ћелија и хормона

34 Увод у хемију живота

Кожа је највећи систем органа код човека, омотач површине 1,5–2 m2. Људску кожу образују три слоја: пoкожица, крзно и поткожно ткиво. Улога коже је да заштити тело од спољних утицаја: смањује могућност физичке повреде других органа, спречава проди­ рање микроорганизама и губитак телесних течности, знојењем ослобађа тело од штет­ них материја, регулише телесну температуру. Органи коже су нокти, длака, лојне жле­ зде, знојне жлезде, као и чулни органи којима осећамо додир, топлоту, хладноћу и бол.

Скелетни систем (костур) даје телу чврстину, пружа ослонац за причвршћивање ми­ шића и штити осетљиве органе (чула и нервни систем). Људски костур изграђен је од 206 појединачних костију, повезаних различитим зглобовима. Кости су изграђене од ко­ штаног ткива, које творе специјализоване коштане ћелије.

Мишићни систем тела човека чини преко 650 мишића (слика 1.20), који телу дају ослонац и чврстину, а мишићи везани за скелетни систем потпору и складан облик. Ми­ шић је орган састављен од снопова мишићних ћелија организованих у мишићно ткиво. Постоје три врсте мишићних ћелија (миоцити): глатке, попречно­пругасте и срчане. Покрети глатких мишића су спори и нису под утицајем наше воље. Попречно­пругасти, или скелетни мишићи, имају способност да се брзо грче (контрахују) и опружају (релак­ сирају). Ћелије мишићног ткива срца (миокард) структурно су сличне попречно­пруга­ стим, а функцијски глатким ћелијама; док су једни делови срца релаксирани, други се контрахују, без утицаја наше воље.

Нервни систем је најсложенији органски систем у нашем телу. У основи, изграђен је од сложене мреже неурона (нервних ћелија), радних ћелија које преносе информације у мозак и из мозга, и преко кичмене мождине ка различитим структурама у телу. Нервни систем регулише рад свих осталих органа људског тела. Oд суштинске je важности за вид, слух, перцепцију бола, контролу покрета, регулацију телесних функција попут ва­ рења и дисања, као и за развијање мишљења, језичко изражавање, памћење и доношење одлука. трапезасти мишић делтоидни мишић велики грудни мишић двоглави мишић надлактице бочни трбушни мишић равни трбушни мишић

бедрени четвороглави мишић

Слика 1.20. – Главни мишићи тела човека (мушкарца)

трапезасти мишић троглави мишић надлактице најшири леђни мишић највећи стражњични мишић задња ложа

ХЕМИЈА 4 35

Систем органа са унутрашњим лучењем (ендокрини систем) заједно с нервним систе­ мом надзире и регулише рад целокупног орга­ низма. Састоји се од жлезда које своје прои­ зводе (хормоне) луче у малим количинама у крв (слика 1.21). Једна таква жлезда је панкре­ ас (гуштерача), део система за варење. Осим што излучује сокове потребне за прераду хра­ не у цревима, који се мешају са жучи из јетре (егзокрина улога), панкреас у крв лучи хормо­ не инсулин и глукагон (ендокрина улога). Ин­ сулин смањује, а глукагон повећава ниво глу­ козе у крви.

хипоталамус хипофиза епифиза

штитна и параштитна жлезда

тимус панкреас

јајник (код жена)

надбубрежне жлезде

Систем органа за варење (дигестивни или гастроинтестинални тракт) састоји се од плацента низа узастопних делова у којима се одвијају (током тестис поједине фазе варења и апсорпције састојака (код трудноће) хране. Усна дупља, зуби, језик, ждрело, једњак, мушкараца) желудац, јетра, жучна кеса, панкреас, танко црево и дебело црево делови су овог система Слика 1.21. – Илустрација ендокриног система човека органа, који непрекидно снабдева тело водом, електролитима и хранљивим материјама. Храна се креће кроз дигестивни тракт, где се луче сокови богати хидролитичким ензимима, уз процесе варења хране, апсорпције производа варења у крв, циркулацију крви кроз гастроинтестиналне органе и кон�ролу свих функција нервним и хормонским системима.

Систем органа за дисање (респираторни систем) обавља размену гасова између органи­ зма и спољашње средине. Процесом дифузије, преко респираторних површина усваја се кисе­ оник (O2) из ваздуха, а отпушта угљен­диоксид (CO2). Типичан респираторни систем код сиса­ ра анатомски је подељен на горњи и доњи део. Горњи део обухвата нос, носне шупљине, сину­ се, ждрело и део гркљана изнад гласних жица, док доњи чине нижи део гркљана, душник, бронхије, бронхиоле и алвеоле плућа. Кардиоваскуларни систем обезбеђује брз пренос кисеоника, хранљивих материја, хормо­ на, као и супстанци које се преко бубрега излу­ чују из организма. Његова главна улога је ра­ змена материје унутар организма, која се оства­ рује између ћелија једног или више система органа, који могу бити удаљени једни од дру­ гих, као и између ћелија и спољашње средине. Кардиоваскуларни систем чине срце, чији је за­ датак да испумпава крв, и васкуларна мрежа крвних судова.

крајници

тимус пазушни лимфни чворови

Пеџетове плоче слепо црево

коштана срж

слезина препонски лимфни чворови

› Најважнији делови имунолошког система човека

36 Увод у хемију живота

Лимфни систем изграђују телесна течност лимфа, лимфни судови, лимфне жлезде и лимфни орган слезина. Део је заштитног имунског система. Најважнија улога лимфних жлезда је производња лимфоци�а у коштаној сржи. Стварајући антитела (имуноглобу­ лине) Б­лимфоцити су одговорни за имунитет против патогена и њихових токсина. Т­лимфоцити учествују у ћелијском имунитету, препознајући и уништавајући страни материјал у телу. Трећи тип лимфоцита, природне ћелије убице, спречавају разможа­ вање промењених (посебно туморских) ћелија.

Систем органа за излучивање (уринарни систем) чине бубрези, мокраћна бешика, мокраћоводи и мокраћна цев. Сви они регулишу запремину и састав телесних течности. Приликом метаболичких процеса стварају се непотребни производи, али и производи који би били штетни уколико се дуже задрже у телу. Оваква једињења се из тела изба­ цују преко бубрега, урином (мокраћом). Бубрези су изузетно важни за здравље људи: не само да су „чистачи” организма већ производе и хормоне (адреналин, еритропоетин, ал­ достерон, и друге).

Систем органа за размножавање (репродуктивни систем) служи за добијање по­ томства. Код човека разликујемо спољашње и унутрашње репродуктивне органе. Орга­ ни мушког полног система су: тестиси, изводни канали, помоћне егзокрине жлезде (као простата) и мушки полни уд (пенис). Органи женског полног система су: јајник (ова­ ријум), јајовод, материца (утерус), вагина и стидница (вулва). Јајници и јајоводи су пар­ ни органи смештени у карлици. У тестисима се стварају мушке полне ћелије – спермато­ зоиди и мушки полни хормон – тестостерон. У јајницима настају женске полне ћелије и хормони (естроген, прогестерон и мале количине андрогена).

Уместо закључка. – Запамтите да нижи ниво организације живих система (од нивоа ћелије) одређује карактеристике и рад више� нивоа те организације. Све што поремети систем неизбежно утиче на све његове делове. Да би сваки живи систем опстао, неопход­ но је да одржава хомеостазу на ћелијском нивоу, тј. (релативно) стабилно унутрашње окружење. У здравом организму многобројни регулаторни механизми спречавају непо­ вољне промене у животној средини унутар ћелија, ткива, органа и система органа.

У ФОКУСУ. – Лекови: синтетичка једињења природног порекла

Лекови су саставни део живота модерног човека. Лек је свака хемијска супстанца која на специфичан начин у�иче на неки физиолошки процес или функцију у телу. Мете де­ ловања лекова најчешће су различити типови протеина: ензими, транспортни проте­ ини, јонски канали и, пре свега, рецептори. Мало је лекова који заиста лече, то јест укла­ њају узрок здравственог проблема. Пример правог лека су антибиотици, незаменљиви молекули у лечењу бактеријских инфекција и заразних болести (одељак 4.2). Сваки нови лек најпре је детаљно истражен у лабораторији. Уколико та испитивања дају добре резултате, приступа се дуготрајним и скупим клиничким студијама, којима се испитују безбедност лека и његова ефикасност код људи. Сви доступни лекови, у болни­ цама и апотекама, успешно су прошли ригорозна клиничка испитивања пре него што је одобрена и започета њихова примена. Међутим, сви лекови, поготову ако се не користе према упутству, могу показати нежељено деловање на организам човека. Многи одо­ брени лекови су повучени из употребе због неприхватљиво високе стопе озбиљних штетних ефеката. Зато не узимајте лекове на своју руку, не користите лекове (и све дру­ ге препарате) којима је истекао рок употребе и не купујте лекове тамо где нема услова за њихово правилно складиштење и чување.

ХЕМИЈА 4 37

Производи савремене фармацеутске индустрије, који се користе у медицинске сврхе, углавном су синтетички молекули. Већина лекова створених у лабораторији потиче из природе – то су природна једињења вешто хемијски промењена и фармаколошки по­ бољшана. Наводимо три примера таквих лекова који су променили свет.

У народној медицини сок врбе се одвајкада користио за ублажавање болова и упал­ них процеса. Показало се да је чудотворна супстанца из коре врбе салицилна киселина. Међутим, синтетисани препарати салицилне киселине имали су неугодан укус, изази­ вали су повраћање и надраживали слузокожу желуца. У потрази за леком против боло­ ва, млади немачки хемичар Феликс Хофман (Felix Hoffman) у Бајеровој (Bayer AG) лабо­ раторији добија ацетил-салицилну киселину. Под називом аспирин, добијено је­ дињење од 1899. почиње да се продаје у облику праха, а убрзо и у облику препознатљи­ вих таблета. У новије доба открива се да унос малих доза ацетил­салицилне киселине помаже у превенцији срчаног и можданог удара, спречавајући настајање крвних угру­ шака. За расветљавање механизма деловања аспирина енглески научник Џон Вејн (John Vane) добија 1982. године Нобелову награду за медицину. Аспирин сузбија настајање биоактивних липида, инхибицијом ензима циклооксигеназе. Аспирин се, као најпрода­ ванији �оје�иначни лек свих времена и „лек 20. века”, нашао у Гинисовој (Guinness) књи­ зи рекорда.

› Структурна формула ацетил-салицилне киселине и изглед таблета аспирина

Болести кардиоваскуларног система су водећи узрок смрти код нас и у свету. Узроци већине болести срца и крвних судова могу да се контролишу, лече или модификују: висок артеријски крвни притисак, висок ниво холестерола у крви, гојазност, употреба дувана, физичка неактивност и шећерна болест. Статини снижавају ниво „лошег” холестерола у крви и тако смањују ризик од кардиоваскуларних болести. Ови лекови смањују биосин­ тезу холестерола у ћелијама јетре. Детаљна испитивања �риро�них статина послужила су као основа за дизајн и лабораторијску синтезу (вештачких) статина, побољшаних фарма­ колошких карактеристика. Већ након три деценије употребе статини су постали најпро­ даванија �ру�а лекова свих времена. Шећерна болест (Diabetes mellitus) поприма епидемијске размере. Подаци показују да у Србији готово милион особа болује од ове подмукле и опаке болести. Лечење захте­ ва промене у начину живота, исхрани и физичкој активности да би терапија лековима била успешна. Метформин је најчешћи лек за снижавање нивоа глукозе у крви код осо­ ба оболелих од инсулин­независног дијабетеса (дијабетеса типа 2), посебно оних гоја­ зних. Овај лек пре свега утиче на енергетски метаболизам у митохондријама ћелија је­ тре, што смањује синтезу и лучење глукозе у крв. Mетформин је развијен од природних једињења пронађених у биљци Galega officinalis L., познатој као ждраљевина или леко­ вити орловац.

38 Увод у хемију живота

› Структурна формула аторвастатина (с пента-супституисаним пироловим прстеном), у лабораторији насталог статина треће генерације. Десно: фотографија јапанског биохемичара Акира Енда, чија су истраживања антимикробних супстанци довела до открића статина. За допринос медицинској науци овај научник је награђен престижном Ласкеровом наградом („амерички Нобел”).

› Структурна формула метформина (базна бигуанинска структура) и изглед биљке ждраљевине

Уместо закључка. – Фармацеутска индустрија истражује, развија, производи, дистри­ буира и продаје лекове. Тржиште лекова је у сталном расту. Приходи индустрије лекова, широм света, процењени су на 1,42 трилиона америчких долара у 2021. години. Највећу добит у 2021. години оствариле су фармацеутске компаније Novartis (Швајцарска), Pfizer (Сједињене Америчке Државе), Johnson & Johnson (Сједињене Америчке Државе), Roche група (Швајцарска) и Sinopharm (Кина). Највеће фармацеутске куће у нашој земљи су Галеника (Земун), Хемофарм (Вршац) и Здравље (Лесковац).

› Према начину паковања, лекове можемо наћи у течном, прашкастом, чврстом и геластом облику. Прва амбалажа за лекове била је од камена, коју потом замењују стаклене медицинске флашице, а затим и пластичне бочице. Блистер паковања лекова у облику таблета и капсула данас су најкоришћенија фармацеутскa амбалажa.

ХЕМИЈА 4 39

Питања и задаци за утврђивање и проверу знања 1.

Зашто су листови зеленог поврћа (зелена салата, спанаћ, блитва, броколи) одличан извор магнезијума у исхрани човека?

2. Наведите значај петочланих и шесточланих хетероцикла са атомом азота у молекулу за организме животиња.

3. Напишите структурну формулу: 7,9-дихидро-1H-пурин-2,6,8(3H)-триона и 2-(1H-имидазол4-ил)-етанамина. Како у свакодневном животу називамо ова хетероциклична једињења?

4. Које супстанце се добро растварају у води и зашто?

5. Како густина воде у различитим агрегатним стањима воде утиче на екосистем?

6. Наведите пуфере којима организам човека одржава стабилну pH вредност у ћелијама и телесним течностима.

Проблемски задаци за радознале и оне који желе да знају више 1.

Немају све животиње црвену крв. Истражите и сазнајте које боје је крв паука, пужева и јастога, као и од ког металопротеина потиче та боја.

2. Бели лук (Allium sativum) и његова лековита својства познати су од давнина. Пронађите назив и структуру органосумпорног једињења из белог лука које може да уништи бактерије, гљивице и вирусе. Како се бели лук користи у народној медицини?

3. „Арсеник и старе чипке” популарна је комедија америчког драматурга Џозефа Kесерлинга (Joseph Kesselring) о позоришном критичару Мортимеру Брустеру, који схвата да његове, наизглед симпатичне и драге тетке трују своје подстанаре, старије самце. Пронађите које једињење арсена је познатије под називом арсеник и зашто је оно јак отров. Чиме се отровао Наполеон Бонапарта?

4. Истражите шта су мицеларни раствори и мицеларна вода, коју произвођачи рекламирају као револуционарно средство за скидање шминке и свакодневну негу коже.

5. Истражите како је Акира Ендо дошао до открића мевастатина (компактин), природног лека који снижава концентрацију холестерола у крви животиња. Он је 2012. године уведен у кућу славе проналазача (енгл. National Inventors Hall of Fame: U. S. Patent No. 3,983,140).

6. Многи ликови романа Агате Kристи (Agatha Christie) користили су отрове као метод убиства. Пронађите који су отрови коришћени у романима Напукло огледало (The Mirror Crack’d from Side to Side), Ћутљиви сведок (Dumb Witness) и Код Белог коња (The Pale Horse).

7.

Истражите зашто и како се флуор додаје у пасту за зубе и водоводску воду. Закон о флуорисању воде за пиће усвојен је у Србији 1994. године. Због чега је 2016. године покренута иницијатива за његово укидање?

40 Макромолекули живота

ХЕМИЈА 4 41

2

МАКРОМОЛЕКУЛИ ЖИВОТА

42 Макромолекули живота

УВОД

У најширем смислу, природни производ је све што је произведено животом, као биотички материјали (нпр. дрво, свила), материјали на биолошкој бази (биопластика, кукурузни скроб…), телесне течности (нпр. млеко, биљни ексудати) или материјали који су се некада налазили у живим организмима (нпр. угаљ). У ужем смислу, природни производи су органска једињења настала у ћелијама живих система. Разноврсност структура природних производа и даље увелико превазилази могућности синтетичке органске хемије. Јединствена биолошка и фармаколошка активност природних производа основа је њихове употребе у скоро сваком сегменту живота човека. Користе се у традиционалној и модерној медицини за третман и лечење болести. Полазна су основа за откривање нових лекова, модификацијом природних структура, чиме се смањују нежељени ефекти примене лекова и повећава њихова биорасположивост. Природни производи и њихови деривати користе се и као адитиви (зачини) у храни, антибактеријска средства и антиоксиданси за заштиту свежине и продужење рока трајања хране. Природне органске производе налазимо свуда око нас, од одеће коју носимо, пластичних и гумених производа, до производа за негу и лепоту, до енергије коју користимо за погон аутомобила (биодизел).

Природне производе класификујемо према биолошкој улози, путу биосинтезе или извору из кога потичу. Према значају за живе системе, разликујемо две главне групе при­ родних производа: примарне (основне) метаболите и секундарне (помоћне) метаболите. Примарни метаболити су органски молекули неопходни за опстанак органи­ зма. Примери су сви основни молекули (моносахариди, масне киселине, амино­ аминомасне нуклеинске моносахариди киселине и нуклеотиди) потребни за би­ -киселине киселине базе осинтезу макромолекула одговорних за одржање живота (угљени хидрати, липи­ нуклеотиди ди, протеини, нуклеинске киселине). Секундарни метаболити су мали орган­ ски молекули који по правилу не делују на организме који их стварају. Они зато нису од суштинског значаја за опстанак, али повећавају конкурентност организма у окружењу. Најважније класе секундарних метаболита (алкалоиди, антибиотици и витамини) обрађене су у поглављу 4.

протеини

липиди

угљени хидрати

ДНК/ РНК

› Молекулски градивни блокови живота направљени су од органских једињења.

У овом делу уџбеника представићемо четири главне групе макромолекула живота: угљене хидрате (одељак 2.1), липиде (одељак 2.2), протеине (одељак 2.3) и нуклеинске киселине (одељак 2.4). Они су основа структуре и активности сваке ћелије, као што су усвајање хранљивих материја, производња енергије и раст/развој.

ХЕМИЈА 4 43

2.0. УВОДНА ЗНАЊА

Када проучите садржај ове целине, обновићете: • како се приказује структура органских молекула; • шта су изомери и како их класификујемо; • како се означава конфигурација органских (био)молекула.

З

а разумевање својс�ава органских једињења неопходно је познавање сила које повезују атоме у молекуле, тј. познавање природе хемијске везе. У органским молекулима налазимо ковалентну везу између атома: за атом угљеника енер­ гетски је неповољно да примањем или отпуштањем че�ири елек�рона пређе у јонски облик и образује јонску везу.

Ковалентне везе настају удруживањем валентних електрона у заједничке парове електрона. У структури органских једињења присутне су једноструке (σ­веза; sp3 хи­ бридизација орбитала), двоструке (једна σ­веза и једна π­веза; sp2 хибридизација) и троструке (једна σ­веза и две π­везе; sp хибридизација) ковалентне везе.

У ковалентним везама које спајају два иста атома код двоатомних молекула, или које повезују две идентичне половине код симетричног молекула, заједнички електронски пар је подједнако дељен, тј. налази се на средини између оба атомска језгра – неполарне ковалентне везе. Међутим, ако ковалентна веза постоји између два различи�а атома, заједнички електронски пар није симетрично распоређен у односу на оба атомска језгра и биће померен ка атому који је електронегативнији, тј. који има већи афинитет према електронима (јаче привлачи електроне) – поларне ковалентне везе.

Пошто поларна веза, тј. веза у молекулу између атома различите електронегатив­ ности, има позитиван и негативан крај (делимичне шарже, δ+ и δ–), она представља ста­ лан елекрични �и�ол. Што је веће раздвајање шаржи, то је већи �и�олни момена� у мо­ лекулу. Термини „неполарни”, „поларни” и „диполни” не односе се само на везе, него и на атомске (функционалне) групе и целе молекуле.

Представљање структуре органских једињења

Структура органских једињења приказује се на више начина. Пошто ковалентнe везe oстварују заједнички парови електрона, користе се Луисове (Lewis) структурне формуле. Приказ структуре, где једна црта означава заједнички пар електрона, није прегле­ дан код сложених органских једињења, због чега се користи скраћени приказ, помоћу кондензованих структурних формула.

44 Макромолекули живота

За приказ �рос�орно� усмерења различитих ковалентних веза у молекулу, осим црта које приказују везе у равни папира, користе се клинас�и знакови за везе усмере­ не према нама и цр�кани знакови за супротно усмерене везе – просторни приказ структуре.

Луисова структура

структурна формула

кондензована формула

просторни приказ

скелетна формула

› Начини приказавања структуре угљоводоника пропана. У овом уџбенику коришћени су сви наведени начини приказивања структуре органских једињења.

Најједноставнији начин приказивања структуре органских једињења јесте прикази­ вање помоћу формула с везним цртама – скелетне формуле. Код оваквог начина пи­ сања, који је нарочито погодан за приказивање структуре �рс�енас�их молекула, не обележавају се симболима атоми угљеника и водоника. Свака друга врста атома (хетеро­ атоми) мора да се напише. Хетероатоми (нпр. кисеоник, азот, сумпор и фосфор) појединачно су или у групама везани за угљенични костур органских молекула. На њима, или у њиховој близини, оди­ грава се већина хемијских реакција, због чега се такви атоми или групе атома називају функционалне групе. Функционалне групе одређују хемијска својства природних производа.

алкан

алкен

алкин

алкохол

етар

алдехид

кетон

карбоксилна киселина

анхидрид киселине

естар

амид

амин

имин

тиол

арен

› Најважније функционалне групе у структури органских једињења

ХЕМИЈА 4 45

Хиралност и врсте стереоизомера С обзиром на то да атом угљеника има различите могућности повезивања с другим атомима, у органским једињењима се јављују изомери (грч. isos = једнак и meros = део). Изомери имају једнаке молекулске масе и формуле, а разликују се према начину повезивања атома у молекулу, као и по физичким, хемијским и биолошким својствима. Једноставно речено, изомери су различита хемијска једињења исте молекулске масе.

Структурни (конституциони) изомери међусобно се разликују по редоследу вези­ вања атома у молекулу. Геометријски (стерео) изомери имају исти редослед везивања атома, али различити �рос�орни рас�оред атома у молекулу. О једној врсти стереоизо­ мера учили сте разматрајући просторни распоред атома или група око планарне угље­ ник–угљеник двоструке везе: cis или trans конфигурациона изомерија. Многи биомоле­ кули показују овaј тип изомерије (нпр. масне киселине, витамин А, или β­каротен). Молекули имају тродимензионалну (3D) структуру. Многи органски молекули садрже један или више асиметрично супституисаних атома угљеника. Атом угљеника образује чети­ ри ковалентне везе које су у простору усмерене према врховима тетраедра. Уколико су за исти атом угљеника везана четири различита атома или четири различите групе атома, резултујући молекул нема елементе симетрије. Сваки такав атом угљеника је хирални (асиметрични) центар. У приказу структуре органских моле­ кула хирални атом угљеника означава се зве­ здицом (*). Молекул са асиметрично супституисаним (хиралним) угљениковим атомом јавља се у два стереоизомерна облика, који се називају енантиомери. Према томе, енантиомери су изомери и�ен�ичне структуре, али различитог �рос�орно� рас�оре�а истоврсних атома и/или група атома. Они се међусобно односе као предмет и његов лик у огледалу (грч. enantios = насупрот), који не могу да се преклопе. Многи предмети које свакодневно користимо изграђени су тако да не мо�у међусобно да се прекрију. Десну ци­ пелу не можемо да обујемо на леву ногу, као што левој руци не пристаје десна рукавица. Структуре органских молекула с једним хи­ ралним атомом угљеника или више њих уоби­ чајено се приказују Фишеровим (Fisher) пројекционим формулама. У њима је асиметрич­ ни центар у пресеку и не обележава се хеми­ јском симболом, док се везним цртама прика­ зују супституенти.

A

Б

Преклопите молекул A тако да црвени атом показује налево.

А и Б се не могу преклопити, нису исти молекул.

A

› Хирални (асиметрични) центар дефинише се као тетраедарски угљеник са четири различита супституента (куглице различитих боја). А не може да се преклопи са својом сликом у огледалу (Б): А и Б су хирални молекули.

› Руке човека као (најпознатији) хирални објекти

46 Макромолекули живота

› Три приказа структуре једног облика шећера глукозе: Фишерова пројекциона формула (лево); просторни приказ Фишерове пројекције (средина); „цикцак" приказ (десно), у коме је угљенични скелет нацртан у континуираном "w" облику (отуда назив цикцак структура).

Енантиомери углавном имају идентична физичка својства: густину, тачке топљења и кључања, индекс преламања светлости. Разликују се у оптичкој активности, тј. понашању према поларизованој светлости. Пар енантиомера раван поларизоване светлости обр­ ћу за исти угао, али у супротном смеру. Зато каже­ мо да су раствори енантиомера оптички активни. Енантиомер који окреће поларизовану све­ тлост у смеру казаљке на сату је �есноокрећући (ознака +), а његов хирални парњак који окреће поларизовану светлост супротно од казаљке на › Хемијска структура једног енантиомера: (лево) син- сату је левоокрећући (–). Угао скретања поларизо­ тетички лек ибупрофен, средство против болова (дру- ване светлости је вредност карактеристична за ги енантиомер није штетан); (десно) карвон, који даје сваки пар енантиомера и зависи од таласне дужи­ карактеристичан мирис лишћу нане (други енантиомер не светлости, концентрације и дебљине слоја семену кумина) узорка. енантиомери

дијастереоизомери

дијастереоизомери

енантиомери

У органским молекулима један енан­ тиомер често има биолошко деловање и терапијски учинак (лек), док други нема, или је штетан (отров). Два енантиомера могу да имају и различите мирисе. Енан­ тиомери се не разликују по хемијској ре­ активности, осим у хиралном окружењу, какво постоји у активном месту ензима (биокатализатор).

Органски молекули могу да садрже више хиралних C­атома. Највећи мо�ући број с�ереоизомера израчунава се према изразу 2n, где је n број хиралних атома у молекулу. Неки стереоизомери са два асиметрична угљеникова атома или више њих не о�носе се као предмет и лик у огледалу: они нису енантиомери. Такви стереоизомери називају се дијастерео-

› Разлика између енантиомера и дијастереомера је у томе што се енантиомери међусобно односе као предмет и лик у огледалу, док дијастереомери нису у таквом односу.

ХЕМИЈА 4 47

мери (дијастереоизомери). Дијастереомери су органска једињења различитих физичких и хе­ мијских својстава, у која се убрајају и cis/trans изомери алкена, као и сви други стереоизомери који нису енантиомери.

изомери

конституцијски

стереоизомери

Означавање конфигурације енантиомера

Конфигурација енантиомера приказује про­ сторни распоред четири атома и/или група атома везаних за хирални атом угљеника. Сва­ ки пар енантиомера има две могуће конфигу­ рације: леву и десну.

конфигурацијски

геометријски

конформацијски

оптички

енантиомери

дијастереоизомери

› На слици схематски је приказана општа подела изомера.

(енантиомери) D-глицералдехид

L- глицералдехид

› L,D-систем за обележавање номенклатуре оптичких изомера у Фишеровим пројекционим формулама. Пошто је хидроксилна група на асиметричном C-2 атому везана са десне стране, (+)-глицералдехид је арбитрарно (произвољно) обележен као D-облик (лат. dexter = десно), а (–)-глицералдехид као L-облик (–OH група је лево у формули; лат. leaf = лево). Напомена: карбонилне групе (алдехиди, кетони, карбоксилне киселине) у структури органског молекула увек се пишу на врху, а –CH2OH група (и аналози) на дну формуле.

› Енантиомери млечне киселине (2-хидроксипропанска киселина), важног метаболита у скелетним мишићима (поглавље 3): L-(+)-млечна киселина (лево) и D-(–) -млечна киселина јесу попут предмета и његовог лика у огледалу.

Старији начин означавања хиралних једињења осмислио је Емил Фишер, доделивши молекулима глицералдехида конфигурације (+) и (–): релативна конфигурација енантиомера. Глицералдехид је потом прихваћен као стандардни молекул према којем се одређујe конфигурација других хиралних је­ дињења. Хирални молекули исте конфигурације као (+)­глицералдехид добили су ознаку D-конфигурације, а супротни (–) ознаку L-конфигурације. L,D­ систем уобичајено се користи за обележавање стерео­ хемије у биомолекулима, као код моносахарида (једноставни шећери) и амино­киселина. Две конфигурације једног пара енантиомера по­ везује раван огледала.

› Структура L-(+)-винске киселине, која се налази у воћу и вину. Иако садржи два хирална угљеника, овај молекул не окреће раван поларизоване светлости. Наиме, постоји раван симетрије која молекул дели на две једнаке половине: мезо-једињење (грч. mesos = средњи).

48 Макромолекули живота

Научник у фокусу Херман Емил Фишер (Hermann Emil Fischer) (1852–1919) био је немачки хемичар. Докторирао је на Универзитету у Стразбуру, а потом радио као професор у Берлину. Између осталог, изучавао је и стереохемију шећера: открио је и описао 16 изомера алдохексоза. Први је за приказивање просторног распореда атома у органским молекулима користио пројекционе формуле. Нобелову награду из хемије добио је 1902. год., „као признање за изванредне заслуге које је пружио својим радом на синтези шећера и пурина”, како је наведено у образложењу Шведске краљевске академије наука.

Смеша која садржи је�наке количине енантиомера назива се рацемат. Рацемска смеша није оптички активна (не ок­ реће раван поларизоване свет­ лости) и означава се са (±) или L,D, нa пример L,D­2­бутанол. Уколико у неком орган­ ском једињењу има више хи­ ралних (асиметричних) атома угљеника, потребно је одреди­ ти апсолутне конфигурације сваког од њих.1

Питања и задаци за утврђивање и проверу знања 1. Шта су изомери и које све врсте изомера налазимо у структури органских једињења?

2. Својим речима дефинишите хирални и ахирални објекат (молекул или предмет).

3. Који од наведених предмета су хирални: ципела, коцка, радни сто, квака на вратима? На који начин ћете то да установите?

4. Шта су енантиомери и по чему се они разликују?

5. Фишеровим пројекционим формулама нацртајте све изомере винске киселине. Обележите звездицама све хиралне угљеникове атоме и означите парове енантиомера и дијастереомера.

6. Приказане су структурне формуле два природна производа. Одредите њихове релативне конфигурације према L-глицералдехиду и D-глицералдехиду. Образложите свој одговор. шећер фруктоза аминокиселина 7. Представите клинастим структурним формулама: цистеин (а) 2-амино бутанску киселину; (б) хептан-3-ол; (в) 2-бром-2-хидроксипропанал.

8. Оптички активно једињење А има специфичан угао окретања поларизоване светлости од –60°. Колики би био угао окретања за једињење Б, које је слика у огледалу А, а колики за смешу једнаких количина А и Б? Образложите одговоре.

9. Талидомид (енгл. thalidomide) био је популаран лек у западној Немачкој 60-их година прошлог века. Узимале су га труднице како би смањиле јутарњу мучнину и повраћање. Истражите у литератури и/или на интернету зашто је убрзо забрањено његово коришћење и какве је то везе имало с хиралном структуром овог једињења.

1

Док релативна конфигурација описује просторни распоред атома и група везаних за хирални центар у поређењу са референтним молекулом глицералдехида, апсолутна конфигурација прецизно описује позиције супституената на сваком асиметричном центру у молекулу. Најчешћи метод за означавањe апсолутне конфигурације користи дескрипторе R (латински: rectus = десно) или S (латински: sinister = лево) и заснива се на Кан–Инголд–Прелоговим правилима приоритета (погледати у уџбеницима из органске хемије).

ХЕМИЈА 4 49

2.1. УГЉЕНИ ХИДРАТИ Зашто угљени хидрати дају снагу и штите живе системе?

Када проучите садржај ове целине, сазнаћете: • које биомолекуле називамо угљени хидрати; • како класификујемо молекуле угљених хидрата; • шта су алдозе, кетозе, пиранозе и фуранозе, полуацетали и ацетали; • шта су аномери, епимери и мутаротација; • који шећери су редукујући, а који нередукујући; • структуру и својства најраспрострањенијих угљених хидрата у природи; • какве улоге угљени хидрати имају у живим системима и животу човека; • структуру и значај синтетичких полимера у животу човека.

50 Макромолекули живота

УВОД

Назив угљени хидрати потиче с почетка 19. века, када се погрешно сматрало да су то органска једињења опште формуле: Cn(H2O)n. Назив је задржан, уз употребу и термина сахариди (лат. saccharum = сладак) и шећери. Угљени хидрати су најраспрострањенији природни производи на Земљи и чине већину органске материје у биосфери. Они настају у зеленим биљкама, алгама и цијанобактеријама у процесу фотосинтезе, где помоћу сунчеве светлости (грч. fos = светло) из угљеник(IV)­оксида и воде настаје молекул глукозе и кисеоник, који се ослобађа у атмосферу. енергија кисеоник вода

шећер угљен-диоксид

› Фотосинтеза је процес у коме биљке користе сунчеву светлост, воду и угљен-диоксид, помоћу хлорофила из листова, за стварање кисеоника и енергије у облику шећера. Без фотосинтезе живот на Земљи какав познајемо не би био могућ.

У организму човека угљени хидрати пре свега служе као енер�е�ско �ориво и извор резерви енер�ије. Глукоза се низом метаболичких процеса оксидативно разлаже до CO2 и H2O (одељак 3), уз ослобађање енергије, коју тело користи за своје потребе. Рибоза и дезоксирибоза основни су састојци нуклеинских киселина (одељак 2.4), биомолекула одговорних за наследне карактеристике живих система. Угљени хидрати имају и незаменљиву с�рук�урну уло�у. Целулоза, која изграђује ћелијски зид биљака, главна је компонента дрвенастих делова стабала, стабљика биљака и траве. Мукополисахариде налазимо у ћелијском зиду бактерија, хитин у егзоскелету ракова и ћелијском зиду гљива, а гликопротеине у биолошким мембранама. Храна богата угљеним хидратима је значајан део здраве исхране. Извор угљених хидрата који бирамо за исхрану је важна, некада више и од укупне количине, пошто су једни извори шећера здравији од других. На пример, здраве, интегралне житарице, као што су хлеб од целог зрна пшенице, раж, јечам и киноа, бољи су избор од високо рафинисаног белог хлеба или помфрита.

ХЕМИЈА 4 51

Подела угљених хидрата Хемијски најједноставнији угљени хидрати у структури својих молекула имају �ри атома угљеника, док су најсложенији изграђени од неколико хиља�а угљеникових атома. На основу броја мономерних јединица које улазе у састав молекула, угљене хидрате уобичајено класификујемо на моносахариде, олигосахариде и полисахариде.

Моносахариди су једноставни угљени хидрати, пошто не хидролизују у мање мо­ лекуле, који би и даље имали својства угљених хидрата. Изграђени су од једног молекула (грч. mono = један) који садржи од три до десет атома угљеника. У природи су најра­ спрострањенији моносахариди са пет и шест атома угљеника. Повезивањем најмање два, а највише девет молекула моносахарида настају кратки ланци угљених хидрата, које називамо олигосахариди (грч. oligos = мален). У природи доминирају дисахариди (два повезана молекула моносахарида). Због свог слатког уку­ са, моносахариде и дисахариде називамо и шећери. Шећери се добро растварају у води, што је физичко својство од кључног значаја за њихове улоге у живим системима. Структурно најсложенији угљени хидра­ ти јесу полисахариди (грч. polys = многи), чији биополимер садржи најмање десет повезаних молекула моносахарида. Поли­ сахариди нису слатког укуса и већина се у води лоше или никако не раствара. Због сложене структуре, најчешће не ко­ ристимо системске (према IUPAC номенкла­ тури), већ тривијалне називе угљених хи­ драта. Тривијални називи већине угљених хидрата имају карактеристичан суфикс ­оза (глукоза, фруктоза, сахароза, целулоза).

УГЉЕНИ ХИДРАТИ

моносахариди

дисахариди

полисахариди

глукоза фруктоза галактоза

сахароза лактоза трехалоза

скроб целулоза гликоген

› Основна подела и примери угљених хидрата у природи

2.1.1. МОНОСАХАРИДИ

M

оносахариди су најједноставније јединице (градивни блокови) сложенијих угље­ них хидрата и најједноставнији облик шећера у природи. Моносахариди су чврста кристалнa jедињења, беле боје или безбојна. Растворљиви су у води, а нерастворљиви у неполарним растварачима. Већина моносахарида има сладак укус.

Структурa моносахарида

Моносахариде уобичајено класификујемо према броју атома угљеника у молекулу. Природни моносахариди садрже од три до седам С­атома. Према томе, редом разликује­ мо триозе, тетрозе, пентозе, хексозе и хептозе.1 1

Моносахариди са више о� се�ам атома угљеника у молекулу (октозе, нонозе и декозе) веома су ретки у природи и нису стабилни.

52 Макромолекули живота

алдозе (m = 1 - 5)

кетозе (n = 0 - 4)

Слика 2.1.1. – Општа структура моносахарида: алдозе (алдехидна група у молекулу) или кетозе (кето-група), с различитим бројем (3–7) угљеникових атома

Молекул моносахарида увек садржи једну карбонилну и најмање две хидроксилне групе. Уколико је карбонилна гру­ па на �оче�ку ланца атома угљеника, тј. молекул садржи ал­ дехидну групу (на C­1), такви моносахариди су алдозе. Ако се карбонилна група налази између два атома угљеника, тј. мо­ лекул садржи кето­групу (обично на C­2), такви моносахари­ ди су кетозе. Према томе, по свом хемијском сас�аву, моно­ сахариди су полихидроксилни алдехиди или полихидроксилни кетони (слика 2.1.1).

Комбинацијом два наведена начина поделе, на пример, моносахарид са шест атома угљеника у молекулу може да буде алдохексоза или кетохексоза. Најједноставнији моно­ сахариди су алдотриоза �лицерал�ехи� и кетотриоза �ихи�роксиаце�он. Алдотетроза ери�роза настаје у процесу фотосинтезе и полазно је је­ дињење за биосинтезу ароматичних амино­киселина. Најзначајније алдопентозе су рибоза и 2-дезоксирибоза, моносахариди који улазе у састав нуклеинских киселина (одељак 2.4). У природи моносахаридe ре�ко налазимо као слободна једињења, пошто се међусобно повезују у стабилне молекуле олигосахарида и полисахарида. Изузетак су најраспрострањеније хексозе, молекули глукозе (алдоза) и фруктозе (кетоза).

Са изузетком молекула дихидроксиацетона, у структури моносахарида присутан је најмање један хирални атом угљеника. Фруктоза у молекулу има три хирална центра (слика 2.1.2), што значи да постоји осам (23) стереоизомера. За обележавање стереохе­ мије моносахарида уобичајено се користе ознаке за њихову релативну конфигурацију (D,L систем). Договорено је да моносахарид припада D-серији уколико његова конфигу­ рација на хиралном центру који је најдаље од карбонилне групе одговара конфигура­ цији D­глицералдехида (слика 2.1.2).2 На исти начин, поређењем са L­глицералдехидом, утврђује се и припадност моносахарида L­серији. Огледало

L-глицералдехид

L-фруктоза

D-фруктоза

D-глицералдехид

Слика 2.1.2. – Обележавање релативне конфигурације моносахарида: структура L-фруктозе и D-фруктозе, приказана Фишеровим формулама. Ова два молекула су енантиомери (њихов однос је попут односа у коме се налазе предмет и његов лик у огледалу).

Према својој релативној конфигурацији, сви моносахариди у природи су D-шећери. Само D­шећери се даље повезују у молекуле сложенијих угљених хидрата и само њих живи системи користе као извор метаболичке енергије. Од 16 стереоизомера ал­ дохексоза (24) једна половина је из D­серије, а друга из L­серије. Фишерове формуле D­серије свих алдотриоза, алдотетроза, алдопентоза и алдохексоза приказане су на слици 2.1.3.

2

То је претпоследњи атом угљеника у Фишеровој пројекционој формули моносахарида.

ХЕМИЈА 4 53

1

2а

2б

3а

4а

3б

4б

4в

3в

4г

4д

3г

4ђ

4е

4ж

Слика 2.1.3 – Фишерове пројекционе формуле D-алдоза: (1) (+)-глицералдехид; (2a) (−)-еритроза; (2б) (−)-треоза; (3a) (−)-рибоза; (3б) (−)-арабиноза; (3в) (+)-ксилоза; (3г) (−)-ликсоза; (4а) (+)-алоза; (4б) (+)-алтроза; (4в) (+)-глукоза; (4г) (+)-маноза; (4д) (−)-гулоза; (4ђ) (−)-идоза; (4е) (+)-галактоза; (4ж) (+)-талоза.

У структури D­алдоза постоје дијастереоизомерни парови чија се конфигурација разликује само на је�ном хиралном центру. Ове шећере називамо епимери. D­глукоза и D­маноза (слика 2.1.4) јесу епимери на другом атому угљеника (C­2 епимери), док су D­ глукоза и D­галактоза C­4 епимери (слика 2.1.4), пошто је то једини асиметрични центар различите кофигурације у структури ових молекула.

Хемијска својства моносахарида

У кристалном стању, у воденим растворима и у живим системима, структура пентоза и хексоза није раван ланац, тј. отворени облик са слободном ал­ дехидном или кето­групом у молекулу, како приказују Фишерове формуле (сли­ ке 2.1.1–2.1.4). Насупрот томе, налазимо равно�ежну смешу хемијски различитих молекула, у којој доминирају (> 99%) циклични облици шећера. Они настају као производ реакције између карбонилне групе и једне од хидроксилних група у молекулу пентозе или хексозе. У овој ре­

C-2 епимери

D-маноза

C-4 епимери

D-глукоза

D-галактоза

Слика 2.1.4. – Примери епимерних моносахарида: D-маноза и Dгалактоза су епимери D-глукозе.

54 Макромолекули живота

акцији из алдоза настају одговарајући полуацетали, а из кетоза полукетали. Цикличне структуре шећера уобичајено се приказују Хејвортовим пројекционим (перспек­ тивним) формулама. Полуацетал (хемиацетал) јесте једињење настало у реакцији алдехидне групе једног молекула с хидроксилном групом из истог или другог молекула. У реакцији насталог полуацетала са још једном хидроксилном групом неког другог молекула добија се ацетал. По аналогији, у реакцији кетона и алкохола настају полукетали (хемикетали), односно кетали.

Данас се у органској хемији о кеталима говори као о посебном типу ацетала. Ацетали се дефинишу као органски молекули опште структуре R2C(OR')2 (R' ≠ H) и стога диетри геминалних диола. Геминални диол је свако органско једињење које садржи две хидроксилне групе везане за исти атом угљеника.

алдехид

алкохол

хемиацетал

кетон

алкохол

хемикетал

› Настајање полуацетала (горе) и полукетала

Моносахариди граде петочлане и шесточлане цикличне полуацетале. Ове стру­ ктуре се према аналогији с хетероцикличним једињењима фураном (петочлани пр­ стен) и пираном (шесточлани прстен) означавају као фуранозни или пиранозни облик моносахарида. У структури глукозе (алдохексоза) доминира шесточлани пиранозни прстен, који настаје када се хидроксилна група везана за пети атом угљеника адира (дода) на алде­ хидну групу. Осим овог цикличног полуацетала, где су C­1 и C­5 повезани преко атома кисеоника, у раствору се у равнотежи налази и отворени облик, као и петочлани фура­ нозни прстен молекула глукозе (слика 2.1.5). У раствору фруктозе (кетохексоза) доми­ нира петочлани фуранозни прстен, циклични �олуке�ал који настаје у реакцији између хидроксилне групе смештене на положају C­5 и карбонилне кето­групе на положају C­2 (слика 2.1.6).

Хемијском реакцијом стварања полуацетала или полукетала карбонилни атом угљеника (C­1 алдоза или C­2 кетоза) постаје асиметрично супституисан и обележава се као аномерни угљеник. С обзиром на �оложај хидроксилне групе на новонасталом хиралном центру, могућа су два стереоизомера, чија се конфигурација означава са α (ис�о� замишљене равни прстена) и β (изна� прстена). Молекули α-D-глукопиранозе од молекула β-D-глукопиранозе разликују се само по конфигурацији на аномерном угљениковом атому (слика 2.1.5), тако да су ова два молекула аномери. И у воденом раствору D­фруктозе налазимо у равнотежи аномерне облике (α и β) различитих физич­ ких својстава.

С обзиром на то да већина моносахарида у природи постоје као циклични хемиацетали у равнотежи са својим алдехидним или кетонским облицима отвореног ланца, моносаха­ риди подлежу реакцијама уобичајеним за алдехиде и кетоне, алкохоле и полуацетале.

ХЕМИЈА 4 55

Слика 2.1.5. – Полуацетални облици D-глукозе у раствору: (1) α-D-глукопираноза; (2) β-D-глукопираноза; (3) α-D-глукофураноза; (4) β-D-глукофураноза; (5) линеарни молекул D-глукозе.

Слика 2.1.6. – Полуацетални облици D-фруктозе у раствору: (1) α-D-фруктофураноза; (2) β-D-фруктофураноза; (3) α-D-фруктопираноза; (4) β-D-фруктопираноза; (5) линеарни молекул D-фруктозе.

56 Макромолекули живота

Пажљивом кристализацијом, из воденог раствора могу да се раздвоје α-облик и β-облик D-глукозе. Ова два аномера имају различити угао окретања равни линеарно поларизоване светлости (тзв. специфична ротација). Чиста α-D-глукопираноза у води ротира поларизовану светлост за +112°. Стајањем раствор полако подлеже промени угла ротације до +52,7°. И у свеже припремљеном раствору чисте β-D-глукопиранозе мења се угао окретања поларизоване светлости, од +18,7°, што је почетна вредност, на +52,7°. Промена угла окетања линеарно поларизоване светлости назива се мутаротација. Она се јавља када аномерни положај (C-1) промени своју конфигурацију између α-облика и β-облика у хемиацеталном прстену. У изабраном примеру, мутаротација је последица преласка α-Dглукозе у β-D-глукозу преко отвореног (алдехидног) облика и vice versa.

1

α-D-глукопираноза (температура топљења 146°C)

D-глукоза

β-D-глукопираноза (температура топљења 150°C)

› Мутаротација је разлика у специфичној ротацији линеарно поларизоване светлости, услед промене равнотеже између два аномера у раствору.

Када се у раствору постигне равнотежа између три облика структуре неког шећера (два аномера и отворени ланац), угао окретања поларизоване светлости поприма сталну вредност. Равнотежна смеша у раствору D-глукозе садржи око 36% α-D-глукопиранозе и 64% β-D-глукопиранозе и показује карактеристичну специфичну ротацију од +52,7°.

Епимеризација моносахарида Једно од ограничења хемије угљених хидрата јесте немогућност модификације струк­ туре моносахарида коришћењем алкалних (базних) реагенса, због њихове тежње да ка­ тализују реакцију епимеризације до епимерних моносахарида.

D-глукоза

енолат

D-маноза

› Базом-катализована епимеризација молекула глукозе. У енолату (међупроизвод реакције) С-2 атом није хиралан.

ХЕМИЈА 4 57

Изомеризација моносахарида Базом катализовано преуређење структуре моносахарида доводи и до премештања карбонилне групе горе и доле у ланцу угљеника. Ако се енолатни јон, настао уклањањем протона са С­2, репротонује на кисеоник (С­1 положај), настаје ендиолни међупроизвод. Кето­енолни таутомеризам ендиола oд D­глукозе даје D­фруктозу (2­кетозу). кето-енолно премештање

D-глукоза

енолат

ендиол

D-фруктоза

› Базом катализовани реаранжман D-глукозе у D-фруктозу

Редукција моносахарида Под одговарајућим условима, алдозе и кетозе се редукују до одговарајућих алкохола (полиоли), који се називају шећерни алкохоли или алдитоли и обично имају сладак укус. Глу­ цитол, манитол и ксилитол често се користе као природни заслађивачи и хидратантна средства у козметичким произво­ дима. Сорбитол (глуцитол) представља важан састојак за син­ тезу витамина С. За разлику од индустријски произведених конзумних шећера, алдитоли не стимулишу зубни каријес.

Реакција добијања алдитола дешава се редукцијом мале ко­ личине алдехида који је у раствору у равнотежи с цикличним хемиацеталом. Како се алдехид троши, равнотежа се помера удесно, док се сав шећер не изредукује. Пример редукционог средства је на�ријум-борхи�ри� у слабо алкалном раствору.

ксилоза

ксилитол

› Редукција моносахарида до алдитола, на примеру молекула ксилозе. Ксилитол смањује нивое бактерија које изазивају зубни каријес, а делује и против неких бактерија које изазивају инфекције уха. Дoдаје се у жвакаће гуме и бомбоне „без шећера”. Индустријска сировина за добијање ксилитола је лигноцелулозна маса богата ксиланима.

Оксидација моносахарида

Пошто су циклични хемиацетални облици шећера у равнотежи с малом количином отвореног ланца, алдехидна група у молекулу може да се оксидује, уз добијање монокар­ боксилне алдонске киселине. Оксидација алдоза толико je лака да оне реагују са сасвим бла�им окси�ационим а�енсима, као што су: Толенов реагенс (амонијачни раствор Ag+), Фе­ лингов реагенс (Cu2+ у комплексу с тартaратним јоном), Бенедиктов реагенс (Cu2+ у ком­ плексу с цитратним јоном) и оксидазе (ензими који катализују реакцију оксидације). У присуству јаких оксидујућих агенса (нпр. разблажена азотна киселина) настају ди­ карбоксилне алдарне киселине. Шећери у којима је хидроксилна група нају�аљенија од карбонилне групе оксидована у карбоксилну киселину јесу уронске киселине. Оне имају у молекулу и карбонилну и карбоксилну групу. Структуре поменутих једињења, на примеру оксидације молекула глукозе, приказане су на следећој страни. Редукција јона метала (нпр. сребра и бакра) основ је бојених �ес�ова у аналитици тзв. редукујућих шећера (поглавље 5.1).

58 Макромолекули живота

глуконска киселина

глукарна киселина

глукуронска киселина

› Слаба оксидујућа средства преводе D-глукозу у глуконску киселину (оксидација алдехидне групе). Дејством јаких оксидујућих агенса из глукозе настаје глукарна киселина (оксидација алхехидне и примарне хидроксилне групе у молекулу). Глукуронска киселина (у води у облику лактона, тј. цикличног естра) настаје у телу човека као квантитативно споредан производ метаболизма глукозе. Она учествује у реакцијама детоксификације ксенобиотика (страних супстанци) и део је структуре полисахарида гликозаминогликана.

Грађење гликозида (ацетала) Код цикличних облика молекула моносахарида могуће је замени�и аномерну хидроксилну групу. Производе таквих реакција супституције означавамо као гликозиде или ацетале, а насталу везу као гликозидну везу, тачније, О–гликозидну везу, пошто се остварује преко атома кисеоника. О–гликозидном везом молекули моносахарида повезују се у олигоса­ › Структурна формула пеларгонидинa хариде и још сложеније полисахариде (одељци 2.1.2 и 2.1.3). Уколико супституент није шећер, он се нази­ ва агликон. У природи је нађен велики број агликона, на пример �елар�они�ин, црвени пигмент из цветова руже и мушкатле.

N­гликозидну везу налазимо у структури нуклеотида, градивних блокова нуклeин­ ских киселина (одељак 2.4). Док се Фишерове пројекције користе за приказивање структуре шећера у њиховом отвореном облику, Хејвортовим пројекцијама приказујемо шећере у њиховим цикличним облицима, што је погодан начин да се покаже стереохемија молекула моносахарида. За приказивање конформације (3D структуре) моносахарида и других шећера пиранозни прстен се представља у облику столице (тзв. конформација столице).

Хејвортова пројекција

конформација столице

› Три различита приказа структуре β-дијастереомерног цикличног (полуацеталног) облика глукозе

Конформација столице је најстабилнија циклична структура алдохексоза, с најнижим садржајем енергије. Није случајно да је D-глукоза најраспростањенији шећер у природи, поготову у β-аномерном облику, у коме су све хидроксилне групе у молекулу у (термодинамички) повољнијем, тзв. екваторијалном положају.

ХЕМИЈА 4 59

Најважнији природни моносахариди Глукоза (грч. glukus = сладак) назива се и крвни шећер, грожђани шећер и декстроза. To је бела кристална супстанца слатког укуса, добро растворљива у води (91 g/100 mL на 25 °C). У при­ роди срећемо D­глукозу, која окреће поларизова­ ну светлост у смеру казаљке на сату (+) и у воде­ ном раствору се налази као смеша аномера α­D­ глукопиранозе и β­D­глукопиранозе. У слободном облику глукозу налазимо у воћу, поврћу и меду, гликозидно везану у саставу многобројних оли­ госахарида и полисахарида. Глукоза је најважнији извор енергије за организам човека, посебно за мозак и ћелије крви (поглавље 3).

Фруктоза (грч. fructus = плод), или воћни › У намирнице природно богате чистом глукозом убрајашећер, јесте кетохексоза исте молекулске фор­ мо мед, агаву, меласу, воће (нпр. грожђе, банане, смокве), свеже и сушено, воћне сокове и кукуруз шећерац. У умеремуле као и глукоза (C6H12O6), али другачије ним количинама ове намирнице су здраве, као део уравструктуре (слика 2.1.2). У раствору се у равноте­ нотежене исхране, нарочито свеже воће. жи налазе два аномера D­фруктозе. Фруктоза је најслађи природни моносахарид, боље се раствара у води од глукозе (~ 3750 g/L на 25 °C) и окреће поларизовану светлост у смеру супротном од казаљке на сату (–). Природни извори чисте фруктозе су воће, поврће (нпр. лубенице) и мед. Јабуке и крушке садрже око два пута више фруктозе од глукозе, док кајсије, на пример, имају двоструко мањи садржај фруктозе од глукозе. Фруктозу налазимо у дисахариду сахарози, а индустријски се добија од шећерне трске, шећерне репе и кукуруза. Фруктоза се у јетри претвара у глукозу, што повећава концентрацију глукозе у крви.

0g

3g

лимун 7,5 g

боровнице

6g

јагоде

малине 8g

4g

9,5 g

урме

брескве 32 g

јабуке

манго

› Количина фруктозе (у грамима) у шољи наведеног воћа

Галактоза (грч. galact = млеко) ретко се у природи налази слободна (D­галактопира­ ноза). Она је углавном део дисахарида лак�озе и неких полисахарида (галактани, араби­ но­галактани, пектин). Поред тога, галактоза се уграђује у галактолипиде, важне струк­ турне елементе централног нервног система. Структура молекула галактозе слична је структури молекула глукозе (алдохексозе) – разлика је само у положају једне хидро­ ксилне групе (слика 2.1.4). Ипак, због ове мале разлике у структури галактоза и глукоза имају различита хемијска и биолошка својства.

60 Макромолекули живота

2.1.2. ОЛИГОСАХАРИДИ

П

овезивањем молекула моносахарида настају кратки ланци олигосахарида са два остатка до десет остатака шећера. Хемијска реакција кондензације остварује се пре­ ко �олуаце�алне хидроксилне групе моносахарида. Током варења хране у дигестивном тракту олигосахариди се под утицајем хидролитичких ензима разлажу на једноставне моносaхариде. Најједноставнији олигосахариди су дисахариди, најчешће састављени од два молекула хексозе опште формуле C12H22O11. Обрадићемо укратко индустријски најважније дисахариде.

Сахарозу или стони шећер користимо у исхрани. То је најзаступљенији дисахарид у природи, бела кристална супстанца растворљива у води (~ 200 g/dL на 25 °C). Сахароза се индустријски добија из сока шећерне репе или шећерне трске, процесом рафинирања и кристализације. Хидролизом гликозидне везе у молекулу сахарозе настају молекули глукозе и фруктозе.3 Два моносахарида су повезана преко својих аномерних атома: C­1 атом глукозе и C­2 атом фруктозе. Према томе, у структури молекула сахарозе (слика 2.1.7) налазимо 1,2­гликозидну везу: конфигурација на аномерним центрима је α (оста­ так глукозе) и β (остатак фруктозе). Сахароза није редукујући шећер, будући да у струк­ тури молекула нема слободну реактивну аномерну (полуацеталну) хидроксилну групу.

Слика 2.1.7. – Хејвортов приказ структуре молекула сахарозе (Glc(α1—β2)Fru; α- D - гл у ко п и р а н оз и л - β- D фруктофуранозид). Шећерна репа (Beta vulgaris) јесте уобичајени индустријски извор сахарозе на Балкану.

Лактоза или млечни шећер је дисахарид у млеку сисара. Млеко жена садржи око 7,5 g/100 mL лактозе, више у поређењу с млеком крава (око 5 g/100 mL). У структури лакто­ зе су молекули галактозе и глукозе повезани β(1→4) гликозидном везом (слика 2.1.8). Лактоза је редукујући шећер, пошто у молекулу има слободну полуацеталну (аномерну) групу која потиче од глукозе. Сви млечни производи садрже лактозу, која се током ва­ рења хране помоћу ензима лактазе разграђује на моносахариде. Неким људима у систе­ му органа за варење недостаје овај ензим, па не могу да сваре лактозу, због чега долази до пробавних сметњи (грчеви у стомаку). Они би у исхрани требало да користе млеко без лактозе и старе сиреве са занемарљивом количином лактозе.4 3

4

Смеша једнаких количина глукозе и фруктозе настала хидролизом сахарозе назива се инвертни шећер („вештачки мед”). Име је настало због чињенице да ова смеша заокреће поларизовану светлост (улево) у супротном смеру од сахарозе (удесно).

Млеко и млечни производи садрже хранљиве састојке, витамине и минерале неопходне за све функције нашег тела. Млеко без лактозе је млеко с разграђеном лактозом помоћу ензима лактазе, који се додаје у процесу производње. Током процеса сазревања (старења) сирева, лактоза прелази у млечну киселину: након 18 месеци до 24 месеца стари сиреви најчешће више не садрже млечни шећер.

ХЕМИЈА 4 61

Слика 2.1.8. – Хејвортов приказ структуре молекула лактозе (D-галактопиранозил-(1�4)D-глукоза). Таласаста линија означава да није дефинисан аномерни облик шећера. Паковање млека без лактозе (десно)

Малтоза или слад није природни дисахарид. Настаје непотпуном ензимском хидро­ лизом молекула скроба и гликогена. Eнзим амилаза разлаже полимерне ланце скроба до малтозе. Хидролизу малтозе до два молекула D­глукозе катализује ензим мал�аза. У молекулу малтозе молекули глукозе су повезани α(1→4) гликозидном везом (слика 2.1.9). Малтоза је значајан извор енергије при клијању семена, као и важна сировина за индустрију пива. Добијена из житарица (најчешће јечма), малтоза се помоћу ензима из квашчевих гљивица претвара у глукозу, из које се алкохолним врењем добија етанол. Иако је пиво богат извор витамина В­групе (одељак 4.3), пијење пива и свих других ал­ кохолних пића дугорочно је штетно по здравље, посебно за младе мушкарце.5 Слика 2.1.9. – Хејвортов приказ структуре: (лево) малтозе (α-D-глукопиранозил-(1→4)D-глукопираноза) и (десно) целобиозе (β-D-глукопиранозил(1→4)-D-глукопираноза)

Целобиоза је дисахарид с молекулима глукозе повеза­ ним β(1→4) гликозидном везом (слика 2.1.9). Добија се де­ лимичном хидролизом полисахарида целулозе. Целобиоза нема већи значај за тело човека, пошто, као и целулозу од које потиче, наш организам не вари. Трехалоза је нере�укујући дисахарид састављен од два молекула глукозе који су повезани преко аномерних атома α(1→1) гликозидном везом (слика 2.1.10). Нађена је у мно­ гим врстама биљака, алги, гљива, бактерија и инсеката. Као веома стабилaн молекул, који одлично везује воду и упола је сладак у поређењу са сахарозом, трехалоза се ко­ ристи у индустрији хране (нпр. за продужење рока трајања намирница).

Слика 2.1.10. – Хејвортов приказ структуре (горе) и кристали (доле) природног шећера трахелозе (α-D-глукопиранозил-(1�1)-α-D-глукопиранозид) 5

Резултати најновијих научних студија (из 2022. године) показују да за људе од 15 до 39 година пијење алкохола не доноси никакву корист, a представља значајан ризик по здравље.

62 Макромолекули живота

2.1.3. ПОЛИСАХАРИДИ

П

олисахариди настају повезивањем и до неколико хиља�а моносахаридних једини­ ца О-гликозидним везама. За разлику од моносахарида, полисахариди су слабо рас­ творљиви у води, не кристалишу, нису слатки и не показују редукујућа својства. Разликују се по врсти везаних моносахарида, типу веза између моносахарида, као и по томе да ли су полимерни ланци линеарни (равни) или разгранати. Ланци хомополисахарида из­ грађени су од истих јединица мономера. У живим системима они су важни елементи структуре ћелија или залихе метаболичке енергије. D­глукоза је основна градивна једи­ ница најважнијих природних полисахарида: скроба, гликогена и целулозе.

Скроб је биљни полисахарид, бели прах који биљка складишти као резерву метабо­ личке енергије у облику ситних зрнаца у плодовима (житарице, пасуљ, грашак), у крто­ лама (кромпир) или у корену (шаргарепа). С јодом даје тамноплаво сложено једињење (поглавље 5.1). Скроб који користимо у исхрани је смеша два различита полимера D­глу­ козе: амилозе и амилопектина (слика 2.1.11). Амилоза је линеаран, неразгранати по­ лимер, састављен од 200 до 2.000 молекула глукозе повезаних α(1→4) гликозидном везом. Дуги ланци амилозе у води попримају облик завојнице (хеликса), са шест оста­ тaка глукозе по једном навоју. Амилоза је мање заступљени састојак скроба (око 20% масе) и раствара се у врућој води. Амилопектин је разгранати полимерни молекул, који чини око 80% природног скроба и не раствара се у води. Основни, линеарни ланац та­ кође образују молекули глукозе, повезани α(1→4) гликозидном везом. За овај ланац, на сваких 25 до 30 остатака глукозе, вежу се бочни ланци глукозе преко α(1→6) веза.

Слика 2.1.11. – Полисахарид скроб је смеша два полимера глукозе: амилозе, линеарне структуре (лево), и амилопектина, разгранате структуре (десно).

Скроб и производи од скроба су основне прехрамбене намирнице у исхрани човека (20–40% калоријског уноса). Делимичном разградњом скроба у води настаје смеша растворних производа, које називамо декстрини. Потпуном (ензимском или киселом) хидролизом скроба настаје глукоза, чије присуство у хидролизату може да се докаже и позитивним Фелинговим тестом (одељак 5.1). Варење скроба одвија се деловањем ензи­ ма α­глукозидаза, као што је амилаза, која настаје у пљувачним жлездама и у панкреасу. Гликоген је резервни полисахарид у животињским организмима. У телу човека гра­ нуле гликогена пре свега се налазе у јетри и мишићима (поглавље 3). Основни линеарни ланци D­глукозе повезани су у гликогену α(1→4) гликозидним везама. На сваких 7–11 остатака глукозе долазе гране, повезане α(1→6) гликозидним везама за основни ланац. Према томе, структура гликогена је слична амилопектину, с тим што је гликоген разгра­ натији молекул (слика 2.1.12).

ХЕМИЈА 4 63

› Намирнице богате полисахаридом скробом: тестенина, кромпир и пиринач

Наше тело с�вара гликоген из молекула глукозе у метаболичком процесу гликогенезе, а разлаже гликоген до молекула глукозе у процесу гликогенолизе. У јетри су син­ теза и разградња гликогена регулисане како би се одржавала концентрација глукозе у крви, то јест да би се задовољиле потребе свих органа за глукозом. Насупрот томе, син­ теза и разградња гликогена у мишићима регулисане су искључиво како би мишићи има­ ли довољно енергије за рад (контракцију). Хормони глукагон и адреналин стимулишу претварање гликогена у глукозу када се смањи њен садржај у крви. Адреналин и у ми­ шићима повећава разградњу ускладиштених молекула гликогена.

Слика 2.1.12. – Илустрација разгранате структуре полисахарида гликогена (лево). Основа структуре природног полимера гликогена: молекули D-глукозе повезани α-гликозидним везама (десно).

Целулоза је главни структурни полисахарид биљака и једно од најраспрострање­ нијих органских молекула у биосфери. Изграђује ћелијски зид биљних ћелија: највише је има у памучним влакнима и дрвету, из којих се индустријски добија. Молекули глукозе повезани су β(1→4) гликозидном везом у нераз�рана�е ланце целулозе (слика 2.1.13), који се састоје од око 10.000 до 15.000 остатака глукозе. Ланци целулозе међусобно се повезују водоничним везама, градећи чврста целулозна влакна, нерастворна у води. Због тога овај природни полимер има разноврсну употребу. Из целулозе се добијају разне врсте папира, вата, тканине, полусинтетичка влакна, биогориво. Дрвенасти део биљке садржи 30–40% целулозе; плодови биљке памук обрасли целу­ лозним влакнима најважнија су сировина у текстилној идустрији. Дигестивни тракт чо­ века и већине сисара нема ензим који би разградио целулозу до глукозе, тј. раскинуо β(1→4) везу. Упркос томе, целулоза је неопходна у исхрани човека, пошто повећава

64 Макромолекули живота

запремину хране и позитивно утиче на перисталтику (рад) црева. Желудац животиња из групе биљоједа преживара садржи симбиотске микроорганизме који помажу варење биљне хране, јер садрже ензиме целулазе.

Слика 2.1.13. – Основни, понављајући мотив у структури целулозе: два остатка D-глукозе повезана β-гликозидном везом. Памук (плод истоимене биљне врсте) садржи више од 90% целулозе (десно).

Оно што је целулоза у биљном свету, то је хитин у животињском. Хитин је главни полисахарид који изграђује тврди оклоп инсеката и ракова. Линеарни полимерни хитин састоји се од мономерних јединица D-амино-шећера којe се повезују β-гликозидним везама. Амино-шећери су моносахариди код којих је хидроксилна група (најчешће на C-2) замењена амино-групом. Амино-шећери су значајни и за организам човека.

N-ацетил-β-D-галактозамин део је структуре хондроитин-сулфата, полисахарида који изграђује хрскавицу (нпр. зглобова), врсту потпорног везивног ткива. β-Dглукозамин улази у састав антикоагуланса хепарина, средства за спречавање процеса коагулације (згрушавања) крви.

› Структура N-ацетил-α-D-глукозамина, амино-шећера који полимеризацијом даје хитин, полисахарид од кога је изграђен оклоп ракова.

У ФОКУСУ. – Вештачки полимери у нашем свакодневном животу Масовна производња синтетичких органских полимера започиње после Другог свет­ ског рата. Данас синтетичке полимере („пластику”) налазимо свуда: одевни предмети, боце, амбалажа, играчке, предмети од гуме, намештај, кућишта електронских уређаја (рачунари, телевизори, мобилни телефони), делови превозних средстава. Друго лице коришћења полимера огледа се у томе да смо затрпани огромним количинама различи­ тих врста пластике, материјала који нису биоразградиви за кратко време и највише за­ гађује животну средину. У зависности од врсте мономера и начина њиховог повезивања добијају се синтети­ чки полимери најразличитијих својстава. Пластомери при загревању омекшавају или се топе, што омогућује њихово лако обликовање. Дуромери (дуропласти) густо су умре­ жени полимери, чији велики број попречних веза даје чврстину, тврдоћу и отпорност на повишене температуре. Еластомере одликује мањи број попречних веза између ланаца, због чега се развлаче под утицајем спољне силе.

ХЕМИЈА 4 65

Према врс�и хемијске реакције повезивања мономера у полимер, разликујемо ади­ ционе и кондензационе полимере.

Адициони полимери најчешће настају повезивањем молекула алкена као мономера и најзаступљенији су у свакодневном животу људи. Полимеризацијом етена (ранији на­ зив етилен) настаје полиетен (полиетилен, PE), мекан и савитљив материјал мале густи­ не, који се користи за израду кеса за смеће, фолија и боца. Полипропен (полипропилен, PP) има већу тачку топљења од полиетена и употребљава се за израду предмета које тре­ ба загревати или прати на повишеној температури. Од полипропена се праве теписи, играчке, пластични предмети за домаћинство и обућа. Полимеризацијом винил­хлорида најстаје поливинил­хлорид (PVC), који се користи у грађевинарству (за израду прозор­ ских оквира, врата, ролетни, подних и зидних облога), у електроиндустрији (за изолацију електричних каблова), као и у производњи амбалаже (фолије, боце, посуде). Сви наведе­ ни хомополимери нису растворљиви у води. Природна гума или каучук добија се из ла­ текса, беле течности коју излучује кора дрвета каучуковца. Додатком сумпора природној гуми (поступак вулканизације), уз загревање, добија се чвршћи и еластичнији материјал који не омекшава при повишеној температури, а при хлађењу задржава флексибилност и еластичност. Аутомобилске гуме су најзначајнији производ направљен од овог полимера, изграђеног од мономерних јединица изопрена (2­метил­1,3­бутадиена). Потребе за гу­ мом су толико велике да су данас у употреби многе врсте синтетичких гума, као што је неопрен. Од неопрена, синтетичког полимера 2­хлоро­1,3­бутадиена (хлоропрен) израђују се ронилачка одела, лопте, гумене чизме и рукавице и други предмети.

› Комерцијални производи од полиетена (лево) и најлона (десно)

Кондензациони полимери настају у реакцијама кондензације, током којих се издваја неки мали молекул, најчешће вода. Полиетилен­гликол се користи у медицини, али је и састојак крема, и паста за зубе и средстава за подмазивање. Кондензациони по­ лимери најчешће су ко�олимери: полиестри и полиамиди. Полиестри настају реакцијом естерификације диола (алкохоли са две хидроксилне групе у молекулу) и дикарбо­ ксилних киселина. Пример је линеарни полимер полиетилен-терефталата (PET), који се највише користи за израду пластичних боца. Молекули мономера у полиамидима повезани су амидним везама, насталим у реакцији дикарбоксилних киселина и диами­ на. Пример је најлон, дизајнерски полимер осмишљен и направљен као замена за скупо­ цену свилу. Женске чарапе „најлонке” незаменљив су додатак свакодневним одевним комбинацијама, нарочито када је хладно време.

66 Макромолекули живота

› Смеће и пластични отпад представљају велики еколошки проблем (лево). Контејнери за одвојено сакупљање отпада за рециклажу (десно).

Пластични отпад је велики еколошки проблем. Да би се пластичне боце разградиле у природи потребне су стотине година! Због тога научници раде на биоразградивој пластици, новим полимерним материјалима које би бактерије у природи могле да разложе до малих молекула који нису штетни.

Научник у фокусу

Норман Хејворт (Norman Haworth) (1883–1950) био је енглески хемичар. У за то време рекордном року стекао је звање доктора наука на Универзитету у Манчестеру. Утврдио је структуру већег броја терпена, а затим и шећера. Најпознатији је по својим, тзв. Хејвортовим пројекцијама структуре угљених хидрата, као и по истраживањима везаним за витамин С, за која је награђен Нобеловом наградом из хемије 1937. године. Награду је поделио са швајцарским хемичаром Паулом Карером (Paul Karrer), који је проучавао витамине А и B2, каротеноиде и флавинска једињења.

Питања и задаци за утврђивање и проверу знања 1.

Због чега се шећери (молекули моносахарида и дисахарида) добро растварају у води?

2. Класификујте и опишите сваки од молекула (А–Г) чија је структура приказана на слици.

А

Б

В

Г

3. Какви стереохемијски односи постоје између молекула А и Б и између молекула А и В? Структуре овако обележених молекула су дате на слици. Образложите свој одговор.

4. Нацртајте Фишерове пројекционе формуле изомерних 3-кетопентоза. Одредите да ли је сваки изомер хирални или ахирални молекул.

А

Б

В

ХЕМИЈА 4 67

5. Нацртајте структуру L-арабинозе, шећера присутног у неким антивирусним лековима, као и структуру C-3 епимера D-рибулозе. Изаберите један од начина за приказивање структуре ових молекула.

6. Проучите молекул приказане структуре и одредите све његове функционалне групе. Именујте једињења од којих може да настане ово једињење.

7.

Нацртајте Хejвортову формулу α-аномера пиранозне форме D-галактозе и формулу пиранозне форме D-манозе са β-конфигурацијом.

8. Нацртајте Фишерове пројекционе формуле L-галактозе и C-2 епимера L-еритрозе.

9. Колико стереоизомера садржe молекули D-глукозе и 2-дезокси-D-глукозе? Да ли су ове хексозе изомери? Образложите свој одговор. Дезокси шећери су шећери у којима је хидроксилна група замењена атомом водоника.

10. Дихидроксиацетон је састојак неких крема за самопотамњивање. Напишите Фишерову пројекциону формулу ове триозе. У коју групу изомера убрајамо дихидроксиацетон и D-глицералдехид?

11. Да ли су молекули малтозе, целобиозе и трeхалозе редукујући шећери? Образложите свој одговор.

12. Идентификујте дисахариде чија је структура приказана на слици. Образложите одговор.

13. Наведите сличности и разлике у структури између молекула гликогена и амилопектина, као и између целулозе и хитина.

14. Које од следећих једињења (А–В) подлеже мутаротацији? Образложите одговор.

А

Б

В

15. Оксидација D-еритрозе и D-треозе са HNO3 даје алдарне киселине, од којих је једна оптички неактивна. Којa? Образложите одговор.

16. Редукција D-фруктозе натријум-борхидридом (NaBH4) даје смешу два алдитола. Објасните зашто. Именујте оба алдитола.

17. Салицин (структура на слици испод лево) jeсте β-гликозид пронађен у кори неколико врста воћака. Одредите који шећер је производ хидролизе салицина.

18. Ванилин (структура на слици десно) јесте једињење од кога потиче карактеристична арома ваниле, због чега се користи као зачин у храни, парфемима и фармацеутским производима. У природи се налази као β-гликозид D-глукозе. Нацртајте структуру овог гликозида.

68 Макромолекули живота

Проблемски задаци за радознале и оне који желе да знају више 1.

Памук је најважније влакно у текстилној индустрији. Памучна влакна практично су чиста целулоза. У производњи тканина употребљавају се и влакна добијена хемијском прерадом целулозе: вискозна свила (вискоза, рајон) и ацетатна свила. Пронађите и напишите хемијске реакције на којима се заснива производња наведених полусинтетичких влакана.

2. Људска историја била би заборављена да нема књига. Први папир направљен је у Кини пре више од 2.000 година, коришћењем сировинa влакнасте структуре (бамбусове трске, памучне сламе, конопље, лишћа, памучних, ланених и свилених крпа). Целулоза је главна сировина за добијање папира. Истражите основе технолошког поступка за добијање папира за израду дневних новина (најнеквалитетнији) и папира за израду новчаница.

3. Рециклирање је издвајање неког материјала из отпада и његово поновно коришћење. Материјали који се рециклирају су и многе врсте папира, стакла, гуме, пластике, батерија и електронских компоненти. Истражите зашто је рециклирање важно и које су предности рециклирања папира. Где се налазе центри за рециклажу у вашем граду или општини?

4. Природни мед је права ризница драгоцених састојака („течно злато”), по нутритивној вредности на граници између хране и лека. Истражите хемијски састав багремовог меда и како медоносне пчеле праве овај укусан и здрав производ.

5. Шећери су молекули различите слаткоће. Пронађите и упоредите слаткоћу глукозе, фруктозе, галактозе, сахарозе, лактозе и малтозе. Који је од наведених шећера најслађи, а који најмање сладак? Да ли је млеко без лактозе слађе од обичног млека?

6. Сахарин и цикламат некада су се много користили као вештачки заслађивачи (замена за шећер) у пићима, бомбонама, колачима, пастама за зубе и лековима. У Краљевини Југославији је у јануару 1937. донета уредба о сузбијању кријумчарења сахарина, након чега је нагло порасла потрошња шећера у домаћинствима. Истражите негативне стране употребе сахарина и цикламата у исхрани човека.

7. Истражите којим се природним, а којим вештачким заслађивачима данас замењује шећер у популарним (не)газираним пићима. Каква је хемијска природа тих супстанци?

8. „Производња шећера” (шифра делатности број 1081) у опису је малог броја предузећа у Србији. Сазнајте у којим местима у нашој држави и даље раде фабрике за производњу шећера (шећеране). Истражите основе технолошког процеса за добијање шећера сахарозе смеђе и беле боје.

9. Пиво је једно од најстаријих и најчешће конзумираних алкохолних пића. Спомиње се у првом писаном законику вавилонског краља Хамурабија (1729‒1686. пре н. е.). Истражите значај житарица и њихових угљених хидрата у индустријском поступку производње пива. Да ли у крају у коме живите ради пивара? Уколико је изводљиво, нека наставник организује посету пивари, где ћете од технолога пиварства сазнати све тајне овог популарног пића.

10. Лепак је све што служи за лепљење, тј. спајање приањањем (адхезијом) делова од истих или различитих материјала. У непрехрамбеној индустрији скроб се највише употребљава као лепак у процесу израде папира. Сазнајте како се припрема скробни лепак.

11. Крвна група је наследни опис карактеристика плазмине мембране црвених крвних зрнаца (еритроцита). У зависности од присуства/одсуства одређених протеина (антигена) на површини еритроцита, постоји ABO и Rh систем крвних група. Kоја је ваша крвна група? Истражите улогу угљених хидрата у разликама између крвних група код људи и како се одређује крвна група неке особе.

12. Рафиноза је трисахарид, састојак меласе, тамне течности која настаје у индустријској производњи шећера. Сазнајте који моносахариди улазе у структуру овог шећера и како су они међусобно повезани.

13. Пронађите шта су мукополисахариди и гликопротеини и каква је њихова улога у, редом, структури ћелијског зида бактерија и плазминој мембрани.

14. Истражите и сазнајте: (а) којем бриљантном америчком хемичару се приписује откриће најлона?; (б) који полимер се користи за израду панцирских прслука и како се овај материјал добија?; (в) шта је микропластика и како она утиче на животну средину?

15. Један од хемијских тестова за откривање редукујућих шећера јесте и онај с фенилхидразином као реагенсом. Добијени озазони појављују се као жуто обојени кристали, карактеристичног облика, растворљивости, тачке топљења и времена формирања. Сазнајте који је хемијски принцип овог теста и зашто глукоза и маноза дају исти озазон.

ХЕМИЈА 4 69

2.2. ЛИПИДИ Зашто су липиди много више од на додир масних/уљаних или воштаних једињења?

Када проучите садржај ове целине, сазнаћете: • које биомолекуле називамо липиди; • шта су прости, а шта сложени липиди; • структуру, својства и биолошке улоге најзначајнијих липида за тело човека; • како се липиди примењују у свакодневном животу човека; • зашто (зло)употреба одређених липида може бити штетна по здравље.

70 Макромолекули живота

УВОД

Липид је општи хемијски назив за масно и масноће, реч преузета из грчког језика (lipos = маст). Термин липид први је употребио, 1943. године, немачки биохемичар Блор (Bloor) да означи све супстанце биолошког порекла које су нерастворљиве у води, али се растварају у неполарним растварачима, као што су етар, хлороформ или бензен, и на додир су масне. Једињења са овим својствима налазимо у свим биљним и животињским ћелијама, где имају различите улоге, од којих су најважније да изгра­ ђују ћелијске мембране, служе као метаболичко гориво и резерве енергије и учествују у преносу сигнала (информација).

Блор је направио први поделу липида, на просте, сложене и изведене. У просте липи­ де је убројио естре масних киселина с глицеролом (глицериди) или с дуголанчаним алкохолима (воскови и стероли), а у сложене једињења која осим атома угљеника, водоника и кисеоника (прости липиди) у молекулу садрже и азот, фосфор или сумпор (нпр. фосфатиди). У изведене липиде Блор је уврстио молекуле као што су слободне масне киселине, алкохоли, угљоводоници, стерои­ ди и изопреноиди. Оваква подела је опште прих­ ваћена и ми ћемо је, уз неопходне допуне, такође користити.1 › Свакодневни унос велике количине масне хране (као што је помфрит и поховано месо) оптерећује рад органа за варење, ремети баланс микрофлоре у цревима, утиче на појаву акни и повећава ризик од срчаних болести и дијабетеса. Мислите о томе!

› Општа подела липида на основу производа њихове хидролизе*

ЛИПИДИ ПРОСТИ

СЛОЖЕНИ

триацилглицероли воскови фосфолипиди

ИЗВЕДЕНИ виши алкохоли

гликолипиди

цереброзиди

масне киселине ганглиозиди терпеноиди

стероиди

1

каротеноиди терпени

* Хидролиза простих (једноставних) липида даје алкохоле и масне киселине. Сложени липиди имају додатне производе хидролизе: фосфорну киселину, различите шећере и амино-једињења. Изведени (прекурсорски) липиди углавном су хидролитички производи простих и сложених липида.

Савремена подела липида узима у обзир њихово биогено порекло, тј. од којих градивних јединица (аце�ил, �ро�ионил, или изо�ренска група) у реакцији кондензације настаје неки липид.

ХЕМИЈА 4 71

2.2.1. МАСНЕ КИСЕЛИНЕ

М

асне киселине су карбоксилне киселине које улазе у састав масти, уља и свих других главних типова липида, са изузетком стероида. Више од 300 масних киселина је на­ ђено у природи. Оне у молекулу обично садрже �аран број атома угљеника (најчешће 12– 20), углавном су неразгранати ланци и класификују се према Табела 2.2.1. – Уобичајена подела масних киселина, према садржају и полоприсуству и броју двоструких жају двоструких угљеник–угљеник веза у молекулу масне киселине* угљеник–угљеник веза (C=C) у МАСНЕ КИСЕЛИНЕ молекулу (табела 2.2.1). Засићене масне киселине не садрже C=C везу, мононезасићене масне киселине садрже једну C=C везу, а полинезасићене масне киселине садрже две C=C везе или више C=C веза у молекулу. У табели 2.2.2 дати су неки основни по­ даци за најзас�у�љеније масне киселине у природи, као и по један дијетарни (из хране) извор за сваку киселину.

ЗАСИЋЕНЕ масне киселине

НЕЗАСИЋЕНЕ масне киселине

полинезасићене омега-3 киселине

мононезасићене

омега-6 киселине

омега-9 киселине

* У саставу триацилглицерола засићеним масним киселинама нарочито су богати путер, сланина, сухомеснати производи и тврди сиреви (животињске масноће). Одличан извор омега-6 (ω-6) киселина јесте сунцокретово, кукурузно и шафраново уље, а ω-9 киселина маслиново уље, уље авокада, кикирики и бадеми. Еикозапентаеноинску (EPA) и докозахексаеноинску (DHA) ω-3 киселине, које су драгоцене за наше здравље, налазимо у месу риба и шкољкама, док су ω-3 α-линоленском киселином богати лан, соја, ораси и уљана репица.

Табела 2.2.2. – Најзаступљеније масне киселине у саставу различитих липида

Назив киселине

Рационална формула

Кондензована структурна формула

Температура топљења (°C)

Извор киселине

лауринска

C11H23COOH

CH3(CH2)10COOH

44

палмино уље

миристинска

C13H27COOH

CH3(CH2)12COOH

58

уље мушкатног орашчића

палмитинска

C15H31COOH

CH3(CH2)14COOH

63

палмино уље

палмитолеинска

C15H29COOH

CH3(CH2)5CH=CH(CH2)7COOH

0,5

уље макадамије

стеаринска

C17H35COOH

CH3(CH2)16COOH

70

какао-путер

олеинска

C17H33COOH

CH3(CH2)7CH=CH(CH2)7COOH

16

маслиново уље

линолна

C17H31COOH

CH3(CH2)3(CH2CH=CH)2(CH2)7COOH

–4

уље репице

α-линолеинска

C17H29COOH

CH3(CH2CH=CH)3(CH2)7COOH

–11

лан

арахидонска

C19H31COOH

CH3(CH2)4(CH2CH=CH)4(CH2)2COOH

–50

јетра

72 Макромолекули живота

Атоми или групе око двоструких веза у молекулима незасићених масних киселина могу бити у cis­изомерном или trans­изомерном облику (слика 2.2.1). Природне масне киселине типично су у cis конфигурацији, с метиленском (CH2) групом уметнутом између (неконју�ованих) двоструких веза.

Слика 2.2.1. – Структура геометријских cis/ trans-изомера мононезасићене палмитолеинске киселине

Масне киселине се именују и обележавају на више начина. Олеинска киселина налази се у високој концентрацији и у маслиновом уљу (лат. olive = дрво маслине). За симболи­ чко представљање структуре масних кисе­ лина користи се и систем који броји угљени­ ке од атома угљеника који је у ланцу нају�аљенији од карбоксилне групе: ω (омега) крај масне киселине. У системским називима наводи се, речима и симболима, број атома угљеника, број, положај и конфигура­ ција свих двоструких веза у молекулу масне киселине.

Кад се све наведено узме у обзир, стеаринска киселина је и октадеканска киселина, олеинска киселина је cis­9­октадеценска киселина (ω­9), α­линолеинска киселина је cis­ 9,12,15­октадекатриенска киселина (ω­3), а арахидонска киселина је cis­5,8,11,14­еико­ затетраенска киселина (ω­6).

Иако атоме угљеника у структури масних киселина најчешће цртамо у правој линији, они заправо имају цикцак конфигурацију. Посматрано у целини, молекули засићених масних киселина релативно су равни (слика 2.2.2) и зато се чврсто међусобно „пакују”, што повећава снагу слабих привлачних сила између молекула.1 Зато засићене масне ки­ селине, и масти које оне изграђују, имају релативно високе �ачке �о�љења (табела 2.2.2). Насупрот томе, свака cis­двострука веза у незасићеној масној киселини производи изра­ жено закривљење у молекулу (слика 2.2.2), тако да се молекули масних киселина мање уредно слажу једни уз друге. Резултат су слабије привлачне силе између молекула неза­ сићених масних киселина у раствору и у уљима које изграђују,1 због чега оне имају ниже �ачке �о�љења (табела 2.2.2) и већином су течности на собној температури.

Слика 2.2.2. – Структура масних киселина: уочи цикцак образац којима су повезани атоми угљеника у молекулима палмитинске и олеинске киселине. Модел испуњених сфера ова два молекула (десно) показује укупну равност засићених масних киселина, за разлику од незасићених масних киселина, које су закривљене у простору.

1

Овде говоримо о тзв. Лондоновим дисперзионим силама, које се јављају као последица привремених дипола који настају у неполарним молекулима.

ХЕМИЈА 4 73

Састав масних киселина у липидима је различит код различитих организама. Копне­ не животиње садрже свега 5–7% изразито дугачких масних киселина (20–22 атома угље­ ника у молекулу), а рибе 25–30%. Копнене животиње имају < 1% масних киселина са 5–6 двоструких веза у молекулу, биљке 5–6%, а рибе 15–30%.

Израз есенцијалне масне киселине користи се за �олинезасићене масне киселине, које морају да се обезбеде храном, пошто не настају у телу човека, а неопходне су за нормалан раст и развој. У основи, све ω-3 и ω-6 масне киселине су есенцијалне, пре свега линолна и α­линолеинска киселина. Научне студије показују да исхрана богата рибом (2–3 пута недељно), са обиљем ω­3 масних киселина (пре свега ЕPA и DHA), смањује упалне процесе у телу и штити од кардиоваскуларних бо­ лести.2 Дневна исхрана требало би да садржи 4–6 g есенцијалних масних киселина. › Рибе (нарочито скуша, лосос, харинга, сардине, инћуни) одличан су извор драгоцених ω-3 масних киселина у исхрани човека.

2.2.2. Прости липиди

Ј

едноставни липиди су естри масних киселина и глицерола или масних киселина и (дру­ гих) алкохола. Две врсте једноставних липида у природи јесу масти/уља и воскови.

Масти и уља

Масти и уља су најзаступљенији липиди у природи. Они обезбеђују метаболичку енергију за живе системе, изолују и штите органе у телу и учествују у транспорту вита­ мина растворљивих у мастима (А, D, Е и К) кроз крв.

Хемијски назив за масти и уља је триацилглицероли (триглицериди), с обзиром на то да су главне компоненте ових смеша естри, добијени у реакцији три молекула масне киселине са трихидроксилним алкохолом глицеролом (слика 2.2.3).3 2

3

Људско тело има о�раничену способност претварања α­линолеинске киселине у дужи ланац EPA (cis­ 5,8,11,14,17­еикозапентаеноинска киселина) и DHA (cis­4,7,10,13,16,19­докозахексаеноинска киселина) ω­3 масних киселина, које су веома значајне за правилан развој фетуса, вид, рад нервног и имунског система. Линолна (ω­6) киселина је биосинтетски прекурсор (ω­3) арахидонске киселине, из које настају биоактивни �рос�а�лан�ини. Природне масти у уља су смеше великог броја једињења, од којих су триацилглицероли најзаступљенији и најважнији. Поред њих, садрже и слободне масне киселине, мање количине витамина, угљоводонике и друго.

74 Макромолекули живота

глицерол

3-масне киселине

триацилглицерол

Слика 2.2.3. – Општа структура (горе) и реакција настајања триацилглицерола. У живим системима ову реакцију кондензације катализују (убрзавају) одговарајуће ацил-трансферазе. Ацил-групе су остаци масних киселина у структури липида.

Ако су све три хидроксилне групе у молекулу глицерола (глицерина) естерификова­ не ис�ом масном киселином, добијени естар је прости триацилглицерол. Триацилгли­ цероли у природним мастима и уљима по правилу садрже две или три различи�е масне киселине и стога су мешовити триацилглицероли.

Смешу триацилглицерола називамо маст ако је чврста, а уље ако је течност на собној температури (25 °С). Разлике у температурама топљења масти и уља одражавају разлике у степену незасићености и броју атома угљеника у њиховим масним киселинама. Три­ aцилглицероли добијени из животињских извора обично су чврсти, док су они биљног порекла углавном течни. Због тога говоримо о животињским мастима и биљним уљима (слика 2.2.4). Састав масти или уља разликује се у зависности од биљне или животињс­ ке врсте из које потиче, али и од дијететских и климатских фактора. Свињска маст од свиња храњених кукурузом имаће већи садржај засићених масних киселина него маст свиња храњених кикирикијем. Палмитинска (засићена) киселина и олеинска (мононеза­ сићена) киселина најзаступљеније су масне киселине у природним мастима и уљима. Слика 2.2.4. – Свињска маст (лево) и сунцокретово уље (десно) најзаступљеније су масноће у исхрани људи са ових географских простора. Свињска маст је потребна у исхрани јер је здрава, али треба да се користи умерено. Ако се свиње гаје у природи, њихова маст садржи огромну количину витамина D.

Изрази као што су засићена маст или незасићено уље уобичајено се користе за описивање масти или уља који су део наше исхране. Засићене масти садрже висок удео засићених масних киселина, док незасићена уља садрже висок удео незасићених масних киселина (слика 2.2.5). Висок свакодневни унос засићених масти (> 20 g засићених масних киселина), уз висок унос холестерола из намирница животињског порекла (> 300 mg), фактор је ризика за развој срчаних обољења.

ХЕМИЈА 4 75

засићене масти

незасићене масти

кокосово уље

полинезасићене масти

92%

6% 2%

66%

путер (маслац) говеђи лој

30%

52%

лој

44%

41%

палмино уље уње семенки памука

27%

12%

39% 19%

10%

19%

уље кикирикија

18%

маслиново уље

14%

уље кукуруза

13%

25%

62%

уље соје

15%

24%

61%

0%

4%

47%

51% 48%

34% 77%

20%

40%

4%

9%

60%

80%

100%

Слика 2.2.5. – Просечан састав масних киселина (у %) у одабраним мастима и уљима. Кокосово уље је високо засићено и садржи необично висок проценат C-8, C-10 и C-12 засићених масних киселина нискe тачке топљења.

Чисте масти и чиста уља су безбојни, без мириса и укуса. Карактеристичну боју, мирис и укус дају једињења растворљива у липидима који су састојци масти и уља. На пример, путер је жут због присуства пигмента каротена. Укус путера потиче од два је­ дињења (2,3­бутандион и 3­хидрокси­2­бутанон) која производе бактерије у процесу прављења путера. Масти и уља су лакши од воде (ρ~0,8 g/cm3) и лоши проводници то­ плоте и струје, због чега су одлични изолатори за тело – успоравају губитак топлоте кроз кожу.

Масти и уља учествују у многим хемијским реакцијама. Описаћемо оне најзначај­ није за свакодневни живот човека.

1. Пошто су триацилглицероли естри, масти и уља хидролизују у присуству кисе­ лина, база или специфичних ензима ли�аза. Хидролиза масти и уља у базној средини користи се за прављење сапуна и зато се назива реакција сапонификације (слика 2.2.6).4

триацилглицерол

глицерол

три молекула сапуна

Слика 2.2.6. – Настајање сапуна (реакција сапонификације), хидролизом триацилглицерола у базној средини. R1, R2, R3: алкил-групе (истих или различитих) масних киселина 4

Данас се сапуни индустријски добијају хидролизом триацилглицерола, обично из лоја и кокосовог уља, коришћењем воде под високим притиском и високом температуром (око 5.000 kPа и 200°C). Натријум­ ­карбонат или натријум­хидроксид (каустична сода) потом се користе за превођење масних киселина у њихове натријумове соли (молекуле сапуна).

76 Макромолекули живота

Сапуни као средства за прање – Активни део сапуна који уклања нечистоћу је анјон масне киселине (поларна –CОО– група) који се раствара у води. Угљоводонични део сапуна је неполаран и не раствара се у води, већ у масноћама. Нечистоћа је обично везана за подлогу у облику масне мрље. Пошто се таква мрља не раствара у води, нечистоћа не може да се уклони механичким трљањем и водом.

– Ако у воду ставимо сапун, ситуација се мења. Угљоводонични део молекула сапуна се раствара у нечистоћи, а –CОО– групе остају растворене у води. Масна мрља (нечистоћа) постаје окружена –CОО– групама које омогућују квашење, тј. приступ молекула воде.

– После извесног времена, молекули воде ће продрети између масне мрље и подлоге, због чега ће нечистоћа да се одвоји од ње, некада и без трљања. Одвојене честице нечистоће тада су окружене –CОО– групама и међусобно се одбијају, тако да остају у води у облику емулзије. Испирањем водом, нечистоћа се трајно уклања са тканине.

молекул сапуна тканина прљавштина

поларна глава сапуна окренута ка води

прљавштина заробљена унутар (мицеле) сапуна

поларна глава сапуна окренута према прљавштини чиста тканина

› Схематски приказ деловања сапуна као средства за прање

– Према томе, прање сапуном се заснива на квашењу и емулговању нечистоћа.

– Предности сапуна као средстава за прање јесте то што нису отровни и не загађују животну средину. Међутим, они нису ефикасни у тврдој и морској води, пошто граде нерастворне соли с јонима калцијума и магнезијума. У веома киселој средини (као у индустрији коже), сапуни такође не могу да се користе за прање, пошто се таложе као у води нерастворљиве масне киселине.

2. Двоструке везе у структури триацилглицерола масти и уља подлежу реакцијама хидрогенизације (додавање водоника супстрату). Хидрогенизација (хидрогенација) биљних уља за добијање получврстих масти важан је процес у прехрамбеној индустрији. Број двоструких веза које су хидрогенизоване пажљиво се контролише, како би настали производи жељене конзистенције (меки и мазиви). По правилу, јефтина биљна уља (ка­ нолино, кукурузно, сојино) претварају се хидрогенизацијом у мар�арин и биљне мас�и за кување. У припреми маргарина (слика 2.2.7), делимично хидрогенизована биљна уља мешају се с водом, сољу и немасним сувим млеком, заједно са аромама, бојама и витами­ нима А и D, да би се добили изглед, текстура и укус путера.

Слика 2.2.7. – Маргарин је индустријски прерађена храна, дизајнирана да има укус и изглед сличан путеру. Маргарини се праве од биљних уља, тако да садрже „добре” масти: полинезасићене и мононезасићене масне киселине. Нису сви маргарини подједнако квалитетни: неки садрже trans-масти. По правилу, што је маргарин чвршћи, то садржи више штетних trans-масних киселина.

ХЕМИЈА 4 77

Међутим, током хидрогенације биљних уља долази до реакције изомеризације која производи trans масне киселине (слика 2.2.1), за које је доказано да подижу ниво холе­ стерола у крви и повећавају учесталост срчаних обољења. Зато се потрошачима саветује да у исхрани користе полинезасићена уља (нпр. маслиново) и меке (течне) маргарине, као и да смање укупан унос липида на мање од 30% укупног дневног уноса калорија.

3. Масти и уља у контакту са влажним ваздухом на собној температури пролазе кроз реакције оксидације и хидролизе, које доводе до тога да постану уже�ли и добију ка­ рактеристичан не�рија�ан мирис. Један од узрока непријатног мириса ужеглих липида јесте ослобађање испарљивих масних киселина након хидролизе естарских веза у моле­ кулима. Микроорганизми присутни у ваздуху садрже липазе које убрзавају овај процес. Маслац ослобађа бутерну, каприлну и капринску киселину, које имају непријатан мирис. Хидролитичка ужеглост лако се спречава – прекривањем масти или уља и чувањем у фрижидеру.5 Други узрок испарљивих, мирисних једињења, као што је малоналдехид (слика 2.2.8), јесте оксидација незасићених масних киселина. Слика 2.2.8. – Ужегла уља, осим по непријатном мирису, препознају се и по измењеној (тамнијој) боји. Присуство малоналдехида у намирницама један је од показатеља процеса оксидације липида.

Посебно подложне процесима оксидације су �олинезасићене масне киселине, као ли­ нолна и α­линолеинска киселина. Због тога се у индустријске производе додају у веома малим количинама (0,001%–0,01%) антиоксиданси, како би спречили оксидацију и ужеглост производа. Липофилни ви�амин Е има снажна антиоксидативна својства – смањује оксидативна оштећења липида, посебно незасићених масних киселина, не само у биолошким мембранама већ и у многобројним намирницама.

4. Постојање незасићених масних киселина у саставу липида најједноставније се до­ казује адицијом јода на двоструку C=C везу, при чему се жутосмеђи алкохолни раствор јода обезбоји. Овај тест се користи у прехрамбеној индустрији, а добијени јодни број означава масу јода коју везује 100 g узорка масти или уља. Што је већи јодни број, то је већи удео незасићених масних киселина у узорку липида (одељак 5.2).

Воскови

Воскови су естри настали од дуголанчаних масних киселина и дуголанчаних алкохола с парним бројем угљеникових атома. Већина природних воскова су смеше, меша­ вине таквих естара (70–75%) и других једињења (угљоводоници, слободне масне кисе­ лине, вода, каротеноиди итд.).

Животињски воскови служе као заштитни премаз, јер одржавају површину перја, коже и длаке савитљивом и водоодбојном. Ако се воштани премаз на перју птице раство­ ри, као резултат пливања у води са нафтном мрљом на површини перје постаје мокро и тешко, а птица се, неспособна да полети, удави. Ланолин, восак који се добија из овчије вуне, користи се у козметици за израду крема, пошто га кожа брзо упија. Пчелињи восак је производ воштаних жлезда пчела радилица, служи као материјал за изградњу саћа (слика 2.2.9) и покрива хитински омотач пчеле да би га заштитио од влаге.

5

Посуду са свињском машћу најбоље је умотати у (воштани) папир, а затим прекрити пластичном или алуминијумском фолијом да би се спречило излагање ваздуху. У зависности од услова, свињска маст се чува на собној температури 4–6 месеци. Свињска маст која се чува у фрижидеру има дужи рок трајања, око годину дана.

78 Макромолекули живота

Слика 2.2.9. – Воштано саће. Пчелињи восак је тврд, жилав, непровидан производ нерастворљив у води. Пријатног је мириса и гњечењем постаје пластичан, због чега се користи за израду свећа. Пошто показује антимикробно и регенеративно дејство, користи се за справљање облога за зарастање рана. Главна компонента пчелињег воска је мирицил-палмитат: CH3(CH2)14COO(CH2)29CH3.

Биљни воскови на површини листова, стабљика, цветова и плодова штите биљку од дехидрације и инвазије штетних микроорганизама. Карнауба восак, главна компонен­ та индустријских воскова за подове, аутомобиле и лакове за намештај, углавном је мирицил-церотат (CH3(CH2)24COO(CH2)29CH3), добијен из листова бразилских палми.

2.2.3. Сложени липиди

М

ного је примера сложених молекула липида у нашем телу: фосфолипиди, гликоли­ пиди, липопротеини, сулфолипиди, амино­липиди, липополисахариди. Обрадићемо оне без којих нема биолошких мембрана, сложених структура које омогућавају да постоји живот какав познајемо.

Липиди у биолошким мембранама

Биолошке мембране обезбеђују отпорност и аутономност ћелије у односу на њено окружење. Општа структура свих биолошких мембрана веома је слична. Мембрана ти­ пичне животињске ћелије је фосфолипидни двослој са уграђеним молекулима холе­ стерола и протеина. Кратки олигосахаридни ланци су причвршћени за спољашњу по­ вршину мембране, везани за молекуле липида и протеина: гликолипиде и гликопротеине (слика 2.2.10). У унутрашњости двослоја се хидрофобни репови остатака масних киселина у молекулима липида међусобно по­ везују слабим нековалентним силама. гликопротеин угљени хидрат гликолипид холестерол

глобуларни протеин

алфа-хеликс протеин

протеински канал

интегрални протеин површински протеин

Разлике у структури и улогама биолошких мембрана потичу од присуства различитих ли­ пида и протеина. Ако би мембране биле изгр­

Слика 2.2.10. – Приказ течно-мозаичног модела биолошких мембрана. Две основне врсте протеина у мембрани ћелија су интегрални протеини (пролазе кроз хидрофобну унутрашњост фосфолипидног двослоја) и периферни протеини (лабавије везани за површину липидног двослоја). Мали јони и молекули растворљиви у води улазе и излазе из ћелије на контролисан начин, преко протеинских канала.

ХЕМИЈА 4 79

ађене само од молекула липида, мали јони и поларни (поготову наелектрисани) молеку­ ли не би могли да улазе и излазе из ћелије. Зато све мембране у живим системима садр­ же многобројне специјализоване транспортне протеине (канале и пумпе) који се крећу кроз (фосфо)липидни двослој. Различити сложени липиди изграђују биолошке мембра­ не, пре свега фосфолипиди и сфинголипиди. Заступљенији су молекули фосфолипида (отуда назив фосфолипидни двослој), са фосфатном групом (остатак фосфорне киселине) у молекулу (слика 2.2.11).

алкохол

амино-алкохол

фосфат

фосфат

глицерол

сфингозин

шећер

сфингозин

масна киселина

масна киселина

масна киселина

масна киселина

Гл и ц е р о ф о с ф о л и п и д и (фосфоглицериди) доминира­ ју међу фосфолипидима у ће­ лијским мембранама. Они су деривати фосфатидне кисели­ не (слика 2.2.12), настале есте­ Глицерофосфолипид Сфингомијелин Цереброзид рификацијом глицерола са две (фосфолипид) (фосфолипид и (сфинголипид и сфинголипид) гликолипид) масне киселине (на C­1 и С­2) и молекулом фосфорне киселине Слика 2.2.11. – Општа структура најзаступљенијих липида у биолошким (на C­3). Везивањем молекула мембранама алкохола (обично амино­алко­ хола) за хидроксилну групу остатка фосфорне киселине у фосфатидној киселини нас­ тају различи�и глицерофосфолипиди. Назив фосфоглицерида изводи се из имена алко­ хола (нпр. фосфатидил­холин, фосфатидил­етаноламин, фосфатидил­серин, фосфа­ тидил­инозитол).

Слика 2.2.12. – Структура молекула фосфатидне киселине (лево) и сфингозина (десно)

Две уобичајене врсте фосфоглицерида у природи садрже као амино­алкохол етаноламин или холин (слика 2.2.13). Фосфатидил­етаноламине (кефалине) налазимо у мо­ жданом ткиву и нервима, а имају улогу и у згрушавању крви. Фосфатидил­холини (леци�ини) такође су важан састојак нервног ткива и помажу синтезу неуротрансмите­ ра ацетилхолина. Жуманца су посебно богата лецитинима. Лецитини изоловани из соје користе се у индустрији хране као емулгатори.6 6

Многе намирнице су природне емулзије. Млеко је емулзија млечних масти у води: емулгатор је протеин казеин. Мајонез је емулзија салатног уља (најчешће сунцокретовог) у води, стабилизована лецитинима из жуманцета.

80 Макромолекули живота

Сфинголипиди, у структури неких фосфолипида или гликолипида, као основ структуре молекула имају монохиСлика 2.2.13. – Структура хо�роксилни амино­алкохол сфингозин лина (горе) и етаноламина, (слика 2.2.12), а не трохидроксилни поларних глава фосфатидилхолина (лецитина) и фосфатиглицерол. Сфингомијелини, најједно­ дил-етаноламина (кефалина), ставнији сфинголипиди, у молекулу два најзаступљенија глицеросадрже масну киселину, фосфорну ки­ фосфолипида у мембранама селину, сфингозин и амино­алкохол, нервног система обично холин (слика 2.2.11). Пошто садрже фосфатну групу, такође се убра­ јају у фосфоли�и�е. Сфингомијелини су важне компоненте мијелинских мембрана, које окружују аксоне нервних ћелија. Мултипла склероза једна је од болести које настају услед оштећења мијелинске овојнице.

Већина животињских ћелија садржи и сфинголипиде цереброзиде. Цереброзиди се састоје од сфингозина, масне киселине и шећерне компоненте (галактозе или глукозе) (слика 2.2.11). Зато подсећају на сфингомијелине, од којих се разликују по томе што у молекулу имају остатак шећера уместо холин­фосфатне групе. Цереброзиди (лат. cerebellum = мали мозак) јесу важни састојци мембрана ћелија мозга.

Ганглиозиди су најсложенији сфинголипиди, који оби­ чно садрже раз�рана�и ланац од три до осам остатака моно­ сахарида, али и супституисаних шећера (сијалинске кисели­ не; слика 2.2.14). Процеси препознавања и комуникације између ћелија (нпр. антигени крвних група) зависе и од ра­ злика у редоследу шећера у структури ганглиозида. Пошто цереброзиди и ганглиозиди садрже различите шећерне групе, они се класификују и као гликолипиди. Њима су најбо­ гатији спољашњи делови мембрана неурона.

Слика 2.2.14. – Структура N-ацетил-неураминске киселине (NANA), главне сијалинске киселине у ћелијама човека и многих сисара

2.2.4. Изведени липиди

С

ви липиди о којима је до сада било речи (масти и уља, воскови, сложени липиди би­ олошких мембрана) сапонификују се (тзв. осапуњиви липиди). Реагујући с воде­ ним растворима база, они дају структурно једноставније молекуле, какви су глицерол, масне киселине, амино­алкохоли и шећери. Узорци липида екстраховани из ћелија и ткива садрже и малу, али изузетно биолошки важну фракцију (део) која не реагује са ба­ зама (тзв. неосапуњиви липиди). Најважнији неосапуњиви липиди су стероиди. Ова класа молекула укључује холестерол и сродна једињења, жучне соли и неке хормоне, као кортизол („хормон стреса”) и тестостерон („хормон страсти”).

Стероиди

Сви стероиди имају карактеристичну структуру, у чијој основи су четири спојена прстена (слика 2.2.15). Мале варијације у овој основној структури, као и везаним атоми­ ма или групама атома, дају �рама�ичне разлике у биолошкој активности стероида. Мо­

ХЕМИЈА 4 81

лекуле стероида налазимо у биљкама, животињама, квасцима и плеснима, не и у бакте­ ријама. Јављају се у слободном облику, или везани с масним киселинама или угљеним хидратима.

В А

Б

Г

Слика 2.2.15. – Основа структуре свих стероида су четири (А–Г) спојена прстена: циклопентано-перхидрофенантренско језгро. Холестерол (десно) је најзаступљенији стероид у људском телу, с мноштвом незаменљивих улога.

Холестерол (слика 2.2.15) јесте најзаступљенији стероидни липид у људском телу (око 240 g). Вишак (оксидованог) холестерола у крви, у саставу тзв. липопротеина мале густине, један је од узрока атеросклерозе и срчаних болести, патофизиолошких стања која су водећи узрок смрти у развијеним земљама света. Око половине молекула холе­ стерола у телу животиња је у фосфолипидном двослоју ћелијских мембрана, где регули­ ше флуидност.7 Већи део остатка у јетри прелази у жучне киселине, које се користе за синтезу жучних соли. Холестерол је и метаболичка претеча стероидних хормона и вита­ мина D. Вишак холестерола у телу се, путем крви, из јетре преноси до жучне кесе, где и остаје, док се не излучи у црева (као део жучи), да би потом фецесом био елиминисан из тела. Понекад холестерол у жучној кеси преципитира (таложи се) у облику жучних ка­ менчића. Отуда назив молекула: грч. chole = жуч и stereos = чврсто. Биљке не садрже хо­ лестерол, због чега се биљни производи рекламирају као „храна без холестерола”. Жуч је жутозелена течност (pH 7,8–8,6) која настаје у јетри. Најважнији састојци жучи су жучне соли, настале из молекула холестерола. Оне се складиште у жучној кеси, а затим се излучују у танко црево. Пошто садрже и хидрофобне (неполарне) и хидрофилне (поларне) делове у структури молекула, жучне соли су високоефикасни детергенти и емулгатори.

› Холна (жучна) киселина, пре него што се излучи у жуч, конјугује се (спаја) с глицином (у гликохолат) или таурином (у таурихолат).

Натријумове жучне соли разлажу велике масне капи на мање честице и потом их суспендују у воденом окружењу дигестивног тракта. Ензими липазе тада ефикасније хидролизују липиде (масти и уља). Према томе, главна улога жучних соли у телу животиња јесте да помогну у варењу липида унетих храном.

7

Флуидност означава слободу кретања молекула протеина и фосфолипида унутар ћелијске мембране. Холестерол �овећава флуидност, дајући потребну чврстину животињским мембранама: на ниским температурама он спречава смрзавање, а на високим распадање биолошких мембрана.

82 Макромолекули живота

Разликујемо две главне групе хормона стероидне структуре: хормоне надбубрежне жлезде, као што су алдостерон и кортизол (слика 2.2.16), и полне хормоне.

Алдостерон делује на већину ћелија и ефикасан је у задржавању натријума и воде у телу. Кортизол �овећава садржај глукозе у крви, стимулишући процесе глуконеогенезе и гликогенолизе (поглавље 3), и олакшава коришћење масних киселина и амино­кисе­ лина као извора енергије у опасним, „бори се или бежи” ситуацијама. Кортизол и анало­ зи смањују инфламаторни (запаљењски) одговор ткива, због чега се користе у третману тешких кожних алергија и аутоимуних болести, као што је реуматоидни артритис. Слика 2.2.16. – Структура минералокортикоида алдостерона (лево) и глукокортикоида кортизола, хормона коре надбубрежне жлезде (надбубрега). Срж надбубрежне жлезде лучи адреналин, хормон који убрзава рад срца и повећава крвни притисак (такође „хормон стреса”).

Полне хормоне луче гонаде (јајници или тестиси), плацента и надбубрежне жлезде. Тестостерон (слика 2.2.17) и андростендион су главни мушки полни хормони (андрогени). Они контролишу примарне (основне) карактеристике мушкарца: развој мушких гениталних органа и производњу сперме. Андрогени су одговорни и за развој секундар­ них (помоћних) мушких одлика, као што су длаке на лицу, дубок глас и већа маса ми­ шића. Две врсте полних хормона су посебно значајне за тело жене. Прогестерон припре­ ма материцу (лат. uterus) за трудноћу и спречава ослобађање јајних ћелија током труд­ ноће. Естрогени, као естрадиол (слика 2.2.17), одговорни су за секундарне полне ка­ рактеристике жена: развој дојки (сисе, по којима је цела класа кичмењака добила име сисари), повећано таложење масног ткива у грудима, задњици и бутинама. У телу човека настају обе врсте полних хормона: разлика је у томе што жене у крви имају много више естрогена, а мушкарци много више тестостерона (андрогена). Слика 2.2.17. – Структура тестостерона (лево) и естрадиола, два најзаступљенија полна хормона у телу човека. Да ли сте знали да естрадиол (типични женски хормон) настаје из тестостерона (типичан мушки полни хормон)? Ароматаза је ензим који катализује ову хемијску реакцију.

Могућности примене полних хормона Природни и синтетички хормони све више се користе у медицинске (терапијске) сврхе. Жени којој су уклоњени јајници дају се женски полни хормони да надокнаде мањак природно произведених хормона. Полни хормони били су међу првим коришћеним лековима у хемотерапији рака. Естрогени се некада користе у третману рака простате, пошто блокирају ослобађање и активност дихидротестостерона, најјачег природног деривата тестостерона у телу човека. Полни хормони се примењују и у припреми за операцију промене пола, како би се подстакао развој одговарајућих секундарних полних карактеристика. Орална контрацептивна средства, која спречавају нежељене трудноће, синтетички су деривати женских полних хормона. Делују тако што спречавају овулацију (ослобађање јајних ћелија).

ХЕМИЈА 4 83

У ФОКУСУ. – Злоупотреба анаболичких андрогених хормона Сви анаболички стероиди су синтетички хормони структурно слични тестостерону. Уносе се у тело у облику таблета, капсула или течности за инјекције. Делују тако што акти­ вирају рецепторе за тестостерон у цитоплазми ћелије, дајући инструкције да тело повећа производњу мишићног ткива (анаболички ефекти тестостерона). Резултат може да буде повећање чисте мишићне масе, смањење количине масног ткива у телу и бржи опо­ равак од повреда. Постоје оправдани разлози за медицинску употребу анаболичких стеро­ ида. Лекари их преписују за лечење хормоналних проблема (одложени пубертет код мушкараца) или због губитка мишића узрокованог болестима као што су рак или HIV. Анаболички стероиди се често злоупотребљавају. Употреба у немедицинске сврхе најчешћа је код спортиста и бодибилдера, код људи који раде послове за које је важна физичка снага (радници обезбеђења, војници и полицајци, грађевински радници, глум­ ци у акционим филмовима), али и код младих и одраслих људи који желе да имају зате­ гнуто, мишићаво тело. Злоупотреба анаболичких стероида, посебно током дужег вре­ менског периода, повезана је с многим здравственим проблемима. Типични су бубуљи­ це (посебно на леђима), успорен раст код тинејџера, висок крвни притисак, проблеми са срцем, болести јетре, оштећење бубрега и агресивно понашање. Пошто се стероиди нај­ чешће убризгавају у тело, корисници који деле иглу изложени су ризику од заразе опа­ сним инфекцијама (као што је вирусни хепатитис). Код мушкараца може доћи и до ћела­ вости, раста груди (гинекомастија), ниског броја сперматозоида и смањења тестиса. Нај­ упечатљивији знаци злоупотребе анаболичких стероида код жена, уз изразито повећање мишићне масе, јесу промене у менструалном циклусу, маљавост, продубљивање гласа, проређивање косе и мушкобањасти изглед (андрогени ефекти тестостерона). Анаболички андрогени стероидни хормони одавно су забрањени у професионалном спор­ ту, заједно с многим супстанцама и методама које једним појмом називамо допинг. Инфор­ мације о листи забрањених допинг средстава, процедурама допинг контроле спортиста и антидопинг едукацији налазе се на сајту Анти­ допинг агенције Републике Србије: https:// www.adas.org.rs/.

› Допинг у спорту уништава фер плеј и такмичарски дух. Буди здрав и играј поштено!

Питања и задаци за утврђивање и проверу знања 1.

Објасните шта су то ω-3 масне киселине и зашто је важан њихов свакодневни унос храном.

2. Наведите кључне разлике у саставу и својствима масти и уља.

3. Напишите, по избору, структурну формулу једног једноставног триацилглицерола. Који је уобичајени и системски назив изабраног једињења?

4. Проучите структуру двоструких веза, одредите и запишите њихов положај, а затим идентификујте молекуле са слике.

84 Макромолекули живота

5. Какав је хемијски састав масти и уља? Објасните због чега чврсте масти немају оштру тачку топљења.

6. Објасните како ланолин чува длаку у кожи животиња од воде.

7.

Представите формулама реакцију хидрогенизације олеинске киселине. Шта је производ ове хемијске промене?

8. Напишите системско име палмитинска киселине и линолне киселине.

9. Објасните значај молекула тестостерона за организам одраслог мушкарца.

10. Наведите штетне последице коришћења андрогених анаболичких хормона.

Проблемски задаци за радознале и оне који желе да знају више 1.

Пронађите шта су „сушива” уља и због чега се она много користе у индустрији боја и лакова.

2. Знајући како сапуни уклањају нечистоће, хемичари су направили синтетичке детергенте. Они су јефтина и ефикасна средства за прање, али загађују животну средину. Истражите хемијски састав синтетичких детергената и како може да се превазиђе проблем загађења изазван њиховом употребом.

3. Истражите за шта све човек употребљава пчелињи восак и хемијски састав полена и прополиса. Зашто се прополис назива „чудом природе”?

4. Истражите, или се распитајте код рођака који живе на селу, како се добијају свињска маст, лој и чварци.

5. Биљна уља су течна и изолују се пресовањем. Да би неко маслиново уље било класификовано као „екстра девичанско”, оно мора да испуњава одређене хемијске критеријуме и да нема недостатака у укусу, што утврђују посебне комисије стручњака. Сазнајте како се тестира квалитет маслиновог уља и продискутујте с наставником о тој теми.

6. За истраживања структуре, биосинтезе и деловања холестерола (енгл. cholesterol) и његових деривата у организму животиња додељено је више Нобелових награда. Пронађите што више ових лауреата. Kористите опцију „пронађи” (енгл. Search) на званичном сајту Нобеловог комитета: https://www.nobelprize.org/.

7.

Истражите биоактивна својства простагландина, групе неосапуњивих липида у организму човека. Каква је веза између деловање аспирина и биосинтезе простагландина?

8. Истражите зашто жене до менопаузе, по правилу, имају јаче кости од мушкараца, а многим мушкарцима од четврте деценије живота почиње убрзано да опада коса (алопеција).

9. Направите код куће или у школској лабораторији домаћи мајонез. Шта је све потребно од састојака?

10. Некада је свако домаћинство, поготову на селу, користило сапуне из домаће радиности. Пронађите традиционални рецепт за прављење домаћег сапуна. Који састојци би могли да се додају да се оплемени боја и мирис добијеног сапуна?

11. Истражите зашто и када се говори о „добром” и „лошем” холестеролу у организму човека. Мала помоћ: погледајте основне поставке тзв. липидне теорије атеросклерозе.

12. Сазнајте у ком периоду живота и делу дана организам одраслог мушкарца производи највише тестостерона. Колика је оптимална концентрација тестостерона у крви студента?

13. Током „хладног” рата спорт је био моћно оружје за земље са источне стране „гвоздене завесе” којима су оне показивале свету да је комунизам супериорнији од „трулог и декадентног капитализма”. Тадашња Источна Немачка доноси злогласни „Државни план 14.25”. Укуцајте у интернет претраживачу Хајди Кригер или Heidi Krieger и прочитајте исповест корисника анаболичких стероида. Не, нисмо погрешно употребили родну одредицу!

14. Пронађите пет познатих фудбалера који су пали на допинг тесту, као и које казне су добили. Најпознатији је свакако био Дијего „Божја Рука” Марадона.

ХЕМИЈА 4 85

2.3. АМИНО-КИСЕЛИНЕ И ПРОТЕИНИ Зашто су амино-киселине и протеини које оне изграђују незаменљиви за живот? Зашто су ензими савршени биолошки катализатори?

Када проучите садржај ове целине, сазнаћете: • које/какве биомолекуле називамо протеинима; • поделу и својства протеинских амино-киселина; • како се амино-киселине повезују у линеарне молекуле пептида и протеина; • нивое структурне организације протеина; • који фактори утичу на биолошку активност протеина; • улоге амино-киселина, пептида и протеина у живим системима; • карактеристике и општи механизам деловања протеинских ензима; • који су квалитетни извори протеина у исхрани човека.

86 Макромолекули живота

УВОД

Протеини су природни полимери изграђени из α­амино­киселина, међусобно повеза­ них пептидним везама у полипептидне ланце. Величина ланца је различита. Највећи протеин у нашем телу (титин) сачињен је од 34.350 амино­киселина. Најмањи функ­ ционални полипептид има само три аминокиселинска остатка (глутатион). Од свих биомолекула, протеини имају највећи број различитих улога у живим си­ стемима. Они изграђују ћелије, служе као храна, учествују у преносу кисеоника и хранљивих материја, штите организам од инфекција, омогућују контракцију мишића, регулишу рад нервног система, под сасвим благим условима убрзавају метаболичке реакције итд. Није претеривање ако се каже да протеини одржавају живот. Отуда сасвим одговарајући назив за ову групу молекула живота, који је сковао чувени швед­ ски хемичар и проналазач Берцелијус (Berzelius): на грчком, реч prōteios значи први, најважнији.

Разноврсност протеина подсећа на моћи „имењака” из грчке митологије. Протеј или Протеус, заштитник мора и других водених површина, попримао је облик који је по­ желео. Протеини су нешто најближе што у природи наличи „трансформерсима” из популарних анимираних серија и филмова. Најотровније супстанце на свету су про­ теини. Ботулинска породица неуротоксина (укључујући ботокс, који се користи у козметичкој индустрији) и већина змијских отрова мешавина је протеина. Најлепше природне боје долазе од протеина: црвени хемоглобин (у еритроцитима), плави Цефикоцијанин (у цијанобактеријама), љубичасти Р-фикоцијанин (у црвеним макро­ алгама). Уђимо у чаробан свет протеина и њихових драгоцених амино­киселина, које нису само градивне јединице десетина хиљада протеина у нашем телу.

› Протеј је рани бог „неухватљиве промене мора”, што указује на стално променљиву природу мора и течни квалитет воде. Појам „протеан” има позитивно значење: флексибилност, свестраност и прилагодљивост, што су суштинска својства структуре (како су изграђени?), активности (шта раде?) и улоге (чему служе?) протеина у живим системима.

ХЕМИЈА 4 87

2.3.1. АМИНО-КИСЕЛИНЕ

П

риродни протеини се састоје од 20 стандардних (протеинских) амино­киселина, које су одређене генетским кодом (одељак 2.4). Модификацијом бочних остатака појединих амино­киселина настају тзв. нес�ан�ар�не амино­киселине.

Све протеинске амино­киселине, са изузетком пролина, јесу α-амино-киселине, пошто су примарна амино-група (–NH2) и карбоксилна група (–COOH) група везане за α­угљеников атом (слика 2.3.1). У воденим растворима, амино­киселине нису у мо­ лекулском, већ у јонском облику (слика 2.3.2). Амино­кисели­ не се међусобно разликују по структури бочног R-остатка. Бо­ чни остаци стандардних амино­киселина знатно се разликују по величини, поларности, кисело­базним својствама, конфор­ мационој флексибилности и хемијској реактивности. У биохемијској литератури, уз уобичајене називе протеин­ ских киселина, користе се и трословне и једнословне скраће­ нице (табела 2.3.1). Једнословне користимо за поређење ами­ нокиселинских секвенци протеина. Хемијске називе амино­ ­киселина дефинишу IUPAC правила номенклатуре органских једињења.

Подела стандардних α-амино-киселина

Стандардне амино­киселине деле се на више начина. Уобичајена подела разматра разлике у поларности бочних (-R) остатака амино­киселина и она је погодна за изучавање структуре и активности протеина. Према овом критеријуму, разликујемо три групе протеинских амино­киселина. Оне имају: (1) неполарни, (2) поларни ненаелектрисани или (3) поларни наелектрисани бочни остатак (табела 2.3.1).

Девет амино­киселина садржи неполарне бочне остатке различите величине и облика у молекулу. Најмањи бочни ос­ татак (атом водоника) има глицин (Gly). Алифатичне угљово­ доничне остатке имају аланин (Ala), валин (Val), леуцин (Leu) и изолеуцин (Ile). Метионин (Met) је тиоетар, а пролин (Pro) циклични амин. За бензенов прстен фенилаланина (Phe) и индолов прстен триптофана (Trp) заједничка је ароматич­ ност, неполарност и волуминозност структуре.

амино-група бочни остатак

карбоксилна група

Слика 2.3.1. – Општа структурна формула α-амино-киселина: молекулски облик. Бочни остатак је различит за сваку амино-киселину. нејонизован облик

јонизован облик – цвитерјон

Слика 2.3.2. – У ћелији слободне амино-киселине налазимо као „унутрашње диполарне јоне” (нем. zwitterion), са својствима и киселина и база (амфотерна једињења). У свом јонском облику α-карбоксилна група, као слаба киселина, јесте у свом конјуговано-базном облику соли (–COO–), а α-амино-група (слаба база) у конјуговано-киселом облику (–NH3+).

Шест амино­киселина убрајамо у поларне ненаелектрисане амино-киселине. Се­ рин (Ser) и треонин (Thr) садрже хидроксилну групу у молекулу, али се разликују по величини бочног остатка. Цистеин (Cys) има тиолну (сулфхидрилну) групу, која у пепти­ дима и протеинима гради дисулфидну везу са другим остатком цистеина (слика 2.3.3), а тирозин (Tyr) фенолну групу. Глутамин (Gln) и аспарагин (Asn) садрже у бочном остат­ ку амидну групу, а разликују се по броју метиленских (–CH2–) група у молекулу.

88 Макромолекули живота

Табела 2.3.1. – Подела и приказ структуре 20 стандардних (протеинских) амино-киселина на физиолошком pH, с њиховим пуним називом и трословним и једнословним скраћеницама. Називи есенцијалних амино-киселина (неопходних у исхрани човека) означени су црвеном бојом. НЕПОЛАРНЕ (хидрофобне) амино-киселине

ПОЛАРНЕ (хидрофилне) амино-киселине

глицин аспарагинска киселина аланин

фенилаланин тирозин

валин

серин

глутаминска киселина киселе

триптофан ароматичне (уз тирозин) треонин леуцин

лизин

цистеин изолеуцин

хистидин аспарагин метионин

пролин алифатичне

глутамин ненаелектрисане

аргинин базне

Слика 2.3.3. – Два молекула цистеина повезана дисулфидном ковалентном везом. У старијој литератури димер цистеина назива се цистин. Дисулфидне везе стабилизују структуру ванћелијских протеина.

ХЕМИЈА 4 89

Бочни остаци пет амино­киселина наелектрисани су на неутралној, физиолошкој pH (око 7). Базне амино-киселине (хистидин, лизин и аргинин) позитивно су нелектриса­ не, а киселе амино-киселине, аспарагинска (Asp) и глутаминска (Glu) киселина, нега­ тивно. Хистидин (His) има имидазолну, лизин (Lys) бутиламонијум, а аргинин (Arg) гу­ анидино групу у молекулу. Амино­киселине супротног наелектрисања повезују се у про­ теинима електростатичким интеракцијама (силама).

Описана подела је условна. Због малих бочних остатака, глицин и аланин можемо да убројимо у поларне ненаелектрисане амино­киселине. Функционалне групе бочних остатака тирозина и цистеина дисосују (јонизују) у базној средини. Зато ове амино­ки­ селине можемо да прикључимо поларним наелектрисаним амино­киселинама.

Стереохемија амино-киселина и настанак живота на Земљи

Осим глицина, све протеинске амино-киселине у молекулу имају хиралан (асиметричан) α-атом угљеника, тако да у раствору постоје два оптички активна (L- и D-) стереоизомера. Полимер састављен од β-амино-киселина исувише је конформационо флексибилан и протеин састављен од таквих амино-киселина не би могао да се увије у биолошки активну структуру. Уколико би у истој ћелији неки протеини били изграђени само од L-, а други само од D-α-амино-киселина, апарат за биосинтезу био би толико сложен да такви организми не би могли да еволутивно преживе. Зато је природа „изабрала” само једну конфигурацију α-амино-киселина за своје протеине. Све стандардне α-амино-киселине су L-конфигурације. D-амино-киселине се не D-изомер уграђују у структуру протеина еукариота. Научници претпостављају да је значајан део органских једињења, која су била прекурсори амино-киселина (или амино-киселине), на рану Земљу дошао са ударима комета и метеорита. Један такав удар догодио се 28. септембра 1969. изнад Мурчисона у аустралијској држави Викторија. Анализа аминокиселина из овог метеорита богатог органским састојцима показала је вишак L-амино-киселина. Према томе, ванземаљски извор вишка L-амино-киселина у Сунчевом систему могао је да претходи настанку живота какав познајемо на Земљи.

L-изомер

› Осим глицина, сви молекули стандардних α-амино-киселина постоје као један од два оптичка изомера: L- и D-амино-киселине.

Кисело-базна својства α-амино-киселина Амино­киселине су слабе полипротичне киселине (у киселој средини). У воденом раствору дисосују α­амино­група и α­карбоксилна група, као и јонизујуће групе у бочним остацима амино­киселина. Неутралне амино­киселине (дисосују само α­амино­група и α­карбоксилна група) посматрамо као слабе дипротичне (двобазне) амино­киселине. Киселе амино­киселине (Asp, Glu), базне амино­киселине (His, Lys, Arg), као и амино­ киселине Cys и Tyr, третирамо као слабе трипротичне киселине. Према томе, неутралне амино­киселине имају две, а киселе и базне три константе дисоцијације.1

1

Уобичајено се користе само константе киселине (Ka, односно pKa), које се за сваку амино­киселину наводе од мањих ка већим вредностима pKa (од јачих ка слабијим киселинама). Приближне pKa вредности јонизујуће групе бочног остатка стандардних амино­киселина су: 4 (Asp, Glu), 6 (His), 8 (Cys), 11 (Lys и Tyr) и 12,5 (Arg). Оне зависе од температуре, јонске силе и од микрооколине у структури протеина.

90 Макромолекули живота

На неутралном физиолошком pH ћелија (око 7), α-амино-група (pKa ~ 9) увек је протонована, а α-карбоксилна група (pKa ~ 2) депротонована (карбоксилатни анјон). Физичка својства амино­киселина: чврсто агрегатно стање, високе тачке то­ пљења (> 200 °C), растворљивост у води већа него у органским растварачима, одгова­ рају јонској структури молекула, слично солима јонске кристалне структуре. Због кисело­базних карактеристика, јонски облик молекула амино­киселине за­ виси од pH­вредности воденог раствора. Обе функционалне групе (карбоксилна и амино) у молекулу глицина у јако киселој средини (pH < 1) јесу у свом протонованом (киселом) облику, а у базној средини (pH > 10) депротоноване (слика 2.3.4). Протоно­ вани јонски облик глицина зато је позитивно наелектрисан (катјон), а депротонова­ ни негативно (анјон). катјон

низак pH

цвитерјон

физиолошки pH

анјон

висок pH

Слика 2.3.4. – Структура и промене јонизационог стања глицина у зависности од pH-вредности воденог раствора. У киселим растворима амино-киселине су у облику катјона, а у базним растворима у облику анјона.

С обзиром на то да у воденим растворима дисосују и функционалне групе у бочним остацима неких стандардних амино­киселина (Asp, Glu, His, Cys, Lys, Tyr и Arg), удео јони­ зованог дела сваке такве групе доприносиће укупном наелектрисању амино­киселине (слободне, у саставу пептида или протеина) на одређеном pH.2 Променом pH­вредности раствора мења се наелектрисање јонизабилних група у молекулу амино­киселина, а због тога и њихова растворљивост у води. На одређеној pH вредности раствора дипротичних амино­киселина, које називамо изоелектрична тачка, концентрација протоноване амино­групе [NH3+] једнака је кон­ центрацији карбоксилатног анјона [COO–]. Општије, за сваку амино­киселину (пептид, протеин) постоји карактеристична pH вредност воденог раствора када је укупно нето наелектрисање молекула нула – изоелектрична тачка (pI вредност). Ово не значи да молекул није наелектрисан (молекулски облик), већ да је садржај (укупног) позитивног и (укупног) негативног наелектрисања једнак (изоелектрични облик глицина на слици 2.3.4). Растворљивост слободних амино­киселина, пептида и протеина, најмања је у бли­ зини њихових pI вредности, што користимо у експерименталном раду (на пример, тало­ жење казеина млека киселином на pH 4,6).

2

Удео јонизованог и нејонизованог дела сваке дисоцирајуће групе у молекулу амино­киселине у зависности од pH раствора, а тиме и наелектрисање амино­киселине на датом pH, израчунава се применом Хендерсон– ­Хаселбахове једначине (одељак 1.4).

ХЕМИЈА 4 91

Амино­киселине подлежу и хемијским реакцијама које укључују карбоксилну групу и амино­групу, као и функционалне групе у бочним остацима појединих амино­кисели­ на (Практикум; одељак 5.2). Најважнија реакција амино­киселина је она у којој настаје пептидна веза (слика 2.3.4).

Значај амино-киселина за живе системе

Стандардне амино­киселине су различито заступљене у протеинима. У просеку, нај­ више има аланина и леуцина, најмање триптофана и метионина. У структури неких про­ теина нађени су деривати стандардних амино­киселина, настали након биосинтезе на рибозомима. Колаген је најзаступљенији протеин у телу човека (око 30% свих проте­ ина). Значајан удео у саставу овог структурног протеина у кожи, мишићима, костима и везивном ткиву имају 4­хидроксипролин и 5­хидроксилизин.

У структури мањег броја ензима нађен је селеноцистеин (симболи Sec и U), α­амино­ ­киселина у којој је атом сумпора замењен селеном. Пошто се уграђује у структуру про­ теина током биосинтезе, селеноцисте­ ин се назива и 21. амино­киселином у генетском коду. Други такав пример је пиролизин (Pyl и О), нађен у протеини­ ма неких метаногених археја и бакте­ рија (22. протеинска амино­киселина). Обе кодирају они кодони који обично служе као сигнали за заустављање син­ › Структурне формуле селеноцистеина (лево) и пиролизина тезе протеина. Протеинске амино­киселине су посредници у многим метаболичким путевима. Арги­ нин је део циклуса урее (карбамида), главног начина за уклањање вишка азота из тела, као и супстрат за синтезу азот(II)­оксида, молекула који дилатира (шири) крвне судове. Неке амино­киселине и њихови деривати преносе информације кроз живе системе. Допамин и норадреналин пореклом из тирозина, серотонин из триптофана, и хистамин из хистидина јесу неуротрансмитери, а тироксин, дериват тирозина, јесте хормон штитне жлезде.

› Структурне формуле допамина (лево) и норадреналина (норепинефрина). Настали из тирозина, њихов задатак је да преносе хемијске сигнале од једног до другог неурона (нервне ћелије) у мозгу. Да ли сте знали да је садржај допамина („господина енергије”) и норадреналина („војника љубави”) у мозгу повећан када сте заљубљени?

Без свих стандардних киселина организам не може да изгради ниједан протеин. За разлику од животиња, биљке из неорганских азотних једињења (амонијак, нитрати, друге соли) синтетишу све протеинске амино­киселине. Девет амино­киселина (Val, Leu, Ile, Thr, Met, Phe, Trp, Lys и His) наше тело не може да направи, а Arg не настаје у до­ вољним количинама. То су есенцијалне (неопходне) амино-киселине, чији недоста­ так изазива различите поремећаје и болести. Оне морају да се редовно уносе као део протеина хране. Црвена меса, риба, јаја, млеко и соја посебно су богате есенцијалним амино­киселинама. Све друге протеинске амино­киселине (табела 2.3.1) није неопходно да уносимо храном (неесенцијалне амино­киселине).

92 Макромолекули живота

У живим системима делују и амино­киселине у чијој структури амино­група није ве­ зана за први (α) атом угљеника. β­аланин је прекурсор ацетил­коензима А (улога у енергетском метаболизму; поглавље 3) и дипептида карнозина (пуферски молекул у мишићима), γ­аминобутерна киселина је неуротрансмитер у телу животиња, док је δ­амино­левулинска киселина метаболит у биосинтези тетрапирола (хем, хлорофил, ви­ тамин В12).

Пептидна веза, пептиди и протеини

α­аминокиселине међусобно се повезују у реакцији између α­амино­групе једне и α­карбоксилне групе друге амино­киселине, уз елиминацију молекула воде. Формирану амидну везу (CO–NH групу) називамо пептидна веза, а настали молекул пептидни ланац. Испитивања америчког хемичара Лајнуса Полинга (Linus Pauling) показала су да пептидна веза има ригидну планарну структуру и да је, уз неколико изузетака, увек trans (слика 2.3.5). Пептидна веза је стабилна у неутралним воденим растворима, а хидролизује у присуству катализатора (киселина, база, протеолитичких ензима).

глицин

аланин

(пептидна веза)

глицил-аланин Слика 2.3.5. – Настанак trans-пептидне везе (бочни R1 и R2 остаци на суседним Cα атомима увек су са супротне стране), повезивањем два молекула α-амино-киселина.

Пептид настаје повезивањем мање од 50 амино­киселина у линеарни ланац. Олигопептид изграђује неколико амино­киселина. Редослед (секвенца) амино­киселина у пептидном ланцу пише се од краја где се налази слободна α­амино­група (N­крај молеку­ ла), према крају са слободном α­карбоксилном групом (C­крај). Осим амино­киселине (правилније, аминокиселинског остатка) на С­крају, све друге амино­киселине мењају суфикс у називу пептида, из ­ин (слободна) у ­ил (везана). Број остатака амино­кисели­ на у (олиго)пептиду означава се одговајућим префиксом (ди, три, тетра, пента итд.). Тако је назив трипептида Val­Ser­His: валил­серил­хистидин.

Повезане ригидне планарне пептидне групе у структури пептида или протеина (више од 50 остатака амино­киселина у ланцу) образују полипептидну кичму молеку­ ла (слика 2.3.6). Полипептидни ланци су флексибилни, захваљујући слобо�ној ро�ацији око две врсте веза: Cα–C и Cα–N (слика 2.3.5). Последица је практично неограни­ чен број конформација протеина, тј. �рос�орних рас�ореда а�ома и �ру�а а�ома у молекулу, као резултат ротације око једноструких ковалентних веза.

ХЕМИЈА 4 93

Под физиолошким условима полипептидни низ не остаје неу­ ређен („истегнут”), већ се непо­ грешиво увија, увек у исту кон­ формацију, јединствену за сваки протеин, коју називамо нативна структура протеина. Она је ста­ билизована различитим типови­ ма веза између атома и група ато­ ма у макромолекулу. Најзаступље­ није су: водоничне везе, привлачне Ван дер Валсове интеракције, електростатичке интеракције (сони мостови), дисулфидне ковалентне везе (слика 2.3.7) и хидрофобне силе.3

бочни остаци полипептидна кичма амино- или N-крај

карбоксилни или C-крај пептидна веза

Слика 2.3.6. – Приказ структуре једног тетрапептида: нефлексибилна полипептидна кичма резултат је повезивања ригидних планарних пептидних група.

Ван дер Валсове интеракције

водоничне везе

Слика 2.3.8. – Хемијска структура окситоцина (лево) и вазопресина. Црвеном бојом означене су разлике у два аминокиселинска остатка у овим молекулима. Да ли сте знали да окситоцин („укротитељ лавова”) и вазопресин („бели витез”) такође убрајамо у молекуле љубави? Они показују опиоидима сличне ефекте на мозак човека, помажући да права љубав између партнера опстане.

3

јонске интеракције

дисулфидна веза

Слика 2.3.7. – Типови веза између атома и група у бочним остацима амино-киселина у полипептидном ланцу. Све оне помажу у стабилизацији (опстанку) увијене структуре протеина у воденом раствору.

Phe Leu

Ile

Arg

Једино у води (глобуларни) протеин може да се увије у нативну, биолошки активну конформацију, која показује карактеристичну активност. Зашто? Прелазак неполарних остатака амино­киселина, слабо растворних у води, у неполарну унутрашњост увијеног протеина смањује слободну енергију система (протеин + вода): хидрофобни ефекат. Он омогућује и да атоми и групе из бочних остатака амино­ ­киселина, међусобно удаљени у примарној структури протеина, приђу довољно близу једни другима да могу да награде везе (слика 2.3.7) које додатно стабилизују увијени протеин.

94 Макромолекули живота

Многи природни пептиди важни су регулаторни молекули у организму човека. Три­ пептид глутатион је снажан антиоксиданс, неопходан за правилни рад имунског систе­ ма, изградњу и поправку свих наших ткива. Неурохипофиза лучи два нонапептида (сли­ ка 2.3.8): антидиуретски хормон вазопресин, који контролише количину воде у теле­ сним течностима, и окситоцин, који стимулише контракције материце на порођају и регулише лактацију након порођаја.

2.3.2. ПРОТЕИНИ

П

оред угљеника, водоника и кисеоника, које налазимо у структури угљених хидра­ та и једноставних липида, протеини у својој структури садрже и азот и сумпор.4 Хидролизом протеина, загревањем у присуству киселина или база, добија се смеша α­амино­киселина, на основу чега је Емил Фишер исправно претпоставио да протеини настају повезивањем амино­киселина амидним везама. Фишер је успео да из амино­ки­ селина синтетише пептиде малих молекулских маса, чија су својства била слична пепти­ дима добијеним делимичном хидролизом природних протеина. На овај начин Фишер је поставио основе хемије протеина, као што је поставио основе хемије угљених хидрата.

Подела и улоге протеина у живим системима

После воде, протеини су најзаступљенији молекули у ћелији. Око 70% суве масе бакте­ рије Escherichia coli чине протеини, а 88% метаболичке енергије ова бактерија потроши за синтезу око 4.200 протеина. Број протеина у сложенијим живим системима много је већи, на десетине хиљада различитих протеина постоји у телу човека. Протеине у природи сврстава­ мо у групе, на основу разлика у: (а) структури (облику) молекула; (б) хемијском саставу протеина; (в) биолошкој улози коју протеин обавља у живим системима. На основу структурног облика молекула разликују се две велике групе протеина: фибрилни (влакнасти) и глобуларни (лоптасти) (слика 2.3.9). Неки аутори издвајају и трећу групу: прелазне (интермедијарне) протеине, као фибрино­ ген укључен у процес згрушавања (коагулације) крви, који деле својства и фибрилних и глобулар­ них протеина.

Молекули фибрилних протеина веома су изду­ жени и граде чврста и јака влакна нерастворљива у води. Превасходно имају структурну и заштитну Слика 2.3.9. – Два основна облика структуре протеина улогу. Изграђују ванћелијски матрис, везивно тки­ у природи: фибрилни (влакнасти) и глобуларни (лопта- во, кости, кожу, косу, нокте, перје и рогове. Примери сти) протеини, различитих физичко-хемијских каракте- за влакнасте протеине су и колаген, еластин, фи­ броин, актин и миозин, α­кератин. ристика и биолошке улоге 4

Релативно стални удео азота у протеинима (око 16%) искоришћен је за одређивање приближног садржаја протеина у храни. У испитиваном материјалу одреди се азот (методом по Кјелдалу), те се нађена вредност помножи са 100/16.

ХЕМИЈА 4 95

› Паукова мрежа. Свилена нит од које паук исплете своју мрежу сматра се најчвршћом и најеластичнијом супстанцом у природи. Изграђена је од фибрилног протеина фиброина, који је мешавина две компоненте: меког и аморфног спидроина 1, који даје еластичност, и чврстог кристалног спидроина 2, који обезбеђује чврстину. Ови протеини су кисели, што штити нит и мрежу од бактерија и гљивица. Фиброин је највећим делом састављен од две најједноставније амино-киселине (глицина и аланина).

Глобуларни протеини су сферног облика и растворљиви су у води. За разлику од фибрилних протеина, веома су осетљиви на промене услова унутар тела (pH и темпера­ туре). Немају „статичку”, структурну улогу протеинских влакана, већ „динамичку”, покретачку улогу, и испољавају карактеристичну активност. Сви ензими, заштитна антитела, транспортни протеини, рецепторски молекули и протеински хормони глобу­ ларног су облика у животињским ћелијама.

На основу састава молекула протеини се деле на једноставне (просте) и сложене (коњуговане). Једноставни су изграђени само од α­амино­киселина, имају релативно једноставну организацију структуре, а облик молекула може бити и влакнасти и лопта­ сти. Примери једноставних протеина су колаген, хистони, миозин, инсулин и α­кератин. Конјуговани протеини садрже и компоненту (једну или више) која није амино­кисели­ на. Уобичајени назив за непротеински део је простетичка група (табела 2.3.2), неопход­ на за биолошку функцију сложених протеина, који су обично глобуле растворљиве у води. Већина ензима су конјуговани протеини. Табела 2.3.2. – Подела сложених протеина на основу хемијске природе њихових простетичких група Класа протеина

Простетичка група

Пример(и)

фосфопротеини

фосфорна киселина

казеин млека, вителин жуманца

гликопротеини

угљени хидрати

већина мембранских протеина, муцин из пљувачке

липопротеини

липиди

мембрански протеини

нуклеопротеини

нуклеинске киселине

протеини у хромозомима, структурни протеини рибозома

хромопротеини

пигмент (обојена супстанца, као хем)

хемоглобин, фитохроми и цитохроми

флавопротеини

FAD (флавин-аденин-динуклеотид)

протеини система за транспорт електрона у митохондријама

металопротеини

јон(и) метала

алкохол-дехидрогеназа

Коначно, према сврси деловања у живим системима, протеине с карактеристичном активношћу класификујемо у више група. Наведимо неке од њих. Протеински ензими (одељак 2.3.3) перфектни су биолошки катализатори који убрзавају реакције у живим си­ стемима. Хормони су регулаторне супстанце произведене у једном делу организма, које се телесним течностима преносе до ћелија или ткива на која делују. Примери протеинских

96 Макромолекули живота

› Приказ структуре људског албумина (модел испуњених сфера), најзаступљенијег протеина у крвној плазми (34–54 g/L), који има облик срца. Он везује и преноси масне киселине, хормоне, лекове и друга неполарна једињења, пуферује pH-вредност и одржава осмотски притисак крви.

антиген

лаки ланац

тешки ланац

антитело – IgG

› Упрошћени приказ опште структуре антитела (имуноглобулина). Четири полипептидна ланца (два тешка и два лака) држе се заједно дисулфидним везама, образујући структуру у облику слова Y. Имуноглобулини класе G највише су заступљeна антитела у плазми здравих одраслих људи (6–16 g/L).

Структура глобуларних протеина

(пептидних) хормона су инсулин и глука­ гон (оба настају у панкреасу), као и хор­ мон раста и пролактин (из хипофизе). Транспортни протеини преносе разли­ чите егзогене (из спољашње средине) и ендогене (настале унутар организма) супстанце свуда по телу. Хемоглобин и миоглобин преносе кисеоник, серум­ал­ бумин масне киселине, метаболите и ле­ кове. Специјализовани протеини (ка­ нали и пумпе) у биолошким мембранама задужени су за транспорт јона и хранљи­ вих молекула. Многи протеини складиште нутри­ јенте у организму животиња: феритин гвожђе, а казеин, овалбумин и пшенични глутен амино­киселине (резервни протеини). Антитела (имуноглобулине), ве­ лике гликопротеине, производе специ­ јализовани леукоцити (Б­лимфоцити). Имуноглобулини класе G везују се за ан­ тигене бактерија, гљивица, вируса и то­ ксина, и помажу у њиховом уништењу. Ако имамо алергију, наш имунски систем претерано реагује на алерген, стварањем имуноглобулина класе Е. Ова антитела потом путују до ћелија које ослобађају супстанце – изазиваче алергијских реак­ ција, са симптомима у носу, плућима, грлу или на кожи.

Својства протеина условљена су структуром и хемијским карактеристикама амино­ ­киселина од којих су изграђени. Попут амино­киселина, протеини су амфотерни моле­ кули, имају карактеристичну изоелектричну тачку и оптички су активни.

Сложена структура омогућава протеинима да обављају разноврсне улоге у живим системима. Зато је упознавање структуре протеина услов за разумевање њихове акти­ вности и функције. Основу структуре сваког протеина чини полипептидни ланац, лине­ арни полимер амино­киселина повезаних пептидном везом. У воденој средини, он се спонтано увија у за сваки протеин карактеристичну тродимензионалну, биолошки ак­ тивну структуру. Просторна грађа протеина разматра се у нивоима структуре. Основни нивои структурне организације (глобуларних) протеина јесу примарна, секундарна, терцијарна и кватернарна структура (слика 2.3.9).5 5

Поделу сложене структуре протеина на примарну, секундарну и терцијарну предложио је 1956. године дански протеински хемичар Линдстрем­Ланг (Linderstrøm­Lang). Она се примењује и за разматрање структуре других биополимера.

ХЕМИЈА 4 97

Примарна структура протеина подразумева редослед (секвен­ цу) амино­киселина међусобно по­ везаних пептидним везама, број и положај дисулфидних мостова у полипептидном ланцу. Синоним за примарну структуру је ковалентна структура протеина. После биоси­ нтезе поједини протеини подлежу модификацијама структуре, у који­ ма долази до ковалентног вези­ вања појединих компоненти (нпр. шећера) за бочне остатке амино­ ­киселина.

примарна структура

секундарна структура

амино-киселина алфа-хеликс

терцијарна структура

кватернарна структура

полипептидни ланац

протеин

Слика 2.3.9. – Нивои структуре протеина

Први протеин коме је одређена примарна структура био је инсулин (Фредерик Сан­ гер, 1953. година). Инсулин је хормон који настаје у панкреасу и регулише ниво глукозе у крви. Молекул људског инсулина састоји се од два полипептидна ланца, међусобно по­ везана дисулфидним (S–S) везама (слика 2.3.10). Последица недостатка инсулина у крви је шећерна болест (дијабетес). Дијабетес не може да се излечи, али може да се контро­ лише, лековима или без њих.

ланац Б 30 амино-киселина

ланац A 21 амино-киселина

Сваки протеин има карактеристи­ чан, тачно о�ређен редослед амино­ки­ селина у структури молекула. Позната је ковалентна структура више од два милиона протеина. Одређивање при­ марне структуре протеина један је од типичних задатака биохемичара. Слика 2.3.10. – Примарна структура инсулина човека. Свака куглица представља један амино-киселински остатак. Два полипептидна ланца (А и Б) повезана су двема дисулфидним везама; трећу налазимо унутар краћег А ланца. До пре 30 година у медицинске сврхе коришћен је говеђи и свињски инсулин, будући да они имају структуру веома сличну структури људског инсулина (хомологни протеини).

Секундардна структура протеина представља добро дефинисане и лако препозна­ тљиве локалне уређене структуре (конформације) полипептидне кичме. Хемијска приро­ да и конформација бочних остатака амино­киселина не разматрају се у оквиру овог нивоа структуре протеина. Секундарна структура протеина је последица стварања водоничних веза између карбонилних атома кисеоника (C=O) и амидних атома водоника (N–H) поли­ пептидне кичме амино­киселина које су просторно близу у примарној структури. Два основна типа секундарне структуре у протеину су α-завојница (спирала или хе­ ликс) и β-набрана плочица.

98 Макромолекули живота

Алфа-завојница је најраспрострањенија секундарна структура како у глобуларним, тако и фибриларним протеинима. На окупу је држе водоничне везе између N–H групе једне и C=O групе друге амино­киселине која је у примарној структури протеина смеште­ на четири остатка даље. Све N–H групе окренуте су надоле, а све C=O групе нагоре, гото­ во паралелно оси завојнице (слика 2.3.11). Бочни остаци амино­киселина налазе се на спољашњој страни хеликса, слободни да се међусобно повезују (интерагују).

За разлику од структуре завојнице, β-набране плочице стабилизују водоничне везе између N–H и C=O група издужених суседних сегмената полипептидне кичме (слика 2.3.11). У глобуларним протеинима β­плочице се састоје од сегмената, 2–15, са просечно шест аминокиселинских остатака. Бочни остаци амино­киселина су наизменично усмере­ ни изнад и испод равни набране плочице. Антипаралелне β­плочице образују сегменти полипептидног низа супротних смерова, а паралелне β­плочице сегменти истог смера. алфа-завојница

бета набрана плочица

Слика 2.3.11. – Поједностављени приказ структуре α-завојнице (десно) и β-набране плочице (лево), најважнијих секундарних структура у свим протеинима. Карактеристичан облик обе структуре одржавају водоничне везе (испрекидана линија) које настају између карбонилног кисеоника једне, и амидног водоника друге амино-киселине из полипептидне кичме протеина.

Већина протеина садржи и α­завојнице и β­набране плочице у структури молекула. Неки протеини имају само један тип секундарне структуре. У молекулу хемоглобина и ми­ оглобина то је α­хеликс, а у структури фиброина свиле β­набрана плочица. Природа бочних остатака утиче на тип награђене секундарне структуре: аланин, леуцин и глутамин имају склоност према α­завојници, а триптофан, тирозин и фенилаланин према β­набраној пло­ чици. Пролин дестабилизује α­завојницу и најчешће се налази између секундарних струк­ тура у протеину, у структурно неуређеним регионима полипептидног ланца. Терцијарна структура протеина описује комплетну тродимензионалну структуру целокупног полипептидног ланца. Након стварања секундарних структура, делови по­ липептидног ланца независно се увијају у домене, а домени у компакну глобулу. Доме­ ни су различите структурне и функционалне јединице у протеину.

ХЕМИЈА 4 99

Терцијарну структуру стабилизују интеракције између бочних остатака амино-киселина (водоничне везе, ван дер Валсове и електростатичке привлачне силе; слика 2.3.7). Оне настају између (у примарној структури) удаљенијих делова молекула, што протеину даје карактеристичан облик у простору (конформација). Зато је синоним за терцијарну структуру конформација полипептидног ланца или протеина, тј. про­ сторни распоред секундарних структура и положај бочних остатака амино­киселина у молекулу. Овај ниво структуре додатно стабилизују и ковалентне дисулфидне (S–S) везе, настале оксидацијом две тиолне групе у бочним остацима цистеина (слика 2.3.3). Унутрашњост и спољашњост протеинске глобуле добро је дефинисана. Бочни остаци неполарних амино­киселина (Leu, Ile, Val, Met, Phe) смештени су унутар протеина, где нису у кон­ такту с водом (хидрофобни ефекат). Поларни наелектрисани бочни остаци (Arg, Lys, His, Glu, Asp) на површини су молекула, у додиру с молекулима воде. Поларне ненаелектрисане групе (Ser, Thr, Asn, Gln, Tyr) обично се налазе на површини протеина, често и у унутрашњости молекула. Остаци амино­киселина који имају и поларни и неполарни део оријентишу се тако да су им неполарни делови у унутрашњости, а поларни на спољашњој страни глобуле. Све поларне групе на површини молекула про­ теина водонично везују молекуле воде, тако да се овај тип про­ теина добро раствара у води.

Миоглобин је први протеин коме је одређена терцијарна структура (Џон Кендрју, 1957. године). Налази се у попречно­ ­пругастим (скелетним и срчаним) мишићима. Састоји се од јед­ ног полипептидног ланца (153 амино­киселине код човека) и хема као простетичке групе (слика 2.3.12). Основна физиолошка улога молекула миоглобина је снабдевање ћелија мишића кисе­ оником, који преузимају од молекула хемоглобина.

Слика 2.3.12. – Поједностављени приказ структуре миоглобина, моделпротеина за изучавање терцијарне структуре глобуларних протеина. Око 80% остатака амино-киселина део је структуре осам α-завојница (хеликса). Миоглобин садржи хем као чврсто везану простетичку групу и везује један молекул кисеоника.

Кватернарна структура протеина највиши је ниво структуре глобуларних проте­ ина. Среће се код протеина који се састоје од две подјединице или више подјединица (олигомера), које су повезане нековалентним везама, или (ређе) дисулфидним мостови­ ма. Овај ниво структуре описује просторни распоред подјединица у олигомеру. Подје­ динице (појединачни полипептидни ланци) могу бити исте (хомоолигомери) или ра­ зличите (хетероолигомери). Већина олигомерних протеина има две субјединице (димер; као ензим реверзна­транскриптаза) или четири субјединице (тетрамер; као ензим каталаза). бета-ланац

Слика 2.3.13. – Схематски приказ кватернарне структуре хемоглобина (α2β2 тетрамер). После колагена, црвени хемоглобин је најзаступљенији протеин у телу човека (12–16 g на 100 g крви). За јон гвожђа (Fe2+) у структури хема везују се и други лиганди – угљен-моноксид око 200 пута јаче, што смањује снабдевање тела кисеоником. Тровање угљен-моноксидом (из дуванског дима, гасова који избацују фабрички димњаци, пећи и мотора са унутрашњим сагоревањем) може бити фатално.

Fe2+

хем алфа-ланац

100 Макромолекули живота

Молекулску структуру хемоглобина, после више од 20 година рада, открио је 1959. године Макс Перуц. Хемоглобинска глобула модел је за изучавање не само кватернарне структуре већ и регулације биолошке активности протеина везивањем малих молекула (лиганди). Хемоглобин човека изграђен је од четири полипептидна ланца, два алфа­ ­ланца и два бета­ланца, а сваки од њих има чврсто везан један молекул хема (слика 2.3.13). Хемоглобин везује и преноси кисеоник из плућа до свих ћелија и ткива у телу. Такође, преноси угљен­диоксид (производ аеробне оксидације енергетских горива) из ткива назад у плућа.

Стaбилност глобуларних протеина

Природни облик у коме глобуларни протеини испољавају своју биолошку активност називамо нативна конформација протеина. Она је само мало стабилнија од развије­ ног, структурно неуређеног полипептидног ланца, тако да прелаз из активне у развије­ ну конформацију (денатурација протеина) може релативно лако да се изазове.

Различита средства развијају (денатуришу) молекуле глобуларних протеина, раски­ дајући нековалентне везе које стабилизују више нивое њихове структуре. То могу бити физички фактори (температура, хидростатички притисак, механичка сила) и хемијски фактори (промена pH, додатак органских растварача, јона тешких метала, јаких кисели­ на и база, детергенти, уреа). Нарушавање нативне структуре протеина у воденој среди­ ни доводи до смањења или потпуног губитка његове активности.

Денатурација протеина често је неповратан процес: скоро сви у води растворни про­ теини коагулишу када се изложе загревању на повишеним температурама. Након уклањања узрока денатурације протеини могу да се ренатуришу. Штавише, неки мали глобуларни протеини поново се увију у биолошки активну структуру. Ово је доказ да је увијање полипептидног ланца у нативну конформацију под (симулираним) физиоло­ шким условима спонтан процес – информација за терцијарну (3D) структуру протеина налази се у његовој примарној структури (амино­киселинска секвенца).

› Примери денатурације протеина. Ако испечемо беланца јајета, долази до таложења и коагулације протеина и ова промена је неповратна (лево). Ако механички (мутилицом или миксером) направимо „снег” од беланаца, такође долази по денатурације (десно). Међутим, ова промена је повратна – након неког времена снег од беланаца се враћа у течно стање.

ХЕМИЈА 4 101

2.3.3. ЕНЗИМИ

Ј

една од најупадљивијих одлика хемијских реакција у живим системима јесте њихо­ во веома брзо одвијање при благим физиолошким условима температуре и притиска. Ово је могуће захваљујући природним катализаторима – ензимима (ферментима, како су се раније називали), који се налазе у живим ћелијама и ткивима.6 Катализатор (пози­ тивни) јесте свака супстанца која убрзава хемијску реакцију, при чему се не троши. Без ензима би процеси у телу били превише спори и водили би до производа који организму нису потребни или оних који би му штетили. Ензими су биолошки катализатори протеинске природе, а супстрати молекули на које ензими делују. Каталитичку актив­ ност показују и неки молекули рибонуклеинске киселине (рибозими).

Ензими се обично називају по реакцији коју катализују (протеиназе, хидролазе, ли­ пазе, оксидазе...). Најчешће се име ензима добија додавањем суфикса -аза на главни део имена супстрата (уреаза, аргиназа, тирозиназа...). Задржала су се и старија имена (трип­ син, пепсин, ренин, лизозим...). Да би се избегла забуна и употреба различитих назива за исти ензим, Међународна комисија за ензиме разрадила је систем класификације, по којој се назив ензима састоји из два дела. Први део означава назив супстрата, а други тип хемијске реакције (лактат­дехидрогеназа, ДНК­полимераза, супероксид­дисмута­ за...). Сви ензими сврстани су у једну од шест група (табела 2.3.3), које се деле у подгрупе. Тако, на пример, у групи хи�роли�ичких ензима разликујемо естеразе (убрзавају хидро­ лизу естарских веза), протеиназе (хидролиза пептидних веза), липазе (хидролиза три­ ацилглицерола) итд. Табела 2.3.3. – Међународна класификација ензима. Већина ензима катализује пренос електрона, атома, или функционалних група између молекула супстрата. Група

Класа

Тип хемијске реакције коју ензими убрзавају

1

оксидоредуктазе

пренос електрона

2

трансферазе

пренос функционалних група

3

хидролазе

хидролитичке реакције

4

лиазе

адиција група на двоструке везе; образовање двоструких веза уклањањем група

5

изомеразе

пренос група унутар молекула, стварање изомера

6

лигазе

реакције кондензације, уз утрошак ATP-a

Сви протеински ензими су глобуларне структуре. Многи у молекулу садрже непротеински део, неопходан за испољавање каталитичне активности. Металоензими имају везан јон метала (кофактор), цинк у алкохол­дехидрогенази. Коензими су мали органски молекули неопходни за активност великог броја ензима. Витамини В­групе (одељак 4.3), као коензими, помажу ензимима који су део енергетског метаболизма ћелије (поглавље 3).

6

Припремање сира, винског сирћета и вина, као и кисељење купуса, ензимски су процеси примењивани од давнина. Појам ензим, с краја 19. века, повезан је са испитивањем преласка шећера у алкохол у присуству квасаца (процес ферментације): на грчком ἔνζυμον = у квасцу.

102 Макромолекули живота

› Приказ структуре алкохол-дехидрогеназе, групе ензима која као кофактор садржи везани јон цинка (Zn2+) и убрзава оксидацију примарних алкохола до aлдехида. Висок ниво овог ензима у нашој јетри и желуцу детоксификује једно жестоко алкохолно пиће сваког сата. Етанол прелази у ацеталдехид (још токсичнији молекул!), који се, затим, брзо претвара у за ћелије користан ацетат.

Како ензим убрзава хемијску реакцију? Попут свих катализатора, ензими убрзавају само спонтане, термодинамички пово­ љне хемијске реакције,7 не утичући на константу равнотеже, а из реакције излазе непро­ мењени. Свака реакција има своју енергетску баријеру, коју реактанти морају да савла­ дају. Ензими смањују енергију активације, што повећава брзину хемијске реакције. Ензими су изузетно ефикасни биокатализатори, огромне каталитичке моћи – убрза­ вају брзину реакције до невероватних 1015 пута. Притом, они су специфични у деловању и имају бројне могућности за регулацију активности.

Део структуре који везује супстрат и где супстрат подлеже хемијској промени јесте активно место на ензиму. Када се супстрат (S) веже за активно место на ензиму (Е), образује се ензим-супстрат (ES) комплекс. Повезивање ензима и супстрата најчешће се остварује слабим (нековалентним) везама, истим оним које стабилизују нативну стру­ ктуру протеина (водоничне везе, електростатичке и Ван дер Валсове интеракције, хидрофобни ефекат и друге међумолекулске силе). Потом ензим користи енергију везивања супстрата у катализи, да стабилизује нестабилно прелазно стање реакције (ре­ активни интермедијери) и смањи енергију активације (слика 2.3.14). Пошто је зависност између енергије активације и брзине хемијске реакције експоненцијална (тзв. Аренију­ сова једначина), и најмање смањење енергије активације дејством ензима драматично убрзава (најмање милион пута) неку хемијску реакцију у нашем телу.

ток р е

и од

акциј

7

без ензима

реактанти

са ензимом

енергија (kJ)

активирани комплекс

е

пр

зв ои

Слика 2.3.14. – Ензим смањујe енергију активације неке хемијске реакције. Енергија активације је минимална количина енергије потребна за покретање реакције, тј. висина енергетске баријере између минимума енергије реактаната и производа реакције. Замислите да се на путу пред вама налази велико брдо. Да ли је брже да се прво попнете на врх брда, а потом сиђете до подножја, одакле ћете да наставите свој пут до одредишта (ток хемијске реакције у одсуству катализатора), или да одмах прођете кроз тунел пробијен кроз брдо (ток хемијске реакције у присуству ензима)? Ензими обезбеђују „пречице”, којима се много брже долази до истог циља!

За одвијање хемијске реакције неопходно је да буду испуњена два услова: термодинамички – да промена слободне енергије процеса буде негативна, и кинетички – да се реакција одвија довољно великом брзином. У живим системима, термодинамички неповољне реакције су повезане с хидролизом „енергијом богатих” једињења, првенствено молекула аденозин­трифосфата (ATP).

ХЕМИЈА 4 103

Специфичност ензима као биокатализатора поједностављено се објашњава моделом „кључа” и „браве” (слика 2.3.15). Супстрат се везује за активно место на ензиму само ако му одговара обликом, баш као што кључ обликом пристаје својој брави. Како сваки кључ не отвара сваку браву, тако и ензим не везује и хемијски не мења сваки супстрат – специфичност ензима. По правилу, један ензим препознаје само један супстрат. Ако у молеку­ лу супстрата постоји хирални атом угљеника, ензим, који је и сам хиралан молекул про­ теина, прихватаће само један енантиомер као супстрат – стереоселективност ензима. одговарајући кључ (супстрат)

брава (ензим)

погрешан кључ (супстрат)

брава (ензим)

потпуно налегање (реакција)

делимично налегање (без реакције)

Слика 2.3.15. – Схематски приказ деловања ензима према моделу кључ→брава. Eнзим и супстрат поседују специфичне комплементарне (подударне) геометријске облике, који се тачно уклапају један у други.

У живим системима ензим, као конформационо флексибилан макромолекул, мало прилагођава своју структуру да што „јаче” веже супстрат, тј. оствари највећи могући број интеракција са супстратом: модел изазваног (индукованог) слагања. Зашто је ово ва­ жно? Ензим користи енергију веза у ензим–супстрат комплексу да довољно смањи енер­ гију активације реакције коју катализује (убрзава).

Регулација активности ензима

Иако у процесу везивања супстрата и катализи учествује мали број амино­киселина, терцијарна и кватернарна тродимензионална структура одређује карактеристичан облик маленог активног места на површини ензима. Важна карактеристика ензима као биолошких катализатора јесте и то да се њихова каталитичка активност може регулисати, под сасвим благим условима карактеристичним за ћелије и телесне течности.

брзина реакције

де Енз ак им ти је ви ра н.

температура

је Ензимисан. ур денат

брзина реакције

Протеински ензими имају највећу активност, сразмерну брзини ензимске реакције, у нагивној конформацији, која је веома осетљива на промене у окружењу макромолекула. Активност ензима пре свега зависи од температуре и pH вредности (слика 2.3.16).

pH (кисело, базно)

Слика 2.3.16. – Сваки ензим има оптималне (О) вредности температуре и pH, на којима је најактивнији и може да постигне највећу могућу брзину хемијске реакције коју катализује. Колики је температурни и pH оптимум за хипотетичке ензиме са слике?

Сваки ензим има такозвану оптималну температуру деловања, на којој је најефика­ снији. За активност ензима у нашем телу оптимална температура је око 37 °C. Већина ензима се потпуно инактивира изнад 55–60 °С. Међутим, термофилне бактерије, које живе у неким топлим изворима воде, садрже ензиме који су активни и изнад 85 °С. Кисе­ лост (pH вредност) средине у којој ензим делује има велики утицај на брзину ензимом

104 Макромолекули живота

катализоване реакције. Област pH деловања различитих ензима веома је широка. Кисе­ лији услови одговарају дигестивним ензимима, као пепсину, који у желуцу (pH између 1,5 и 2,5) хидролизује протеине хране, а базнији алкалној фосфатази или аргинази. Ван уског опсега оптималних вредности температуре и pH ензими постају мање активни, или неактивни, a може доћи и до денатурације и трајног губитка каталитичке моћи.

Важан физиолошки механизам регулације активности ензима је и њихова (де) фосфорилација. Ензими киназе додају неоргански фосфат на хидроксилне групе оста­ така амино­киселина (обично Ser и Thr) на површини протеина. Ензими фосфатазе имају супротан учинак – уклањају фосфатну групу с протеина. Промена конформације ензима, као последица ове ковалентне послетранслационе модификације, различито утиче на њихову активност. Неки ензими су каталитички активнији након фосфорила­ ције, други у дефосфорилованом облику.

На активност ензима утиче и присуство инхибитора (негативних катализатора). Инхибитори су за сваки ензим специфични, мали молекули или јони који успоравају каталитичку активност ензима. Иреверзибилни (неповратни) инхибитори се кова­ лентно везују за активно место на ензиму и потпуно блокирају његову активност. При­ мери су нервни бојни отрови (инхибиција ацетилхолин­естеразе), пеницилински анти­ биотици (инхибиција транспептидаза) и аспирин (инхибиција циклооксигеназа). Реверзибилни (повратни) инхибитори везују се за ензим нековалентним силама, што изазива промену структуре ензима довољну да она утиче на смањење каталитичке моћи. Када се реверзибилни инхибитор уклони са ензима, активност се враћа на поче­ тну вредност. Компетитивни (конкурентски) инхибитори везују се за исто место на ензиму (активни центар), тако да ензим не може да веже свој супстрат у присуству ин­ хибитора овог типа (слика 2.3.17). Пошто су малонат и сукцинат веома сличне структу­ ре, малонат се везује за активно место сукцинат­дехидрогеназе (ензим Кребсовог циклуса) делујући као компетитивни инхибитор. Некомпетитивни (неконкурентски) инхибитори везују се изван активног места ензима. Последица њиховог везивања је не­ могућност супстрата да се правилно веже за своје место на ензиму, или онемогућавање каталитичког корака. Некомпетитивни инхибитори за цитохром­оксидазу су и јони тешких метала и цијаниди. КОМПЕТИТИВНА

НЕКОМПЕТИТИВНА

супстрат

супстрат

ензим инхибитор 1

ензим

различито место везивања

исто место везивања

Слика 2.3.17. – Схематски приказ два типа инхибиције активности ензима

инхибитор 2

ХЕМИЈА 4 105

Практична примена ензима – Ензими имају велику примену у прехрамбеној, текстилној, пољопривредној, козметичкој и фармацеутској индустрији, као и у ветерини и медицини. Употреба ензима у прехрамбеној индустрији омогућила је производњу стабилних, квалитетних, одрживих и укусних производа, добро прихваћених од потрошача.

– Ензими се користе за хидролизу полазних сировина, ензимске трансформације чистих супстрата, убрзање процеса сазревања различитих врста производа, побољшање варења хране и уклањање непожељних састојака и нуспроизвода. Ензими су кључни за прављење сира (химозин/ренин), кондиторских производа (липазе, инвертазе и амилазе) и воћних сокова (пектиназе, глукоза-оксидаза и каталаза). У пекарству се користе и амилазе, протеиназе и липазе. Традиционални извор ензима у пиварству је слад; ензими присутни у ендосперму зрна јечма су амилазе, протеиназе, глуканазе и целулазе.

– Индустријска употреба ензима све је већа и у производњи биогорива и биополимера. Микроорганизми садрже ензиме способне да разграђују токсична хемијска једињења индустријског и кућног отпада (феноле, нитриле, амине итд.).

фармацеутици

дијагностика

истраживања и развој

храна за животиње

храна и пића

предмети за домаћинство

биогориво

биотехнологија

биокатализа

– Потребни индустријски ензими долазе из природних (микробних) извора или се до- › Уобичајене индустријске примене ензима бијају ензимским инжењерингом.

Научници у фокусу Фредерик Сангер (Frederick Sanger, 1918–2013) био je енглески биохемичар. Студирао је и докторирао на Универзитету у Кембриџу, где је радио до краја своје каријере. Двоструки је добитник Нобелове награде за хемију. Прву је примио 1958, за своја истраживања примарне структуре бројних протеина, пре свега хормона инсулина. Другу је поделио 1980. с Волтером Гилбертом (Walter Gilbert), за проналазак прве технике секвенцирања молекула ДНК. Трећи добитник Нобелове награде из хемије те године био је Пол Берг (Paul Berg), за биохемијске студије рекомбинантне ДНК. Бриљантност Сангеровог дела не огледа се само у томе шта је открио, већ и како је то урадио. Као изузетно вешт експериментатор, он је развио револуционирне технике секвенцирања протеина и ДНК, које се и данас користе. Макс Перуц (Max Perutz, 1914–2002) био je британски молекуларни биолог, рођен у Аустрији. Са Џоном Кендрјуом (John Kendrew) поделио је Нобелову награду за хемију 1962, за проучавања структуре глобуларних протеина – хемоглобина (Перуц) и миоглобина (Кендрју). Био је пионир рендгенске кристалографије протеина и у Кембриџу је основао најуспешнији институт те врсте у свету. Истакао се и као неуморан комуникатор, амбасадор науке и хуманиста и био је инспирација за младе научнике. И поред бриљантног ума и бројних достигнућа, остао је скроман и саосећајан човек који је свој интелект и шарм користио у циљу слободе и мира, неустрашиво се залажући за људска права.

106 Макромолекули живота

У ФОКУСУ. – Протеини у исхрани савременог човека Кључ правилне исхране је у постизању равнотеже уноса и потрошње макронутрије­ ната (угљених хидрата, липида и протеина). Структурни протеини помажу у изградњи свих ћелија и ткива, а глобуларни протеини обезбеђују све виталне функције у живим системима. За разлику од угљених хидрата (полимера глукозе) и липида (масних кисе­ лина у саставу триацилглицерола масти и уља), наше тело не �рави залихе протеина. Ако би престали да једемо протеине, оно би почело да разграђује скелетне мишиће. Смер­ нице за исхрану Европске агенције за безбедност хране (https://www.efsa.europa.eu/en) сугеришу да је просечној одраслој особи потребно најмање 0,8 g протеина по kg телесне масе дневно. Дневне потребе за протеинима су веће код спортиста: између 1,2 g (спорто­ ви издржљивости) и 2 g (спортови снаге) протеина на сваки килограм масе.

Варење оброка богатог протеинима траје дуже и даје осећај ситости. Прекомерни унос протеина може бити напоран за бубреге, и доприноси гојењу. Само мали део вишк­ ова протеина се излучује из тела, док се остатак претвара у глукозу или депонује као маст. Унос великих количина протеина може да доведе до дехидрације, чак и код врхун­ ских спортиста. Ако је за вашу исхрану карактеристичан висок садржај протеина (ника­ ко више од 30% укупног калоријског уноса), важно је да пијете више воде. Ова препору­ ка је посебно важна за младе људе који као значајан извор протеина користе прашкасте суплементе за добијање мишићне масе, као што су протеини сурутке у праху.

Слика 2.3.18. – Животињске и биљне намирнице богате протеинима. Суплементација протеинима сурутке (енгл. Whey proteins), заједно са адекватним вежбама, може да помогне у побољшању синтезе мишићних протеина и расту немасне масе ткива човека.

Протеини у исхрани човека потичу из биљних и животињских извора. Црвена меса, плодови мора, јаја, млеко и млечни производи су висококвалитетни извори протеина (слика 2.3.18). Они обезбеђују све есенцијалне амино­киселине, као и многе друге хранљиве састојке, попут гвожђа, витамина B­групе и цинка. Хладноводне рибе, као ло­ сос, туњевина и харинга, такође су одличан извор животињских протеина, а богате су и драгоценим омега­3 масним киселинама (ЕPА и DHА). Биљни извори се не сматрају �о��уним протеинима, пошто немају довољно свих есенцијалних амино­киселина. Због тога је важно, посебно за вегане, у исхрану укључити шири избор намирница. Протеини­ ма и влакнима богате су махунарке (грашак, пасуљ и сочиво). Орашасти плодови (ораси, бадем, лешници, пистаћи) и тофу (сир од соје) такође су добар избор за унос квалите­ тних биљних протеина, као и врхунски извор многих витамина и минерала.

ХЕМИЈА 4 107

Питања и задаци за утврђивање и проверу знања 1.

Молекули две протеинске амино-киселине (табела 2.3.1) у структури бочног остатка имају још један хирални центар. Пронађите које су то амино-киселине.

2. Напишите називе аланина, фенилаланина и лизина према IUPAC номенклатури.

3. Превeдите речи MILAN и IVAN у секвенцу протеинских амино-киселина у одговарајућем пептиду. Да ли је и ваше име слична врста шифре?

4. Нацртајте Фишерове пројекционе формуле D-цистеина и L-цистеина. Који од тих изомера улази у састав протеина и зашто?

5. Изоелектрична тачка метионинa износи 5,74. Нацртајте структуру метионина на pH 4 и pH 11.

6. Одредите секвенцу амино-киселина у глутатиону (структура на слице доле). Шта је необично у структури овог трипептида?

7.

Структурном формулом прикажите тетрапептид Gly-Glu-Ala-Cys и одредите његов назив.

8. Објасните зашто је растворљивост амино-киселина најмања у изоелектричној тачки.

9. Упоредите својства фибрилних и глобуларних протеина.

10. Објасните на који начин амино-киселинска секвенца одређује структуру пептида и протеина.

11. Упоредите сличности и разлике у структури и активности хемоглобина и миоглобина.

12. Објасните појмове: активно место ензима, супстрат и инхибитор.

13. Наведите факторе који утичу на активност ензима. Објасните у чему се огледа специфично деловање ензима.

14. Саставите хемијску асоцијацију с коначним решењем „Протеин(и)”. Образложите избор међурешења у колонама А–Г.

Проблемски задаци за радознале и оне који желе да знају више 1.

Пронађите које протеинске амино-киселине су слатког укуса, које немају укус, а које су горке. У прехрамбеној индустрији много се користи једна амино-киселина као појачивач укуса и замена за (кухињску) со. Која?

2. Главни састојак длаке, рогова, канџи, ноктију и епидермиса коже јесте протеин α-кератин. Истражите структуру овог протеина, као и због чега неки људи имају коврџаву, а други равну косу.

3. Титин је прави џин међу протеинима, дужине веће од 1 μm. Истражите како је он добио име и која је биолошка улога овог протеина у нашим мишићима.

4. Истражите који су типични симптоми тровања тешким металима и како може да се помогне унесрећеним особама.

108 Макромолекули живота

5. Пронађите три ензима који у примарној структури имају остатак селеноцистеина. Истражите значај селенопротеина за живе системе. Мала помоћ: нешто виши (не и превелики!) ниво селена у нашем телу повезује се с дужим животним веком.

6. Истражите молекулске основе деловања отровних протеина. На које структуре у нашем телу делују отрови змија и шкорпија? Ботокс се у пластичној хирургији (за уклањање бора) користи од 1987. године. Како делује ботокс и које би биле предности, а које мане третмана ботоксом?

7.

Дисулфирам (структура на слици доле) јесте активна супстанца антабуса, једног од лекова који се користе у лечењу алкохолизма. Пронађите који ензим је мета његовог деловања, где се лек везује и зашто ни најокорелији алкохоличари након његове употребе не посежу за боцом пића.

8. Пронађите за које откриће су Алтман (Altman) и Цех (Cech) добили Нобелову награду за хемију 1989. године. Три научника и једна научница су добитници две Нобелове награде. Једна особа је Фредерик Сангер. Пронађите преостале три особе. Мала помоћ: још једна од њих је споменута у тексту овог одељка књиге.

9. Истражите шта је хромофора (носилац боје) у плавом Це-фикоцијанину и како је она везана за апопротеин (протеински део сложеног протеина).

› Спортисти користе различите додатке исхрани (суплементе) за повећање снаге тела.

ХЕМИЈА 4 109

2.4. НУКЛЕИНСКЕ КИСЕЛИНЕ Зашто су нуклеинске киселине основа живота?

Када проучите садржај ове целине, сазнаћете: • које биомолекуле називамо нуклеинским киселинама; • каква је општа структура нуклеинских киселина; • сличности и разлике између молекула ДНК и РНК; • шта је наследна информација и како се она преноси у живим системима; • како је откриће структуре ДНК променило живот човека 21. века.

110 Макромолекули живота

УВОД

Нуклеинске киселине омогућују живим системима преношење генетске информа­ ције с једне генерације (родитељи) на другу (потомство). Ови макромолекули су и чувари свих генетских информација које одређују наше особине и омогућују синтезу протеина. Нуклеинске киселине које обрађујемо у овом делу уџбеника су дезоксирибонуклеинска киселина (ДНК) и рибонуклеинска киселина (РНК). Ови природни полимери сачињени су од ду�их линеарних ланаца нуклеотида (полинуклеотидни ланац), повезаних различитим ковалентним везама (�римарна с�рук�ура) и некова­ лентним везама (Виши нивои с�рук�уре).

Нуклеинске киселине (латински: nucleus = језгро), осим у једру, налазимо у цитопла­ зми ћелија биљака (митохондрије и хлоропласти) и животиња (митохондрије). Свака наша ћелија, са изузетком зрелих еритроцита, садржи целоку�ну генетску информа­ цију (код). Она одређује конкретан тип ћелије, како ћелија расте и развија се, како се дели и ствара протеине, ензиме, угљене хидрате, липиде и све друге молекуле нео­ пходне за одржање живота. Молекул ДНК садржи јединице наслеђивања или гене (грчки: genos = рођење). Сваки човек у једру ћелије има две копије сваког гена, по једну наслеђену од сваког родитеља. Већина гена је ис�а код свих људи: мале разли­ ке, у малом броју гена, одређују је�инс�вене физичке особине сваке особе. Многи гени делују као упутство за синтезу протеина у ћелији, помоћу молекула РНК. Геном је скуп свих наследних информација (гена) које садржи једна хаплоидна (полна) ћелија. Пројекат људског генома, покренут октобра 1990. и завршен у априлу 2003. го­ дине, један је од највећих научних подвига у историји. Стварање прве секвенце људског генома пружило је фундаментални увид у суштину човека као живог бића, што је убр­ зало проучавање биологије човека и побо­ љшало медицинску праксу.

› Упрошћени приказ структуре хромозома и организације ДНК човека. Хромозом је физички дискретни део генома са много појединачних гена. Еукариотски хромозом се састоји од хроматина, мешавине ДНК и протеина. Протеини, првенствено хистони, организују структуру ДНК, која је изузетно дугачак природни полимер нуклеотида (аденин, цитозин, гуанин и тимин). Соматске ћелије садрже 23 пара хромозома, односно 46 молекула ДНК, а полне (сперматозоиди и јајне ћелије) половину, тј. 23 хромозома (молекула ДНК). Прокариотски хромозоми су појединачни, кружни и не садрже хистоне (нису састављени од хроматина).

једро

хромозом

теломера центромера

ћелија хроматиде нуклеозоми

парови база

хистони

ДНК двоструки хеликс

ХЕМИЈА 4 111

2.4.1.НУКЛЕОТИДИ

Н

уклеинске киселине су органски макро­ молекули изграђени од угљеника, водоника, кисеоника, азота и фосфора. Два основна типа нуклеинских киселина су дезоксирибонуклеинскa киселинa (акроним ДНК) и рибонуклеинскa киселинa (РНК). Молекули ДНК и РНК се састоје од дугих ланаца нуклеотида повезаних ковалент­ ним везама. Сваки нуклеотид, мономерна јединица нуклеинских киселина, садржи три исте основне, мономерне јединице: азотну базу, моносахарид пентозу и фосфатну групу (слика 2.4.1). Хетероцикличне базе у саставу ну­ клеотида садрже атоме азота као део структуре једног или два прстена.1 Три базе, цитозин, тимин и урацил, јесу �ерива�и �ирими�ина – пиримидинске нуклеобазе. Аденин и гуанин су пуринске нуклеобазе, пошто садрже пурински ске­ лет у молекулу (слика 2.4.2). Аденин, гуа­ нин и цитозин улазе у састав и ДНК и РНК молекула. Четврта база у саставу ДНК је ти­ мин, док урацил замењује тимин у молеку­ лима РНК. Азотне базе се уобичајено краће означавају првим словом свога имена: А (аденин), G (гуанин), C (цитозин), Т (тимин) и U (урацил). Различити шећери �ен�озе (пет атома угљеника у молекулу) део су нуклеотида у структури нуклеинских киселина. D-рибоза је нађена у нуклеотидима који изгра­ ђују молекуле РНК, док је 2-дезокси-D-рибоза део молекула ДНК. Ова два шећера разликују се по супституенту везаном за атом угљеника означен као 2’ (слика 2.4.3): код рибозе то је хидроксилна група, која је у молекулу 2­дезокси­D­рибози замењена атомом водоника.

1

фосфатна група азотна база

пентоза

Слика 2.4.1. – Схематски приказ опште структуре нуклеотида. Азотна база и шећер пентоза повезују се у нуклеозид; након везивања фосфата (фосфорне киселине) настаје нуклеотид.

аденин

гуанин

тимин

пурини

цитозин

урацил

пиримидини

Слика 2.4.2. – Хемијска структура пуринских и пиримидинских база у саставу нуклеотида, који изграђују молекуле ДНК и РНК

5'

5'

4'

1' 3'

рибоза

2'

4'

1' 3'

2'

дезоксирибоза

Слика 2.4.3. – Хејвортове структурне формуле молекула пентозе у саставу нуклеинских киселина, с нумерички означеним атомима угљеника

Ови хетероцикли су не�оларни и �ланарни молекули; подсећају на пиридин и показују слаба базна својства. Отуда уобичајени назив: азотне базе или нуклеобазе.

112 Макромолекули живота

Слика 2.4.4. – Општа структура нуклеозида, на примеру дезоксиаденозина (база аденин); β-N-гликозидну везу налазимо у структури свих нуклеозида.

Повезивањем шећера рибозе с пуринским или пиримидинским ба­ зама настају нуклеозиди. У зависности од структуре шећера, разли­ кујемо рибонуклеозиде (са D­рибозом) и дезоксирибонуклеозиде (са 2’­дезокси­D­рибозом). Шећер и азотна база су повезани N-гликозидном везом, што значи да је аномерни атом угљеника моносахарида (C-1’) везан за (одговарајући) атом азота хетероцикла. Код пирими­ динских база то је азот на положају 1 (N-1), а код пурина на позицији 9 (N-9). Конфигурација аномерног угљеника у оба типа нуклеозида је β, тако да говоримо о β-N-гликозидној вези (слика 2.4.4).

Тривијална имена нуклеозида изводе се на основу имена азотне базе и везаног шећера. Ако је D­рибоза везана за аденин, нуклеозид је аденозин, за гуанин – гуанозин, за цитозин – цитидин, а за урацил – уридин. На исти начин, нуклеозиди с везаном 2­дезокси­D­рибозом јесу: дезоксиаденозин (аденин као нуклеобаза), дезоксигуанозин (гуанин), дезоксицитидин (цитозин) и дезокситимидин (тимин).

Хемијски, нуклеотиди као градивни блокови нуклеинских кисели­ на јесу естри нуклеозида и фосфорне киселине. Слично реакцијама карбоксилних киселина са алкохолима у којима настају ес�ри, у реак­ цији фосфорне киселине са алкохолима настају фосфатни естри. Нуклеотиди су монофосфатни естри, настали у реакцији фосфорне киселине и хидроксилне групе шећера на положају 5’ (C-5’) у саставу нуклеозида (слика 2.4.5).2 Слика 2.4.5. – Општа структура нуклеотида, на примеру АMP (база аденин); нуклеозид и фосфатна група повезани су преко 5’-фосфоестарске везе.

У зависности од структуре шећера, разликујемо рибонуклеотиде (изграђују молекуле РНК) и дезоксирибонуклеотиде (улазе у састав ДНК). Аденозин 5’­монофосфат (АМP) или гуанозин 5’­моно­ фосфат (GМP) примери су за рибонуклеотиде, а дезоксиаденозин 5’­монофосфат (dAMP) и дезоксицитидин 5’­монофосфат (dCMP) за дезоксирибонуклеотиде.

Биолошке улоге нуклеотида �ревазилазе складиштење генетских информација у структури нуклеинских киселина. Нуклеотиди су важни сигнални молекули (молекул цикличног AMP­а посредује у деловању адреналина на циљне ћелије), енергетски молекули (АТP настао у митохондријима је основни извор енергије за све облике живота), као и кључни део структуре коензима укључених у енергетски метаболизам (поглавље 3).

Основи структуре нуклеинских киселина

Молекули нуклеотида, међусобно повезани фосфодиестарском везом, образују кичму полинуклеотидног ланца молекула ДНК и РНК. У овој реакцији кон�ензације учествују фосфатна и шећерна компонента два нуклеотида: фосфат повезује 3’–ОH гру­ пу једног шећера (рибозе или дезоксирибозе) са 5’–ОH групом другог шећера два сусед­ на нуклеотида у структури полимера (слика 2.4.6). Смер (растућег) полинуклеотидног ланца уобичајено се означава 5’→3’, што значи да почиње нуклеотидом са слободном хидроксилном групом на положају С-5’ шећера (5’ крај ланца), а завршава се нуклеоти­ дом који има слободну хидроксилну групу на С-3’ шећера (3’ крај ланца).

2

Молекул фосфорне киселине има три хидроксилне групе, тако да образује не само моноестре већ и диестре и триестре.

ХЕМИЈА 4 113

5’крај

фосфат аденин

дезоксирибоза

пуринске базе гуанин

цитозин пиримидинске базе тимин (у ДНК) рибоза (РНК)

урацил (РНК)

3’крај

Слика 2.4.6. – Део структуре полинуклеотидног ланца молекула ДНК. Нуклеотиди се повезују фосфодиестарском везом у смеру 5’→3’, тако да је секвенца приказаног низа: AGCT.

Слично протеинима, редослед (секвенцу) нуклеотида у полинуклеотидном ланцу називамо примарна структура нуклеинских киселина. С обзиром на то да се нуклеотиди међусобно разликују само у азотним базама, примарну структуру нуклеинских киселина одређује редослед база у полинуклеотидном ланцу.

2.4.2. ДЕЗОКСИРИБОНУКЛЕИНСКА КИСЕЛИНА Хемијски састав и структура молекула ДНК Полинуклеотидни ланац молекула ДНК изграђују нуклеотиди у чијој су структури, уз фосфат и шећер 2-дезокси-D-рибозу, пуринске базе аденин и гуанин, као и пиримидинске базе тимин и цитозин. Азотне базе су носиоци генетичке информације, док молекули шећера и фосфатне групе имају структурну улогу – образују кичму полинуклеотидног ланца. Секундарну структуру ДНК, то јест структуру молекула у простору, успе­ шно су одгонетнули половином 20. века Вотсон (Watson) и Крик (Crick). Овом открићу претходила је, успешно решена, рендгенска структурна анализа влакна ДНК (слика 2.4.7). Важни подаци добијени су хемијском анализом узорака ДНК из различи�их извора, где је установљено да је укупан број пуринских нуклеотида увек једнак броју пиримидинских нуклеотида.

114 Макромолекули живота

Према Вотсон­Криковом моделу, молекул ДНК састоји се од два по­ линуклеотидна ланца увијена у завојницу око заједничке осе: двоструки хеликс ДНК. Спољашни део завојнице образују фосфатне групе и молекули шећера, док су базе усмерене ка унутрашњости (слика 2.4.8, лево). Полинуклеотидни ланци су ан�и�аралелни, што значи да се је­ дан простире у 5’→3’ смеру, а други у супротном, 3’→5’ смеру.

Слика 2.4.7. – Можда не изгледа узбудљиво, али ова слика је једна од најважнијих икада снимљених! Позната је као фотографија 51 – дифракција влакна ДНК. Снимили су је Френклинова (Franklin) и Гослинг (Gosling) 1952. године. Управо је она омогућила Вотсону и Крику да схвате да је молекул ДНК двострука спирала.

Азотне базе међусобно се повезују водоничним везама. Парови база, који леже равно на оси симетрије хеликса, не повезују се насуми­ чно. Уместо тога, пуринска база једног полинуклеотидног ланца спа­ рује се с тачно одређеном пиримидинском базом другог ланца. Ако се на једном полипептидном ланцу налази аденин, он је увек упарен с тимином на другом ланцу, и обрнуто. Слично томе, гуанин у једном ланцу увек има цитозин за партнера на другом ланцу. Базе које чине парови А–Т и C–G називају се комплементарне базе. Аденин и тимин повезују се са две водоничне везе, а гуанин и цитозин са три (слика 2.4.8, десно). Пошто је већа пуринска база (А или G) увек упарена с мањом пиримидинском (Т или C), пречник спирале је уједначен. Увијање антипаралелних ланаца у спиралу и геометрија aзотних база стварају шири жлеб (који се назива велика бразда) и ужи жлеб (мала бразда), који се наизменично смењују на молекулу ДНК (слика 2.4.8, лево). Ови жлебови су места везивања протеина који одржавају струк­ туру и активност ДНК и регулишу активност гена.

велика бразда

парови база

мала бразда

ланац пентоза и фосфата

Слика 2.4.8. – Вотсон-Криков модел двоструке завојнице молекула ДНК. Два антипаралелна спирална ланца ДНК су намотана један око другог у истој оси симетрије. Димензије молекула ДНК: пречник спирале је 2 nm (20 Å); азотне базе су удаљене 0,34 nm; дужина сваког спиралног навоја је 3,4 nm – у сваком комплетнoм навоју налази се 10 парова база. Пуринске и пиримидинске базе су међусобно упарене водоничним везама: аденин се увек спарује с тимином (две водоничне везе), а гуанин с цитозином (три водоничне везе).

ХЕМИЈА 4 115

Водоничнe везe између комплементарних база стабилизују награђену секундарну структуру молекула ДНК. Истовремено, делују и хидрофобне привлачне силе између неполарних ароматичних језгара база („стекинг” интеракције), што додатно стабилизује двоструку завојницу. Свака фосфодиестарска веза у молекулу ДНК носи негативно наелектрисање, које о�бија истоимено наелектрисане честице. Због тога су фосфоестарске везе мање осетљиве на хидролизу од других типова естарских веза. Одсуство 2’­хидро­ ксилне групе у структури 2­дезокси­D­рибозе додатно повећава отпорност молекула ДНК на хидролизу. Mолекули РНК мање су стабилни и више склонији хидролизи од ДНК. Због тога није случајно да је целокупан генетски материјал ускладиштен у молекулима ДНК.3

Откриће структуре молекула ДНК откључало је врата разумевању његове улоге у живим системима, на пример начина на који се (само)умножава и начина на који ћелија користи информације које носи за настајање протеина. Познавање структуре ДНК основа је савремених истраживања у биомедицини. Данас научници рутински секвенцирају молекуле ДНК и РНК из свих живих система, што помаже утврђивању њихове секвенце, или путем ланчане реакције полимеризације (PCR, од енгл. pol y me rase chain re action) умножавају мале количине изоловане ДНК и РНК у милијарде копија. PCR метода у основи је тестова за идентификацију мутација које изазивају рак, или теста за потврђивање инфекције корона вирусом. Поред тога, научници су пронашли начине да манипулишу и конструишу нове облике ДНК, техником рекомбинантне ДНК. Технологија клонирања гена омогућила је масовну производњу многих лекова, као што су интерферон и инсулин, и развој генске терапије.

Репликација (самоумножавање) молекула ДНК

Једно од, за живот најзначајнијих, обележја дволанчаног молекула ДНК јесте самостварање две идентичне копије: процес репликације или самоумножавања ДНК. Репликација служи да, након деобе ћелије у процесу митозе, две „ћерке” ћелије добију идентичне генетске информације као и родитељска ћелија. „Копирање” молекула ДНК у једру ћелије није једноставан задатак. Нађено је око три милијарде базних парова ДНК у нашем геному и сви они морају да буду ископирани када се нека од трилиона ћелија у телу човека дели. Да би то урадила, ћелија користи различите протеине (ензиме) који раде заједно како би обезбедили тачну и потпуну репликацију ДНК молекула.

Механизам самоумножавања ДНК веома је сличан у свим живим системима. Репликација ДНК је полуконзервативна, што значи да је сваки ланац у двострукој спирали ДНК шаблон за синтезу новог, комплементарног полипептидног ланца (слика 2.4.9). Другим речима, сваки новосинтетисани молекул ДНК састоји се од једног старог и једног новог ланца. Репликација ДНК почиње на тачно одређеном месту, где се двострука спирала ДНК одмотава и развија, што катализује ДНК-хеликаза. Место истовременог раздвајања два ланаца ДНК и синтезе нових ланаца (копија) зове се репликациона виљушка.

Синтеза нових ланаца одвија се помоћу ДНК-полимераза. Ови ензими захтевају кратак РНК прајмер (стартер) и синтетишу нове ланце ДНК у смеру од 5’ до 3’ краја ланца, упарујући једну по једну комплементарну базу са оригиналним ланцем (шаблоном). Током реплика3

Изузетак су РНК вируси, с једноланчаном (ређе дволанчаном) РНК као генетским материјалом. Многе болести код људи настају као последица инфекције организма РНК вирусима (обична прехлада, грип, беснило, хепатитис С, грозница Западног Нила, мале богиње, COVID­19). РНК вируси са ДНК посредником у репликационом циклусу називају се ретровируси (РНК→ДНК): HIV­1 и HIV­2 су узрочници болести AIDS/сида – синдрома стечене имунодефицијенције.

116 Макромолекули живота

ДНК-полимераза

ције молекула ДНК један од нових ланаца (водећи ланац) настаје у ко­ оригинална ДНК маду, а други (заостајући ланац) у топоизомераза малим комадима (Оказакијеви фраг­ менти). Повезивање нуклеотида у РНК прајмер заостајући Оказаки ланац захтева енергију. Извор енер­ примаза ланац фрагмент хеликаза гије су сами супстрати за реакацију полимеризације, молекули ATP­а, родитељска GTP­а, CTP­а и TTP­а. Енергија осло­ ДНК бођена хидролизом фосфоанхи­ дридне везе у молекулима супстра­ водећи ланац та (нуклеотид­трифосфати) кори­ Слика 2.4.9. – Поједностављени приказ самоумножавања молекула ДНК. сти се за настајање фосфодиестар­ Сваки ланац родитељске ДНК служи као шаблон за умножавање, у циљу ске везе између новог нуклеотида и тачног преноса упутстава записаних у редоследу азотних база (генетска растућег ланца. Током репликације, информација) на новосинтетисани ланац. топоизомера (или ДНК­гираза) од­ мотава и замотава молекул ДНК који се умножава, спречавајући да се два ланца ДНК замрсе. Када се репликација заврши, РНА прајмери се замењују са ДНК, а све празнине између ново­ синтетисаних сегмената ДНК у заостајућем ланцу затварају се деловањем ДНК-лигазе.

Новонастали молекули ДНК требало би да имају исти редослед парова (секвенцу) азотних база као оригинални (родитељски) молекул ДНК. Зато ћелија врши коректуру постојеће и новосинтетисане ДНК (ензимски механизми поправке), како би се осигурало да се гре­ шке или мутације не уносе у генетски материјал јединке.

Мутације

• Мутација је свака промена у ДНК секвенци (латински: mutatio = замена), резултат случајних грешака у репликацији ДНК током деобе ћелије, излагања мутагенима или вирусне инфекције.

• Мутације наследног материјала у полним ћелијама могу да се пренесу на потомство, за разлику од мутација у соматским ћелијама. Оне могу да промене структуру и активност протеина (промене у гену који кодира тај протеин), што може да буде лоше, али и добро за организам.

• Анемију српастих ћелија, наследни хронични поремећај, узрокује мутација у гену који даје упутство за изградњу хемоглобина. Дефектни хемоглобин доводи до тога да еритроцити постају абнормално крути, облика полумесеца (српа). Оваква црвена крвна зрнца не крећу се брзо кроз крв, имају краћи животни век у поређењу с непромењеним ћелијама (облик крофне) и не замењују се довољно брзо. Крвни судови могу да буду делимично блокирани, што негативно утиче на свако ткиво и орган у телу. Људи пореклом из Африке најчешће оболевају од српасте анемије. Међутим, ова мутација штити од маларије.

• Неке мутације ремете нормалну активност гена, што води развоју болести као што је рак (канцер). Рак је најчешћа људска генетска болест, узрокована мутацијама у генима који контролишу раст ћелије.

• У процесу еволуције неке мутације су посебно важне, пошто доводе до разноли- › Илустрација нормалних (облика крофне) и измењених (српастих) еритроцита кости јединки и развоја нових особина.

ХЕМИЈА 4 117

2.4.3. РИБОНУКЛЕИНСКА КИСЕЛИНА И СИНТЕЗА ПРОТЕИНА

М

олекули РНК највише су препознати као гласници који копирају и преносе генетски код ДНК у машинерију за синтезу протеина. Међутим, биолошке улоге РНК сежу далеко даље од ове фундаментално важне улоге, која ће овде укратко бити обрађена. Многи од најупечатљивијих „трикова” РНК, као способност да се самомодификује се­ чењем и лепљењем, резултат су њених интеракција с јонима метала.

Улоге и структура молекула рибонуклеинске киселине

Рибонуклеинска киселина (РНК) нео�хо�на је за синтезу протеина. Информације садржане у генетском коду преносе се с молекула ДНК на молекул РНК, а потом са РНК до молекула протеина – централна догма молекуларне биологије (слика 2.4.10). РНК

ДНК

ПРОТЕИН

репликација

транскрипција

транслација

Копирање ДНК

преписивање ДНК на иРНК

синтеза протеина према запису на иРНК

Слика 2.4.10. – Централна догма молекуларне биологије. Генетске информације теку само у једном правцу, од ДНК, преко РНК, ка протеину, или од РНК директно ка протеину.

Према улози у живим системима, разликујемо више врста молекула РНК. То су:

1. информациона, гласничка или месинџер РНК (ознака иРНК), која настаје препи­ сивањем дела молекула ДНК: РНК копија гена. Потом се информација записана у иРНК преводи у (примарну) структуру протеина, након везивања иРНК за рибозоме;

2. транспортна, трансфер или преносна РНК (ознака тРНК), карактеристичног тро­ димензионалног облика детелине. Везује одговарајућу (активирану) амино­киселину и неопходна је за тачно превођење информације са иРНК у структуру насталих протеина;

3. рибозомска или рибозомална РНК (рРНК), која је део структуре рибозома, и та­ кође је укључена у синтезу протеина; 4. микроРНК (миРНК), мали молекули РНК који помажу у регулацији експресије гена.

Рибонуклеинска киселина најчешће постоји у ћелији као једноланчани молекул, полинуклеотидни ланац од 100 до 10.000 база дугачак. У састав нуклеотида РНК (слика 2.4.11) улазе шећер рибоза, фосфат и азотне базе аденин (А), урацил (U), цитозин (C) и

118 Макромолекули живота

РНК (рибонуклеинска киселина) разлике

сличности

рибоза цитозин

један ланац појединачне базе

урацил

гуанин (G). Иако молекул РНК не поприма облик двоструке спи­ рале као ДНК, он образује сло­ жене тродимензионалне обли­ разлике ке. Наиме, азотне базе у структу­ дезоксирибоза ри РНК формирају комплеме­ нтарне парове с другим базама на ис�ом ланцу РНК. Упаривање база (аденин са урацилом, а ци­ тозин са гуанином) узрокује са­ два ланца вијање РНК, што молекулу даје различите просторне облике у парови база воденом раствору.

ДНК (дезоксирибонуклеинска киселина)

аденин

гуанин

тимин

Слика 2.4.11. – Основне разлике у хемијској структури између молекула ДНК и РНК. Молекул РНК (један полипептидни ланац) садржи урацил (друга пиримидинска база) и шећер рибозу у саставу својих нуклеотида.

Уметност синтезе протеина Наследне информације на молекулу ДНК записане су у облику функционалних једи­ ница, које називамо гени. Скуп свих гена у неком организму је његов геном. Величина генома расте са сложеношћу организма: процењује се да бактерије имају око 5.000, а људски организам око 30.000 гена. Експресија гена је процес којим се упутства у моле­ кулу ДНК претварају у функционалне производе, какви су протеини.

Синтеза протеина у ћелији састоји се од два повезана процеса: транскрипције (преписивања информације са ДНК) и транслације (превођења информације са ДНК). Транскрипција се одвија у једру еукариотске ћелије: део молекула ДНК (ген) користи се као шаблон (матрица) за прављење молекула информационе РНК. Молекул иРНК на­ пушта једро и одлази до рибозома, где долази до процеса транслације: генетски код пре­ писан у иРНК користи се за синтезу полипептида, тј. преводи у јединствени редослед амино­киселина у неком протеину.

1. Транскрипција је први део централне догме молекуларне биологије (ДНК→ РНК), пренос генетских инструкција с молекула ДНК на иРНК. Транскрипција започиње када се ензим РНК-полимераза веже за регион гена који се назива �ромо�орска секвенца. Ово сигнализира молекулу ДНК да се о�мо�а, да ензим почне да „чита” редослед база у том гену. Два ланца у структури ДНК се именују на основу тога да ли ће бити искоришће­ ни за синтезу иРНК. Ланац који се користи је шаблонски (темплатни), а низ (компле­ ментарних) база на супротном ланцу ДНК је кодирајући ланац (слика 2.4.12). Након што се део завојнице ДНК расплете, РНК­полимераза се причврсти и почиње да клизи дуж ланца ДНК, додајући комплементарне РНК нуклеотиде растућем ланцу иРНК. Када је новосинтетисани ланац иРНК завршен, он се одваја од ДНК. Додатни протеини пома­ жу у овом процесу. Резултат је полинуклеотидни ланац �о�ово и�ен�ичан ко�ирајућем ланцу ДНК: суштинска разлика је да ДНК користи нуклеобазу тимин, а иРНА урацил уместо тимина. Код еукариота, направљени молекул иРНК модификује се на различите начине, пре напуштања једра у облику зреле иРНК.

ХЕМИЈА 4 119

ДНК

РНК-полимераза РНК РНК транскрипт

ланац ДНК који се копира

ДНК ланац ДНК који се не копира транскрипција

иРНК

Слика 2.4.12. – Поједностављени приказ процеса транскрипције. РНК-полимераза чита шаблонски ланац ДНК (тамносиви) и преписује азотне базе нуклеотида у 5’→3’ смеру: настаје молекул информационе РНК.

2. Транслација је други део централне догме амино-киселина растући протеин молекуларне биологије: РНК→ протеин. У овом велика процесу чита се преписани генетски код у иРНК подјединица да би се на рибозимима направио протеин (сли­ ка 2.4.13). Свака амино­киселина је кодирана ге­ тРНК нетичком шифром од три азотне базе (триплет), рибозом што називамо кодон. Двадесет стандардних ами­ но­киселина кодирано је помоћу 64 триплетне антикодон кодон комбинације, тј. кодона (слика 2.4.14). Након што молекул иРНК напусти једро, он прелази на ри­ бозом, који се састоји од молекула рРНК и проте­ иРНК ина. На делу иРНК који садржи почетни (старт) кодон мала и велика подјединица рибозома се мала подјединица везују за иРНК. Потом, кодове на иРНК препо­ знају антикодони на тРНК која на себи има веза­ Слика 2.4.13. – Поједностављени приказ процеса трану амино­киселину о��оварајуће� кода.4 нслације и улоге тРНК. Активиране амино-киселине веПрепознавање антикодона и кодона доводи амино­киселинe везане за тРНК на тачно одре­ ђено место на молекулу иРНК. Помоћу ензима пептидил-трансферазе долази до �овезивања

4

зане за тРНК допремају се до рибозома, где њихов антикодон препознаje одговарајући кодон на иРНК. Према томе, тРНК обезбеђују да се свака амино-киселина угради на тачно одређено место у полипептидном ланцу, на оcнову информације коју носи иРНК.

Од 64 кодона, један је тзв. старт кодон (AUG), којим започиње биосинтеза протеина. Он носи информацију за амино­киселину метионин (Met). Иако је метионин увек прва амино­киселина која се угради у сваки нови протеин, она није увек прва амино­киселина у зрелом протеину. У многим протеинима метионин се уклања након завршетка транслације. Постоје и тзв. стоп кодони (UAA, UAG и UGA), с којима престаје биосинтеза полипептидног ланца.

120 Макромолекули живота

карбоксилне групе претходне амино­киселине са амино­групом следеће амино­кисели­ не у растућем ланцу. Полипептидни ланац продужава се од амино­краја ка карбоксил­ ном крају, што одговара 5’→3’ читању редоследа нукеотида на иРНК. На крају секвенце иРНК налази се стоп кодон, који не везује тРНК, већ протеин који изазива распадање комплекса иРНК, рибозома, тРНК и полипептида, ослобађајући све молекуле у цитосол ћелије. Након синтезе, полипептидни ланац може да буде подвргнут додатним процеси­ ма (послетранслационе) обраде, пре увијања и добијања свог просторног облика.

ста

рт

п сто оп ст

стоп

Слика 2.4.14. – Кодонски точак амино-киселина. Точак се користи за откривање редоследа аминокиселина записаног у секвенци иРНК. Почиње се од центра и иде ка периферији – прате се нуклеотидне базе док се не добију три базе, тј. кодон. Затим се ове три базе преводе у одговарајућу протеинску (стандардну) амино-киселину. На пример, кодон UUC одговара фенилаланину.

„Ко је отац детета”, или „ко је мој биолошки отац” – питања су која се често постављају, не само у заплетима филмова и романа већ и у стварном животу. Тестирање очинства на основу поређења секвенци ДНК најприхваћенији је метод за доказивање биолошке сродности. ДНК је јединствени „отисак прста” који чини генетски материјал особе и потиче од ДНК оба родитеља. Половина ДНК је наслеђена од биолошке мајке, а друга половина од биолошког оца. Ово је премиса на којој се заснива тестирање очинства. Процедуре су једноставне и захтевају само мали узорак телесних течности од детета и могућег биолошког оца. Обично се узима узорак венске крви или брис са унутрашње стране образа. Изолована ДНК се умножи, а потом „цепа” (фрагментира): добијени фрагменти се раздвајају према мајка дете „отац 1” „отац 2” величини на гелу, стварајући карактеристичан образац трака. Анализом резултата утврђује се вероватноћа родитељства. Прецизност теста зависи од броја анализираних фрагмената ДНK (локуса), најмање их је 15, и креће се од 99,99% до 99,99999%. Закони и прописи који се односе на тестирање очинства разликују се широм света. Поједностављени приказ профилисања ДНК у тестирању очинства. Пошто деца наслеђују једну половину ДНК од једног родитеља, а другу од другог, фрагменти ДНК детета треба да буду присутни у фрагментима и мајке (сиво) и оца (црно). Овде је већа вероватноћа да је „отац 2” биолошки отац детета.

ХЕМИЈА 4 121

Научници у фокусу Розалинд Френклин (Rosalind Franklin, 1920–1958) била је британска биофизичарка и кристалографкиња. Докторирала је хемију на чувеном Универзитету у Кембриџу, основаном 1209. године. По повратку с последокторских студија у Паризу, прихватила је радно место на Кингс колеџу у Лондону. Управо тамо Розалинд је направила рендгенске дифракционе фотографије које су биле камен темељац открића структуре двоструке завојнице ДНК. За свој научни рад никада није добила заслужено признање. Основни разлог била је прерана смрт, од рака јајника. Правила одувек забрањују да више од три особе добију једну Нобелову награду, а од 1974. године није могуће њено постхумно додељивање. Франсис Крик (Francis Crick, 1916–2004) био је енглески молекуларни биолог, биофизичар и неуронаучник (десно на слици), а Џејмс Вотсон (James Watson, 6. април 1928) амерички је биолог, генетичар и зоолог. Године 1953, 25. aприла, у најпрестижнијем научном часопису – „Природа” (енгл. Nature) објављен је рад на непуне две стране у коме су Вотсон и Крик представили структуру молекула ДНК. Заједно с Морисом Вилкинсом (Maurice Wilkins) награђени су Нобеловом наградом за физиологију или медицину 1962. године, за „открића молекулске структуре нуклеинских киселина и њихов значај за пренос информација у живим системима”. Откриће структуре ДНК не само да је одговорило на питање како организми преносе наследне особине с једне генерације на другу, већ је и најавило појаву генетског инжењеринга и производњу нових лекова, као што је рекомбинантни инсулин.

У ФОКУСУ. – Како делују иРНК вакцине против ковид вируса? Основни састојак сваке вакцине је активна компонента која подстиче имунски одго­ вор организма. Да би покренуле заштитни одговор, многе вакцине уносе у тело осла­ бљени или неактивни патоген, на пример вирус, НЕ и иРНК вакцине. Оне користе иРНК створену у лабораторији у циљу да наше ћелије направе протеин (или део протеина) патогена који покреће имунски одговор. Он производи антитела која помажу да се организам одбрани од патогена или да се спрече тешке форме болести.

Информационе РНК COVID­19 вакцине дају се инјекцијом у мишић надлактице или натколенице. Након вакцинације иРНК ће ући у ћелије мишића, где користи машинерију ћелије да произведе безопасан комад онога што се назива шиљасти протеин. Шиљасти или S протеин (од енгл. Spike = шиљак) налази се на површини вируса који изазива COVID­19 инфекцију. Након што је део S протеина направљен, ћелије разграђују и укла­ њају страну иРНК. Наше ћелије потом приказују део протеина шиљка на својој плазминој мембрани. Имунски систем препознаје да он не припада нашим протеинима, пошто разликује властито (своје) од туђег (страног). Ово покреће производњу специфичних ан­ титела и активира друге ћелије да се боре против онога што препознају као инфекцију.

На крају процеса наше тело је научило да помогне у заштити од будуће инфекције РНК вирусом који изазива COVID­19. Било који нежељени ефекат након примања вакци­ не доказ је да организам активно ради на заштити.

122 Макромолекули живота

вирус имунски одговор ћелија човека

протеин шиљка

процес транслације

лимфоцит

направљени вирални протеини шиљка иРНК кодира шиљасти протеин вируса

липидна наночестица

антитела за неутрализацју вируса

› Вакцине засноване на иРНК технологији подстичу тело примаоца да произведе вирусни протеин, који затим стимулише жељени имунски одговор.

Чињенице о иРНК вакцинама (према произвођачима): – истраживачи већ деценијама проучавају и раде са иРНК вакцинама; – ове вакцине не користе живи вирус; – иРНК из ових вакцина не улази у једро ћелије, где се налази наш генетски материјал; – иРНК вакцине подлежу истом ригорозном испитивању безбедности и ефикасности као и све друге врсте вакцина.

Питања и задаци за утврђивање и проверу знања 1.

Шта су хроматин, хромозом, ген и геном?

2. Наведите врсте ковалентних веза у структури нуклеинских киселина.

3. Објасните разлику у структури нуклеозида и нуклеотида.

4. Нацртајте структурну формулу дезоксицитидин-5’-монофосфата.

5. Одредите редослед нуклеотида у полинуклеотидним ланцима који су комплементарни задатим низовима: а) 5’ ...AGCCACTТC... 3’; б) 5’ ...GАТТАCA... 3’.

6. Који процес је схематски приказан на слици? Које би биле његове кључне карактеристике? Образложите свој одговор.

7.

Наведите структурне и функционалне разлике између молекула РНК и ДНК.

8. Објасните разлике између примарне и секундарне структуре молекула ДНК.

9. Сегмент молекула иРНК је секвенце: AUGUAUCUUAGGCCAUUCGAUUAG. Одредите редослед амино-киселина који би се добио превођењем ове информације у структуру протеина.

10. Објасните зашто је молекул ДНК носилац генетичке информације, а не молекул РНК.

11. Саставите хемијску асоцијацију с коначним решењем „ДНК”. Образложите избор међурешења у колонама А–Г.

ХЕМИЈА 4 123

Проблемски задаци за радознале и оне који желе да знају више 1.

Вотсон и Крик први су формулисали тачан опис комплексне, двоструке спиралне структуре молекула ДНК. Њихов рад надовезао се и на истраживања Фридриха Мишера (Friedrich Miescher), Фебуса Ливена (Phoebus Levene) и Ервина Чаргафа (Erwin Chargaff). Истражите допринос ових научника људском геному и разумевању важности ДНК за живот и здравље.

2. Репликација ДНК захтева и друге ензиме поред ДНК-полимеразе, између осталих, и ДНК-примазу, ДНК-хеликазу, ДНК-лигазу и топоизомеразу. Пронађите улоге свих ових ензима у процесу самоумножавања ДНК.

3. Генетски код показује три значајне карактеристике: универзалност, изрођеност (дегенеративност) и очитавање без преклапања. Пронађите значење ових појмова.

4. „Распаковани” молекул ДНК бактерије дуг је 1,2 mm, a молекул колагена, један од најдужих протеина, свега 3 × 10-4 mm. Пронађите колико је дугачак један молекул ДНК човека, као и колико би дугачка била нит састављена од спојених свих молекула ДНК у нашем телу.

5. Ако би вас неко питао за имена пет научница које су задужиле човечанство својим открићима, кога бисте навели? Која француска физичарка и хемичарка, пољског порекла, јесте двострука добитница Нобелове награде? Пронађите који датум се од 2015. године, резолуцијом Уједињених нација, обележава као Међународни дан жена и девојака у науци.

6. Албинизам код људи и животиња (латински: albus = бео) јесте урођени поремећај који се карактерише потпуним или делимичним недостатком пигмента меланина у кожи. Истражите молекулске основе албинизма.

7.

Вакцинација и откриће антибиотске терапије, уз неспецифичне мере превенције, заслужни су за велико смањење удела инфективних обољења међу узроцима смрти код људи, посебно деце млађе од пет година. Помоћу вакцине су 1979. године из популације искорењене велике богиње. Истражите који научник је био пионир вакцинације против великих богиња и допринос француског микробиолога и хемичара Луја Пастера (Louis Pasteur) развоју вакцина.

8. Постоје две врсте имунитета: активан и пасиван. Пронађите сличности и разлике између ове две врсте заштите од инфекција.

9. GATTACA (https://www.imdb.com/title/tt0119177/) јесте научнофантастични трилер из 1997. године, у коме генетски инфериорни човек преузима идентитет супериорног да би остварио свој животни сан о путовању у свемир. На шта вас асоцира назив овог филма? Погледајте филм и потом продискутујте с наставницима хемије и биологије последице репродуктивних технологија којима би генетика особе одређивала њену судбину.

10. На пројекту људског генома радили су научници са 20 универзитета и више приватних лабораторија широм света. Који датум се у свету науке прославља као дан ДНК?

11. Комерцијална продаја генетски модификованих биљака почела је 1994. године. Иако постоји научни консензус да храна добијена од таквих биљака не представља већи ризик за људско здравље од конвенционалних производа, има и другачијих мишљења. Истражите разлоге за коришћење генетски модификованих биљака за производњу хране и разлоге против коришћења тих биљака.

12. Транспортна рибонуклеинска киселина (тРНК) делује као адапторски молекул за повезивање амино-киселина с њиховим специфичним кодоном у шаблону информационе РНК (иРНК). Тако помаже синтезу протеина декодирањем секвенце иРНА. Пронађите схематски приказ и податке о структури молекула тРНК.

124 Основи енергетског метаболизма

ХЕМИЈА 4 125

3

ОСНОВИ ЕНЕРГЕТСКОГ МЕТАБОЛИЗМА Када проучите садржај ове целине, сазнаћете: • за које активности је живим системима потребно највише енергије; • које метаболичке процесе називамо катаболизмом и анаболизмом; • који (макро)молекули су главна енергетска горива за наше тело; • када и како наше тело користи различита метаболичка горива; • који молекул је енергетска монета за ћелије и како он настаје; • које су опште карактеристике и какав је значај најважнијих метаболичких путева у телу човека; • због чега кисеоник има јединствену и незаменљиву улогу за већину живих система; • зашто је редовна физичка активност важна за здравље човека.

126 Основи енергетског метаболизма

УВОД

Енергија се налази свуда око нас, не може да се уништи, нити да се из нечега створи, већ само прелази из једног облика у други. Енергију користимо за вожњу бицикла, припремање оброка, загревање и осветљење наших домова, индустријску производњу чоколаде, слање астронаута у свемир. Напредак цивилизације мери се и начинима на који људи користе енергију из природе: од запрежне снаге, преко парне машине и мотора са унутрашњим сагоревањем, до електричне и нуклеарне енергије. Енергија је способност физичког тела да изврши неки рад. Живи системи развили су сложене механизме да обезбеде довољно енергије за све своје потребе. Биљни и животињски организми ефикасно чувају и користе ускладиштену метаболичку енергију. Проток енергије кроз живе системе сличан је погону аутомобила. У систем (ћелију или мотор) улазе енергетска горива (храна или бензин), која се разлажу („сагоревају”) до хемијски једноставнијих молекула, уз настајање топлоте и корисног рада.

У оквиру овог поглавља упознаћете метаболичке путеве и процесе помоћу којих настаје енергија која покреће тело човека. Користићемо рад скелетних мишића као модел систем за ову сврху. У телу здравог младог човека процеси енергетског метаболизма су беспрекорно интегрисани и регулисани.

› Некада се сматрало да стезање бицепса подсећа на мишеве који пузе испод тепиха. Отуда реч „мишић”, пошто на латинском musculus значи „мали миш”.

ХЕМИЈА 4 127

3.1. ОСНОВНИ КОНЦЕПТИ У ЕНЕРГЕТСКОМ МЕТАБОЛИЗМУ

М

етаболизам (грч. metabolismos = промена) јесте термин који описује све хе­ мијске промене синтезе и разградње молекула у свим нашим ћелијама и ткивима. Дели се у два одвојена, међусобно добро повезана процеса: катабо­ лизам и анаболизам (слика 3.1).

Под катаболизмом се подразумевају хемијске реакције раз�радње, у којима се ве­ лики органски молекули из хране (угљени хидрати, липиди и протеини) разлажу на једноставне неорганске молекуле (угљен­диоксид (CO2), амонијак (NH3) и воду). Анаболизам означава реакције биосин�езе, изградњу сложених молекула живота, какви су полисахариди, липиди, проте­ ини и нуклеинске киселине (погла­ МЕТАБОЛИЗАМ вље 2). Деловањем специфичних, катаболизам анаболизам високоефикасних ензима, све мета­ боличке реакције одвијају се брзо, на сталној и релативно ниској тем­ ператури нашег тела.

велики молекули мали молекули Катаболички процеси обезбе­ ђују енер�ију за све активности уну­ тар ћелија и ткива, као и �олазни утрошена ослобођена енергија енергија ма�еријал („градивне блокове”) за биосинтетске процесе. Према начи­ ну на који добијају потребну метабо­ личку енергију, живе системе класи­ фикујемо у две велике групе: ауто­ мали молекули велики молекули трофне и хетеротрофне организме. Аутотрофи („они који сами себе хра­ Слика 3.1. – У ћелијама живих система истовремено се одвијају проне”) стварају органска једињења цеси анаболизма (разградње) и катаболизма (биосинтезе). Највећи (храну) из неорганских. Копнене зе- део енергије добијене разградњом (макро)молекула хране користи лене биљке користе енергију Сунца се за синтезу (макро)молекула потребних ћелији. да у процесу фотосинтезе, из угљен­ диоксида из ваздуха и воде из земљишта, �роизве�у угљене хидрате, отпуштајући у био­ сферу за животиње драгоцени кисеоник. Хетеротрофи („они који узимају храну од дру­ гих”), а то су све животињe и већина бактерија, узимају �о�ову храну из природе. Оксида­ тивним разлагањем унетих органских једињења (хране) хетеротрофи обезбеђују сву по­ требну енергију за живот.

Већина метаболичких промена не одвија се у једном кораку (слика 3.2), већ кроз низ финих �ромена у структури полазног молекула. Једна таквa мрежа хемијских реакција, у којој производ једне реакције представља супстрат за сваку следећу реакцију, назива се метаболички пут, а сваки појединачни молекул на том путу метаболит.

128 Основи енергетског метаболизма

Укупна хемијска реакција

А

Механизам одвијања реакције у ћелији

А

Д ензим 1

Б

ензим 2

В

ензим 3

Г

ензим 4

Д

Слика 3.2. – Метаболички процеси који у живим системима учествују у стварању енергије одигравају се кроз серију хемијских промена. Свака хемијска реакција је катализована активношћу одређеног ензима.

Живи системи троше огромне количине енергије. Енергија је, пре свега, потребна за разноврсне биосинтетске процесе који обезбеђују раст и развиће организма, за про­ цесе активног транспорта метаболита, као и за механички рад (контракције мишића). Различити облици енергије, светлосна, хемијска и топлотна, претварају се у живим си­ стемима једни у друге. Хемијска (метаболичка) енергија садржана је у ковалентним (пре свега, угљеник–угљеник) везама у структури органских молекула који служе као енергетска горива (енергетски супстрати).

Организам човека користи различите састојке хране (ну�ријен�е: угљене хидрате, протеине и липиде), или њихове ускла�иш�ене резерве (гликоген у јетри и мишићима; триацилглицероле у масном ткиву), као горива за брзо стварање неопходне енергије. Енергетска вредност намирнице означава масти полисахариди протеини се у калоријама (cal), у новије време у џули­ ма (J), као количина топлоте коју она осло­ фаза боди у катаболичком процесу оксидативне I разградње. Од 1 g липида може да се добије масне киселине глукоза и остали аминои глицерол моносахариди -киселине око 9 kcal (37 kJ), двоструко више у поређењу са истом масом протеина и угљених хидра­ фаза та, око 4 kcal (17 кЈ).

II ацетил-коензим А

Дирек�на окси�ација нутријената кисе­ оником ослободила би �о�ло�ну енер�ију CoA коју ћелије не могу да искористе да изврше АТP АDP рад. Зато се процес „екстракције енергије” циклус фаза из органских супстрата хране одвија посте­ лимунске H2O e оксидативна III киселине пено, у три фазе (слика 3.3). У �рвој фази ве­ фосфорилација лики органски макромолекули разлажу се до основних структурних јединица: меха­ ничко и хемијско варење хране у нашем ди­ 2 CO2 гестивном систему. Ослобођене молекуле моносахарида, масних киселина и амино­ Слика 3.3. – Поједностављени схематски приказ три фазе у ­киселина, као и друге састојке хране, пре екстракцији енергије из унете хране. У овим процесима (фазе свега апсорбују ћелије танког црева и потом 2 и 3) ћелије синтетишу молекуле аденозин-трифосфата (ATP), ови молекули прелазе у крвоток. У �ру�ој које потом користе да изврше рад. фази, након уласка у циљне ћелије, молеку­ ли енергетских горива разграђују се до хемијски још једноставнијих метаболита. Најва­ жнији такав метаболит је ацетил-коензим А (ацетил­CoA). У овој фази коришћења уне­ те хране мања количина метаболичке енергије ослобађа се у цитоплазму ћелије, у про­ цесу �ликолизе. У �рећој фази, �о��уном окси�ацијом ацетил­коензима А до CO2 и H2O, настају велике количине метаболичке енергије: синтеза молекула аденозин­трифосфа­ та, у два повезана метаболичка пута (Кребсов циклус и оксида�ивна фосфорилација) у митохондријама ћелије.

ХЕМИЈА 4 129

Молекули укључени у чување и коришћење метаболичке енергије Енергију ослобођену раскидањем ковален�них веза, у структури нутријената и њи­ хових метаболита, ћелије углавном користе за синтезу аденозин-трифосфата (ATP; енгл. adenosine triphosphate). Молекули АTP­а служе као универзална енергетска монета (новац) ћелије, лако употребљив извор метаболичке енергије за све њене потребе.1 Аденозин­трифосфат је нуклеотид ли­ неарне структуре (слика 3.4). Јако негатив­ но наелектрисање фосфатних група на фи­ зиолошкој pH (око 7) неутралисaнo je вези­ вањем јона магнезијума (Mg2+). Хидролизом једне (слика 3.5) или обе фосфоанхи�ри�не везе у молекулу АТP­a ослобађа се за ћелију корисна енергија, коју скелетни мишића потроше за контракцију (кретање тела).

аденин

фосфатне групе

рибоза

Други посебно важан молекул за очу­ вање и преношење енергије јесте молекул NAD+ (окси�овани никотинамид-аденин- Слика 3.4. – Хемијска структура аденозин-трифосфата (ATP). динуклеотид), универзални �реносилац Молекул изграђују азотна база аденин, моносахарид рибоза и елек�рона у живим системима. Део молеку­ три фосфатне групе (α, β и γ). Азотна база и шећер су повезала који прима два електрона (настаје NADH, ни N-гликозидном везом. ре�уковани облик никотинамид­аденин­ди­ нуклеотида) јесте никотинамид, витамин B­групе (слика 3.6).2 Ћелије садрже и други носач електрона, молекул NADP+ (окси�овани никотинамид-аденин-динуклеотидфосфат), са додатном фосфатном групом у молекулу. Без обзира на готово истоветну структуру, редуковани облици ова два редокс молекула имају различи�у биохемијску улогу. NADH преноси електроне настале у ка�аболичким путевима до молекулско� кисеоника у процесу ћелијског дисања. NADPH, ре�уковани облик никотинамид­аденин­ди­ нуклеотид­фосфата, обезбеђује електроне неопходне за ре�ук�ивне биосин�езе молеку­ ла живота у анаболичким процесима у телу.

Слика 3.5. – Схематски приказ хидролизе аденозин-трифосфата (ATP) до аденозин-дифосфата (ADP) и неорганског фосфата (Pi). Реакција је термодинамички повољна, даје –30,5 kJ/mol (Гибсове слободне) енергије. Хидролизом друге фосфоанхидридне везе настаје молекул аденозин-монофосфата (ADP + H2O � АМP + Pi) и додатних –30,5 kJ/mol (Гибсове слободне) енергије. Нешто већа укупна количина енергије (–72,4 kJ/mol) добија се хидролизом ATP-а до AМP-а и пирофосфата (PPi), а потом и хидролизом PPi до два молекула неорганског фосфата.

1

2

У сваком тренутку свака наша ћелија садржи најмање милијарду молекула аденозин­трифосфата. Наше тело свакога дана направи и одмах потроши отприлике онолико АТP­а колико смо тешки!

Пелагра је болест узрокована ниским садржајем никотинамида у телу. Главне манифестације су промене на кожи (дерматитис), деменција и дијареја. Ако се не лечи, може да изазове смрт.

130 Основи енергетског метаболизма

Анаеробни и аеробни метаболизам

Слика 3.6. – Структура оксидованог облика никотинамид-аденин-динуклеотида (NAD+). Два нуклеотида су спојена преко фосфатних група: један нуклеотид садржи нуклеобазу аденин, а други никотинамид.

гликоген у јетри глукоза настала у јетри

У зависности од потребе за кисеоником током син­ тезе молекула АТР­а, у нашим ћелијама делују два типа метаболизма: аеробни и анаеробни метаболизам. Анаеробни метаболизам не зах�ева утрошак кисеоника за производњу метаболичке енергије. Насупрот томе, без кисеоника нема аеробног метаболизма. Од �ри основна метаболичка пута за стварање енергије (АТР­а) у мишићима, гликолиза се сврстава у анаеробни, а Кребсов циклус и оксидативна фосфорилација у ае­ робни метаболизам. Шта још разликује ова два типа катаболичких проце­ са? Док су угљени хидрати, липиди и протеини супстра­ ти за аеробни метаболизам, само угљени хидрати су укључени у анаеробни метаболизам (слика 3.7). Анае­ робни метаболизам се одвија у цитоплазми ћелије, а ае­ робни у митохондријама. Крајњи производ анаеробног метаболизма је млечна киселина (лактат), док су угљен­ диоксид и вода крајњи производи у аеробном метаболи­ зму.3 Аеробни метаболизам је с�орији процес, али про­ изводи око 90% молекула АТР­а у нашим ћелијама.

угљени хидрати из хране

протеини у телу

протеини из хране

гликоген у мишићима

адипозно ткиво

липиди из хране

глукоза у крви

ГЛУКОЗА

анаеробни метаболизам

АМИНО-КИСЕЛИНЕ

МАСНЕКИСЕЛИНЕ

аеробни метаболизам

Слика 3.7. – Енергетскa горива за анаеробни и аеробни катаболизам 3

Током оксидативног метаболизма у телу човека настаје 150―300 mL воде у периоду од 24 сата, тзв. метаболичка вода.

ХЕМИЈА 4 131

3.2. МЕТАБОЛИЧКИ ПРОФИЛ ТИПИЧНЕ ЋЕЛИЈЕ ЧОВЕКА

У

основи, људско тело добија сву потребну енергију из унете хране. Макронутри­ јенти се прерађују у дигестивном систему до високоенергетских метаболита, који циркулишу у крвној плазми и улазе у циљне ћелије које су део метаболичке мреже. Метаболичка енергетска мрежа окупља ћелије које и скла�иш�е (јетра и бело масно ткиво), а не само �роше хемијску енергију (нпр. скелетни мишићи и неурони), као и ћелије које обезбеђују хормоне који регулишу употребу метабо­ личке енергије. Тако, ћелије панкреаса луче у крв инсулин и �лука�он, а ћелије надбубрежне жлезде а�реналин.

Jетра је �лавни метаболички орган, одговоран за ства­ рање и расподелу свих метаболичких горива до других ткива у телу. Главна енергетска горива за организам чо­ века јесу молекули: глукозе (пре свега из метаболизма угљених хидрата), масних киселина (из метаболизма ли­ пида), кетонских тела (из метаболизма масних кисели­ на), амино-киселина (из протеина хране, осим приликом гладовања, када тело разлаже скелетне мишиће) и лактата (из метаболизма глукозе). Помоћни извори енергије су молекули фрук�озе (из сахарозе) и �алак�озе (из лакто­ зе), киселине из воћа (лимунска и јабучна), глицерол и рибоза.4

› П о п р е ч н о - п р у га с то м и ш и ћ н о т к и в о изграђује мишиће који се брзо стежу (контрахују/скупљају) и опуштају (дилатирају/шире) и њихов рад свесно контролишемо. Различита енергетска горива служе за стварање енергије потребне за рад мишића.

Oрганизам човека различито користи метаболичка горива Ћелије и ткива у нашем телу различи�о користе расположива метабо­ личка горива. Иако је глукоза из угље­ них хидрата главни извор метаболичке енергије, неким ткивима она није нео­ пходна, док је за друга једини пожељни извор енергије (табела 3.1).5

4

5

ацетон

ацетоацетатна киселина

бета-хидроксибутерна киселина

Слика 3.8. – Хемијска структура и називи кетонских тела

Људско млеко садржи око 7% лактозе. Зато је галактоза важан извор енергије за одојчад храњену млеком. Кичмењаци немају ензим целулазу, тако да не користе целулозна влакна као извор енергије. Преживари у свом желуцу садрже бак�ерије које хидролизују целулозу до глукозе. Из глукозе настају кратколанчане киселине (ацетат, пропионат и бутират), које из бурага преживара прелазе у крв, а затим у ћелије, где су главни извори метаболичке енергије (ATP­a).

Према општим препорукама, угљени хидрати би требало да обезбеде 55―65% од укупног дневног уноса енергије, липиди 15―30%, а протеини преосталих 10―20%.

132 Основи енергетског метаболизма

Табела 3.1. › Главни извори енергије за ткива сисара Ћелије и ткива која зависе од глукозе

Ткива која користе масне киселине

Ткива која користе кетонска тела

мозак

јетра

срчани мишић

еритроцити

бубрези (срж)

бубрези (срж)

лимфоцити

срчани мишић

мозак (током гладовања)

скелетни мишићи (интензивна активност)

скелетни мишићи (нормална активност)

скелетни мишићи (повећана активност)

С обзиром да немају митохондрије за процес ћелијског дисања, зрели еритроцити катаболишу глукозу само до лактата. Глукоза је најважније гориво за мозак, најсложе­ нији орган људског тела. Мозак одраслог човека дневно потроши 100–145 g глукозе. Иако јетра интензивно метаболише глукозу, ћелије јетре већину потребне метаболичке енергије добијају оксидацијом масних киселина и угљеничног скелета амино­киселина, док глукозу препуштају другим ткивима. Пре свега ускладиштени у адипозном ткиву, триацилглицероли су главне резерве метаболичке енергије за тело човека и већине копнених животиња. Нормално ухрањен мушкарац, масе 70 kg, у свом телу има око 10,5 kg резерви липида. Енергија из молекула липида ставља се ткивима на располагање у �вa лако окси�ујућа облика, а то су слободне масне киселине и кетонска тела. Ћелије преузимају и у процесу β­оксидације ра­ зграђују масне киселине до ацетил-коензима А („активирани ацетат”).

Ацетил­CoА, настао оксидацијом органских супстрата, има различите метаболичке судбине. У свим ткивима улази у Кребсов циклус, у циљу ефикасне синтезе молекула АTP­а. Уколико у циркулацији нема довољно глукозе, једино у јетри из ацетил­CoА настају кетонска тела (слика 3.8). За разлику од неполарних молекула масних кисели­ на, кетонска тела су у води рас�ворни метаболити који �ролазе крвно­мождану баријеру и служе мозгу као извор метаболичке енергије у стању гладовања. Срчани мишић и срж бубрега користе кетонска тела пре него глукозу као извор метаболичке енергије.

Калоријска хомеостаза

Садржај метаболичких горива у крви није сталан, напротив, мења се у зависности од исхране и хормонског статуса у телу. У стању гладовања, поготову продуженом, ниво глукозе у крви се смањује, а расте садржај слобо�них масних киселина, што прати �овећана синтеза кетонских тела (табела 3.2). Калоријска хомеостаза је појам који описује заједничке и међусобно до�уњујуће уло�е �лукозе, масних киселина и ке�онских �ела у обезбеђивању довољно извора метаболичке енергије (ATP­а) за сва ткива.

Табела 3.2. › Концентрација метаболичких горива у крви здравог човека Глукоза (10–3 mol/L)

Масне киселине (10–3 mol/L)

Кетонска тела (10–3 mol/L)

Стање ситости

5,0

0,30

0,01

Гладовање (40 сати)

3,6

1,15

2,9

Гладовање (7 дана)

3,5

1,19

4,5

ХЕМИЈА 4 133

Основна метаболичка улога угљених хидрата (глукозе) јесте снаб�евање ор�анизма енер�ијом. Наше тело има о�раничену способност складиштења угљених хидрата у обли­ ку гликогена – укупно 300–400 g у мишићима и 75–100 g у јетри. Намена гликогенских резерви метаболичке енергије је различита: у скеле�ним мишићима помажу контрак­ тилну активност, а у је�ри одржање хомеостатске концентрације глукозе у крви.6

Енергија (ATP) из угљених хидрата као метаболичког горива добија се разлагањем молекула глукозе из крви, глукозе настале разлагањем гликогена у јетри и мишићима, као и глукозе из процеса глуконеогенезе у јетри. Угљени хидрати су најважнији извор енергије за скелетне мишиће током физичке активности високог интензитета. Хомеостатски ниво глукозе у крви (4,0–5,5 mmol/L) од виталног је значаја за наше тело, пре свега за нормалан рад мозга. Последице дуготрајне хи�о�ликемије (снижен ниво глукозе у крви) једнако су опасне као и хипергликемија. Концентрација глукозе у крви расте након оброка богатог угљеним хидратима, а смањује се након гладовања (поста). Повећање садржаја глукозе у крви стимулише β­ћелије панкреаса да излуче у крв инсулин. Инсулин снижава концентрацију глукозе, тако што олакшава њен улазак у ткива и ћелије осетљиве на инсулин (пре свега у јетру, мишићно и масно ткиво).7

бледило

поспаност

глад

главобоље

сува уста

жеђ

знојење

мањак координације

нервоза

често уринирање

замућен вид

слабост

› Симптоми хипогликемије (лево) и хипергликемије

Низак ниво глукозе у крви изазива лучење других регулаторних хормона. Глукагон, који луче α­ћелије панкреаса, поспешује разградњу ускладиштених резерви гликогена у јетри. Адреналин, „бори се или бежи” хормон надбубрега, такође интензивира гликоге­ нолизу у јетри, што повећава ослобађање молекула глукозе у крв.

Значајне количине глукозе у јетри могу да настану у процесу глуконеогенезе. Глуконеогенеза је метаболички пут синтезе молекула глукозе из супстрата који нису угљени хидрати, као што су лактат, глицерол или глукогене амино-киселине. Мишићи при интензивном напору и еритроцити оксидују глукозу до лактата. Лактат потом одлази у јетру, где се претвара у глукозу (Коријев циклус). Током гладовања, неке амино­кисели­

6 7

У лименци (330 mL) кока­коле има 35 g шећера, у облику високофруктозног сирупа добијеног из кукуруза, а укупно у крви свега око 5 g глукозе. Глукоза улази у ћелије олакшаном дифузијом, посредством специјализованих протеинских транспортера.

134 Основи енергетског метаболизма

не (као аланин) у јетри прелазе у глукозу (Кахилов циклус). Глуконеогенеза и ра­ зградња гликогена (гликогенолиза) два су главна механизма која организам човека и многих животиња користи за спречавање хипогликемије.

Садржај метаболичких горива не одражава само колико брзо она из крви постају до­ ступна ткивима, већ и колико ефикасно се троше. Хидролиза триацилглицерола унутар адипозног ткива (липолиза) ослобађа масне киселине у плазму. Током дужег гладовања кетонска тела су главни метаболички извори енергије (табела 3.2), када организам по­ чиње и да користи сопствене структурне протеине за добијање енергије.

Извори енергије за физичку активност човека

Када наше тело мирује, плућа и срце снабдевају мишиће довољном количином кисе­ оника, чиме се задовољавају енергетске потребе аеробно� метаболизма. Физичка актив­ ност повећава потребу тела за енергијом: срце брже куца и дисање се убрзава, а скелет­ ни мишићи добијају више кисеоника. Количина кисеоника која се испоручује ткивима зависи од трајања и интензитета активности, као и од физичке кондиције појединца. За добијање потребне енергије на �оче�ку физичке активности, скелетни мишићи се ослањају на малу количину неутрошеног ATP­a, довољну за неколико секунди рада. Они потом користе високоенергетски молекул креатин-фосфата као извор енергије.8 Ен­ зим креатин­киназа катализује реакцију преноса фосфатне групе са фосфокреатина на аденозин­дифосфат, уз настајање молекула аденозин­трифосфата (слика 3.9).

Након отприлике десет се­ кунди вежбања, исцрпљене су и резерве креатин­фосфата у скелетним мишићима. Срце и кретин-киназа плућа још увек се нису прила­ годили повећаној потреби за фосфокреатин креатин кисеоником, због чега мишићи почињу да праве АТP анаеробСлика 3.9. – Хемијска реакција катализована активношћу креатин-киназе ним метаболизмом. Анаеробни метаболизам брзо ствара АТP, користићи само глукозу као енергетско горивo, која се добија и хидролизом мишићног гликогена. Наредних минут­два анаеробни путеви раде пуним капацитетом, али пошто је доступност глукозе у мишићима ограничена, они не могу да обезбеде довољно енергије за наставак вежбања. Након �ва-�ри мину�а физич­ ке активности откуцаји срца и брзина дисања су повећани и више кисеоника стиже у мишиће. Отпочиње аеробни метаболизам, најефикаснији начин производње АТР­а. Пре­ ма томе, оба типа метаболизма (анаеробни и аеробни) наше тело користи да обезбеди мишићима довољно енергије за испуњавање захтева који својом физичком активношћу пред тело постављамо. Извори �орива за катаболичке процесе у мишићима мењају се у зависности од коли­ чине доступне хране и типа метаболизма. Глукоза је главни извор енергије за анаероб­ ни и аеробни метаболизам. Та глукоза је пореклом од глукозе у крви (из угљених хидра­ та хране, гликогена у јетри, глуконеогенезе у јетри) или гликогена у мишићима. Након

8

Синтеза креатина одвија се у бубрезима, јетри и панкреасу. У просеку, настаје 1–2 g креатина дневно, од амино­киселина глицин, аргинин и метионин; око 95% насталог креатина складишти се у скелетним мишићима.

ХЕМИЈА 4 135

липолизе ускладиштених резерви триацилглицерола у мишићима, почиње липолиза у адипозном ткиву, у циљу обезбеђивања довољно енергије за мишићни рад. Протеини нису значајан извор енергије, али амино­киселине могу да послуже за синтезу ATP­a за рад скелетних мишића. Tело користи угљенички скелет амино­киселина да путем ае­ робног метаболизма ствара АТP, или одређене (гликогене) амино­киселине користи за производњу глукозе у процесу глуконеогенезе. Интензитет вежбања одређује допринос сваке врсте метаболичког горива које мишићи користе за производњу енергије. Код активности нижег до умереног интензитета, ефикаснији аеробни метаболизам служи за снабдевање мишића енергијом АТР-а. Масне киселине су главни извор енергије током физичке активности ниског интензитета. Резерве масти у телу човека готово су неограничене. Залихе триацилглицерола приближно 50 пута премашују укупне резерве метаболичке енергије из гликогена. Оне су довољне да нормално ухрањена особа истрчи више од 25 маратонских трка! Током активности високог интензитета мишићима је потребно много више АТР-а у јединици времена. Они се тада ослањају на анаеробни и аеробни метаболизам глукозе. Исцрпљивањем залиха гликогена наступа умор мишића.

Утицај интензитета вежбања на коришћење извора горива у енергетском метаболизму човека. Уколико желите да смршате (укупна потрошња већа од уноса метаболичке енергије) бирајте активности као што су брзо ходање, трчање или пливање, у трајању 45–60 минута дневно, најмање 4–5 пута недељно, а не вежбе снаге, као што је дизање терета.

Физичка активност ниског интензитета, какво је ходање, пре свега троши масне киселине као извор метаболичке енергије.

Енергија за физичку активност умереног интензитета, на пример за пливање, приближно подједнако долази из потпуне (аеробне) разградње молекула глукозе и масних киселина.

Током интензивне физичке активности, као што је дизање тегова, готово искључиво се користи глукоза (разлагање резерви гликогена, анаеробна гликолиза и Коријев циклус) за добијање молекула ATP-а, потребних за контракцију мишића.

136 Основи енергетског метаболизма

3.3. АНАЕРОБНИ ПУТЕВИ ЗА СТВАРАЊЕ ЕНЕРГИЈЕ ИЗ ГЛУКОЗЕ

К

рајњи исход и сврха свих катаболичких путева је �ре�варање енергије хемијских веза у макронутријентима у високоенергетске везе у молекулима аденозин­три­ фосфата, који су најважнији хемијски облик енергије који тело користи за оба­ вљање рада.

Људска врста је прилагођена да преживи и у периодима оскудице хране. Пошто син­ тетисане молекуле АТP­а ћелије одмах потроше, тело користи складишта метаболичке енергије која се брзо покрећу у одговору на повећану потребу за енергијом. Последица ефикасног складиштења енергије када хране стално има у изобиљу јесте и епидемија гојазности и болести повезаних с гојазношћу.9

Гликолиза

Уз синтезу и коришћење фосфокреатина у мишићима, анаеробни метаболички пут који у цитоплазми наших ћелија даје енергију јесте гликолиза. Гликолиза је серија од десет ензимима катализованих хемијских реакција (слика 3.10), којима се молекул глукозе (шест атома угљеника) оксидативно разлаже на два молекула пирувата (три атома угљеника), уз нето �оби�ак од два молекула ATP­a. глукоза + 2 ADP + 2 Pi + 2 NAD+ → 2 пирувата + 2 ATP + 2 NADH + 2 H+ + H2O

Општа стехиометрија процеса разлагања глукозе у процесу гликолизе

Синтеза ATP­a у две реакције у гликолитичком путу (обележене бројевима 7 и 10 на слици 3.10) назива се фосфорилација на нивоу супстрата, и представља један од �ва начина на који настаје АТР у ћелијама животиња. Други начин је аеробни процес ћелијског дисања. Даља метаболичка судбина пирувата (пирогрожђане киселине) зависи од калориј­ ске хомеостазе, повезане с нивоом физичке активности. Пируват се оксидује, под анае­ робним или аеробним условима, унутар исте ћелије или у другим ћелијама, или се у је­ три преводи у глукозу, у процесу глуконеогенезе, уз у�рошак 4 АТРа и 2 GTPa. 2 пирувата + 4 ATP + 2 GTP + 2 NADH + 4 H+ + 6 H2O → глукоза + 2 NAD+ + 4 ADP + 6 Pi 10 Општа стехиометрија синтезе глукозе из пирувата у процесу глуконеогенезе

Када је ћелијама скелетних мишића потребан брзи доток енергије за процес контрак­ ције мишићних влакана (анаеробни услови), пируват се у цитосолу редукује до лактата, у повратној реакцији коју катализује ензим лак�а�-�ехи�ро�еназа (слика 3.11).

9

10

Гојазност се дефинише као прекомерна телесна маса настала услед повећања садржаја масног ткива (> 30% код жена и > 25% код мушкараца). У Србији више од половине одрасле популације има вишак килограма, а четвртина људи је гојазна.

GTP, гуанозинтрифосфат, je aналог ATP који учествује у неким процесима метаболизма.

ХЕМИЈА 4 137

прва фаза (реакције 1-5): утрошак 2 молекула ATP

друга фаза (реакције 6-10): стварање 4 молекула ATP Слика 3.10. – Приказ хемијских реакција (1–10) гликолизе. У првој фази гликолизе троше се два молекула АТP за настајање два молекула глицералдехил-3-фосфата из једног молекула глукозе. У другој фази гликолизе настају четири молекула АТP током насгтајања два молекула пуривата. Према томе, током гликолизе ослобађа се метаболичка енергија.

Уз лактат, други производ ове ре­ акције јесте окси�овани облик никоти­ намид­аденин­динуклеотида (NAD+), што омогућава нас�авак гликолизе. Током тренинга високог интензитета пируват лактат или након дужег периода физичке не­ активности јавља се осећај блокира­ Слика 3.11. – Хемијска реакција катализована лактат-дехидрогеназом них и болних мишића. Погрешно се сматра да је кривац за „упалу мишића” накупљање лактата. Микроповреде мишићних ће­ лија изазивају бол након вежбања! Лактат је наш савезник – пошто омогућава ћелијама јетре да створе додатну енергију неопходну за издржавање напора (Коријев циклус). На­ име, лактат из ми­ шића одлази у је­ тру, где прелази у пируват, из кога у процесу глуконео­ генезе настаје глу­ коза, а она се враћа у мишиће и ра­ ГЛУКОНЕОГЕНЕЗА ГЛИКОГЕНОЛИЗА, ГЛИКОЛИЗА злаже у процесу глукоза глукоза гликоген гликолизе (слика 3.12). лактат

лактат

Слика 3.12. – Коријев циклус (енгл. Cori cycle) описује транспорт лактата између јетре и мишића, у циљу добијања додатне енергије за контракцију (рад) мишића.

138 Основи енергетског метаболизма

ХОРМОНИ И ФИЗИЧКА АКТИВНОСТ Физичка активност значајно мења активност хормона ендокриног система одговор­ них за ре�улацију метаболизма угљених хидрата, липида и протеина, али и оних задуже­ них за прерасподелу крви током вежбања, регулацију телесне температуре, рад имун­ ског система и контракције скелетних мишића.

Редовно аеробно вежбање („кардиотренинг”), које пре свега подразумева природне облике кретања који трају дуже (ходање, трчање, вожња бицикла, пливање, скијашко тр­ чање), обнавља нервне ћелије у мозгу, регулише ниво серотонина („хормона среће”), по­ већава лучење ендорфина (ведрије расположење) и регулише ниво допамина („господин енергија”). Осим тога, овим вежбањем се побољшавају суочавање са стресним ситуација­ ма, памћење и квалитет сна, повећава се емоционална стабилност и смањује депресија. Током физичке активности долази до природног пораста концентрације хормона раста (соматотропина – пептидног хормона хипофизе), највише током наизменичне примене високоин�ензивних �ренин�а и кратких интервала одмора. Хормон раста де­ лује на многа ткива: изазива раст костију, пре свега дугих, повећање мишићне масе и синтезе протеина, као и обнављање колагена, те повећава покретљивост зглобова и оја­ чава кости и тетиве.

Тестостерон (слика 2.2.17; странa 82) jeсте производ полних жлезда и коре надбу­ брега. Физичка активност стимулише лучење тестостерона код оба пола (код мушкара­ ца више), највише током ин�ензивних �ренин�а. Тестостерон утиче на обнављање ми­ шића, побољшава циркулацију у мускулатури и одлаже појаву замора, омогућава боље искоришћење глукозе и масних киселина за добијање енергије, али и коришћење проте­ ина из мишића у случају недостатка других метаболичких горива. Инсулин (слика 2.3.10; странa 97), хормон панкреаса, пре свега омогућава да тело искористи глукозу у крви након оброка богатог угљеним хидратима. На почетку тре­ нинга наш нервни систем спречава пораст инсулина, чинећи претходно унету глукозу доступном као извор енергије за рад мишића. Због тога треба избегавати уношење хра­ не богате шећерима непосредно пре тренинга. Редовна физичка активност важна је и као терапијско средство за смањење резистенције организма на инсулин, која се често јавља као последица неактивног начина живота и последичне гојазности.

Кортизол (слика 2.2.16; странa 82) лучи надбубрежна жлезда, као одговор на интен­ зивно вежбање, снижен ниво глукозе у крви и стрес. Овај „хормон стреса” одржава опти­ мални енергетски метаболизам током физичке активности тако што стимулише синтезу глукозе и учествује у мобилизацији масних киселина и разградњи протеина. Има и сна­ жно противупално дејство.

Уместо закључка. – Анаеробни путеви за синтезу ATP­а преовлађују када је органи­ зму потребна зна�нија количина енергије у кра�ком интервалу времена, као код спорт­ ских активности попут дизања тегова или спринта. Лактат се привремено нагомилава у телу, пошто скелетни мишићи не добијају довољно потребног кисеоника за �о��уну ок­ сидацију глукозе као главног извора метаболичке енергије.11 11

Бактерије млечнокиселинског врења, које преводе глукозу до лактата, користе се за индустријску производњу бројних ферментисаних млечних производа (јогурт, павлака, кисело млеко, кефир). Фермен�ација је сваки хемијски процес којим се молекули анаеробно разграђују.

ХЕМИЈА 4 139

3.4. АЕРОБНИ ПУТЕВИ ЗА СТВАРАЊЕ ЕНЕРГИЈЕ ИЗ ГЛУКОЗЕ

М

етаболичка разградња молекула глукозе пример је катаболичког процеса у коме настаје ATP, али чији крајњи �роизво�и зависе од коришћења располо­ живог молекулског кисеоника. Уколико ткива и ћелије корис�е кисеоник за оксидацију органског супстрата (аеробни метаболизам), укупан процес на­ зивамо „ћелијско дисање”.

Кисеоник у катаболизму служи као крајњи прималац електрона (редукује се до воде), у метаболичким путевима у којима настаје велика количина АТP­a (оксидативна фосфорилација). Даваоци електрона су молекули NADH и FADH2 (ре�уковани облик флавин­аденин­динуклеотида), пре свега пореклом из аеробног катаболизма угљених хидрата и липида (Кребсов циклус и β­оксидација масних киселина).

Кребсов циклус

У аеробном метаболизму глукозе пируват на­ стао у процесу гликолизе подлеже окси�а�ивној �екарбоксилацији (слика 3.13), уз настајање ацетил-коензима А. Реакцију катализује митохондри­ јски ензимски комплекс пируват­дехидрогеназа.

пируват

ацетил-коензим A

Ацетил­коензим А је полазна тачка Кребсовог циклуса, који је централни метаболички пут у аеробном оксидативном метаболизму. Кребсов Слика 3.13. – Пируват-дехидрогеназа катализује прециклус, познат и као циклус лимунске киселине вођење пирувата у ацетил-коензим А (ацетил-CoА), у + или циклус �рикарбоксилних киселина, обухвата реакцији повезаној с редукцијом NAD у NADH. Ова рекружну секвенцу од осам реакција унутар мито­ акција је пример оксидативне декарбоксилације, пошто је други производ угљен-диоксид (CO2). хондрија еукариотских ћелија (слика 3.14). У сва­ кој секвенци реакција два угљеника улазе у систем (као ацетил­CoА), а два излазе (угљен­диоксид),12 уз настајање је�но� високоенергетског молекула фосфата (гуанозин­трифосфат, GTP) и обнављање молекула оксалоацетата за наставак метаболичког пута. ацетил-CoA + 3 NAD+ + FAD + GDP + Pi → CoA + 3 NADH + FADH2 + GTP + 2 CO2 Општа стехиометрија Кребсовог циклуса (један „круг”)

Права корист за ћелију је синтеза три молекула NADH и једног молекула FADH2 у свакој секвенци Кребсовог циклуса. Ови молекули дају своје електроне ланцу за тран­ спорт електрона, што је место у ћелији где се производи највећи део АТP­а. Метаболити (интермедијери) Кребсовог циклуса користе се као �ра�ивни блокови за многе биомоле­

12

Ови молекули CO2, заједно са онима који настају активношћу пируват­дехидрогеназе, главни су извор угљен­диоксида који ослобађамо у атмосферу када издишемо ваздух.

140 Основи енергетског метаболизма

куле. У реакцији трансаминације, из α­кетоглутарата настаје глутамат, а из оксалоацета­ та аспартат. Глутамат је прекурсор за синтезу �уринских нуклеотида, а аспартат за син­ тезу �ирими�инских. Оксалоацетат и малат су супстрати за �луконео�енезу, док је сукци­ нил­CоА прекурсор порфирина. Према томе, циклус лимунске киселине много је више од „успутне станице” у синтези молекула ATP­a. цитрат ацетил-CoА

оксалоацетат

cis-аконитат

малат

КРЕБСОВ ЦИКЛУС изоцитрат

фумарат

α­кетоглутарат сукцинат

сукцинил-CoА

3.14. – Приказ реакција (1–8) Кребсовог циклуса. У свакој кружној секвенци реакција, оксидацијом С2 јединице (ацетил-CoA) настају три молекула NADH, два молекула CO2 и по молекул FADH2 и GTP-а.

Иако се у Кребсовом циклусу не користи кисеоник, активност овог циклуса је пове­ зана с �о�рошњом кисеоника за регенерацију NAD+ молекула у ланцу за транспорт електрона.

ХЕМИЈА 4 141

Оксидативна фосфорилација Током разградње једног молекула глукозе кроз анаеробни гликолитички пут и аероб­ ни Кребсов циклус настају само �ри молекула високоенергетског фосфата (2 ATP­а и 1 GTP). Највећи део метаболичке енергије остао је „заробљен” у енергетски богатим носачи­ ма електрона (NADH и FADH2). Њих ћелија користи за стварање корисне енергије кроз спрегу процеса преноса електрона (електрон­транспортни ланац) и синтезе ATP­a. У зби­ ру, то је процес оксидативне фосфорилације у унутрашњој мембрани митохондрија.

Електрони које предају NADH и FADH2 се преносе низом од три (за молекул FADH2) или четири (молекул NADH) протеинска комплекса (I–IV), и два покретна носача елек­ трона (коензим Q и цитохром с) (слика 3.15). Пролаз електрона кроз ланац потпомажу ензимски комплекси NADH-дехидрогеназа (комплекс I), цитокром с-редуктаза (ком­ плекс III) и цитохром с-оксидаза (комплекс IV). Комплекс II део је Кребсовог циклуса, ензим сукцинат-дехидрогеназа који убрзава превођење сукцината у фумарат (слика 3.14). Последњи корак овог процеса је четворо­електронска редукција кисеоника у воду. Отуда молекулски кисеоник као „крајњи прималац електрона у респираторном ланцу”.

међумембрански простор

ATP – синтеза

матрикс

унутрашња митохондријска мембрана

Слика 3.15. – Упрошћени приказ протеинских (ензимских) комплекса (I–IV) у унутрашњој мембрани митохондрија, месту синтезе главнине молекула ATP-a у животињским ћелијама

Ензимски комплекси у унутрашњој мембрани митохондрија делују и као протонске пумпе, померајући протоне из матрикса митохондрија у простор између мембрана. „Пумпањем” ових протона ствара се елек�рохемијски �радијен� преко унутрашње ми­ тохондријалне мембране. Енергија садржана у овом процесу (раздвајање позитивних и негативних наелектрисања) може се упоредити са енергијом молекула воде које задр­ жава брана хидроелектране. Енергија створена пумпањем протона користи се за враћање �ро�она наза� �реко мембране (слика 3.15), као што се кинетичка енергија ослобођена изливањем воде из бране користи да окрене хидрауличку турбину (роти­ рајући мотор) која је повезана с машином која ствара електричну енергију.

142 Основи енергетског метаболизма

У ланцу транспорта електрона протони се враћају назад кроз �о�а�ни ензимски ком­ плекс, назван АТP-синтаза (комплекс V). АТP­синтаза користи повољну промену слобо­ дне енергије да фосфорилише АDP у АТP. Оксидацијом молекула NADH у NAD+ преноси се шест протона (по два на свакој ензимској пумпи), што ствара довољно енергије за фосфорилацију три молекула ADP­а у три молекула АТP­а. У случају молекула FADH2, прескочен је комплекс I (слика 3.15), тако да два молекула ATP­а настаjу као резултат активности електрон­транспортног ланца. Какав је укупан енергетски биланс коришћења глукозе као извора метаболичке енергије? Потпуном оксидацијом једног молекула глукозе (гликолиза + Кребсов циклус + оксидативна фосфорилација) настаje 38 молекула аденозин­трифосфата. По­ што се 2 молекула ATP­а потроши за транспорт NADH (из гликолизе) у матрикс мито­ хондријa, разградња молекула глукозе теоријски ствара 36 молекула ATP­а. У реалности, у ћелији настаје мање енергије, 30–32 молекула ATP­a.13 АНАЕРОБНО ДИСАЊЕ

АЕРОБНО ДИСАЊЕ

глукоза глукоза

млечна киселина ћелијска мембрана

ћелијска мембрана митохондрија

ATP

ATP

› Разлике у коришћењу глукозе као извора метаболичке енергије

13

Метаболички и сви други процеси у живим системима нису савршене молекулске машине. „Цурење” електрона у електрон­транспортном ланцу основни је разлог за нешто нижи принос енергије из потпуне оксидативне разградње глукозе до CO2 и H2O.

ХЕМИЈА 4 143

3.5. ОСНОВИ ЕНЕРГЕТСКОГ МЕТАБОЛИЗМА ДРУГИХ МЕТАБОЛИЧКИХ ГОРИВА

О

вде ћете сазнати како ћелије у нашем телу користе масне киселине и протеин­ ске амино­киселине као изворе метаболичке енергије.

Масне киселине као извор метаболичке енергије

Човек, као и друге животиње, метаболичку енергију пре свега складишти као есте­ рификоване масне киселине у структури триацилглицерола.14 Највећи део триацилгли­ церола налази се у масном ткиву, у облику неполарних масних капљица у цитосолу ће­ лија, у мањој мери у скелетним мишићима и липопротеинима крвне плазме. Да би енергија угљеник–угљеник веза могла да се искористи за синтезу ATP­a, три­ ацилглицероли подлежу хидролизи, а ослобођене масне киселине прелазе у крвоток. Хормон-осе�љива ли�аза је ензим који контролише овaj процес. Катаболички хормони (као адреналин) стимулишу, а анаболички (као инсулин) смањују активност липазе, регу­ лишући процес липолизе. Оксидација масних киселина током дуготрајније физичке ак­ тивности нижег интензитета о�лаже исцрпљивање резерви гликогена и хипогликемију. За разлику од коришћења глукозе као извора метаболичке енергије, прикупљање енергије из катаболизма масних киселина одвија се искључиво у присуству кисеоника (аеробни метаболизам). Након уласка у ћелију, слободнa дуголанчана маснa киселинa се ак�ивира додавањем коензима А. Активирана масна киселина улази у митохондрије посредством носача L-карнитина и деловањем одговарајућих трансфераза. У матриксу митохондрија ацил­остатак масне киселине скраћује се за по два атома угљеника (двоугљенични ацетил-CoА) у сваком кругу разградње, уз ослобађање по јед­ ног молекула NADH и FADH2 (слика 3.16). Овај метаболички процес назива се β-оксидација масних киселина, с обзиром на то да до оксидације долази на β­угљениковом атому у структури полазног супстрата (ацил­остатак активиране масне киселине). Какав је укупан енергетски биланс коришћења масних киселина као извора метаболич­ ке енергије? Потпуном оксидацијом палмитинске киселине (16 атома угљеника) ћелије добијају 129 молекула ATP-а („нето” принос), много више него из молекула глукозе. палмотоил-CoA + 7 CoA-SH + 7 FAD + 7 NAD+ + 7 H2O →8 ацетил-CoA + 7 FADH2 + 7 NADH + 7 H+ Општа стехиометрија разградње палмитинске киселине у процесу β-оксидације Ацетил-CoА не само да је улазни метаболит за Кребсов циклус, већ је и тачка спајања катаболизма липида (масних киселина) и аеробног метаболизма угљених хидрата (глуко­ зе). Иден�ични �у�еви даље воде до синтезе молекула АТP­а: ацетил­CoА улази у Креб­ сов циклус, а NADH и FADH2 предају своје електроне ланцу за транспорт електрона.

14

Зашто живи системи метаболичку енергију чувају у биополимерима какви су скроб (биљке), гликоген и триацилглицероли? Једноставно, осмотски притисак за ткива био би неиздрживо висок уколико би се у њиховим ћелијама складиштили појединачни молекули шећера и масних киселина.

144 Основи енергетског метаболизма

Амино-киселине као извор метаболичке енергије транс-∆2-еноил коензим А

ацил-коензим А

дехидрогеназа

транс-∆2-еноил коензим А

хидратаза

3-хидроксиацил коензим А

дехидрогеназа

3-кетоацил коензим А

3-хидроксиацил коензим А

3-кетоацил коензим А

тиолаза

ацил-коензим А

ацетил-коензим А

Слика 3.16. – Поједностављени приказ следа од четири хемијске реакције у сваком кругу разградње масних киселина у процесу β-оксидације

Аеробни метаболизам глу­ козе и масних киселина о�личан је извор енергије (ATP­a) за живе ћелије. Шта је с протеини­ ма, односно њиховим драгоце­ ним амино­киселинама?

Угљени хидрати и липиди, које наше тело користи као извор енергије, не садрже азот и сумпор, есенцијалне биоелеме­ нте у свим протеинима. У тео­ рији, протеинске амино-киселине могле би да �о��уно за­ мене угљене хидрате и липиде као изворе енергије: тело одра­ слог мушкарца масе 70 kg отпри­ лике има 8,5 kg протеина. Уз унос довољно есенцијалних мас­ них киселина, витамина и мине­ рала, то би могло бити довољно за подршку животу.

Међутим, сви протеини у телу имају своје је�инс�вене уло�е изван складиштења енергије. Коришћење протеина као основног метаболичког горива створило би и про­ блем елиминације вишкова азо�а, који може да буде штетан за организам. Вишак ами­ но­група из протеина, који се ослобађа као токсичан амонијак (амонијум­катјон), ук­ лања се преко бубрега, након превођења у молекуле урее у јетри.15 2 NH3 (амонијак) + CO2 + 3 ATP + H2O → H2N-CO-NH2 (уреа) + 2 ADP + 4 Pi + AMP

Општа стехиометрија синтезе урее (енергетски „скуп” процес за ћелију!)

Угљенични костур амино­киселина, посебно оних разгранатог ланца (леуцин, изоле­ уцин и валин, којима су богати скелетни мишићи), улази у путеве за производњу енер­ гије као пируват, ацетил­CоА, или у неколико других тачака у Кребсовом циклусу. У за­ висности од тога које енергетско гориво даље настаје (слика 3.17), амино­киселине кла­ сификујемо на глукогене (настаје глукоза) и кетогене (настају кетонска тела).

Док масне киселине настају из глукозе (извор ацетил­CoA), а глукоза из протеина (извор глукогене амино­киселине), садржај амино­киселина у телу животиња зависи од уноса протеина храном. Разградња и синтеза протеина одвијају се непрекидно и ова два процеса требало би да су у равнотежи. Уколико је синтеза протеина већа од деградације, долази до �овећања садржаја протеина у телу и vice versa. Равнотежа азота у телу сино­ ним је за равнотежу метаболизма протеина, пошто су амино­киселине укључене и у син­ тезу других важних једињења која садрже азот, као што су амонијак и уреа, креатин, азотне базе, пептидни хормони, неки неуротрансмитери.

14

Синтеза урее била је први метаболички процес са утврђеним следом хемијских реакција (прве две одвијају се у митохондријама, последње три у цитосолу ћелије).

ХЕМИЈА 4 145

фосфоенолпируват

аланин глицин треонин цистеин серин триптофан

пируват ацетил-коензим A

глукоза аспартат аспарагин

оксалоацетат

малат

фумарат тирозин фенилаланин аспартат

сукцинат

цитрат

триптофан тирозин фенилаланин треонин изолеуцин лизин леуцин

Легенда: глукогене кетогене оба типа

изоцитрат аргинин пролин хистидин глутамин алфа-кетоглутарат сукцинилкоензим А

глутамат

треонин метионин изолеуцин валин

Слика 3.17. – Резиме катаболизма аминокиселина

Биљке из једноставних неорганских једињења синтетишу све протеинске амино-киселине. Животиње нису у стању то да ураде. Тело човека има ограничену способност претварања једне амино-киселине у другу. То се постиже трансаминацијом у јетри.15 У повратној реакцији трансаминације амино-група се помера с једног молекула на други, под утицајем ензима амино-трансфераза (трансаминазе). Коензим за ову групу ензима је пиридоксал-фосфат, активни облик витамина B6. Молекул α-кетоглутарата (метаболит Кребсовог циклуса) основни је прималац α-амино-групе амино-киселина, уз настајање глутамата. Синтеза условно есенцијалних и неесенцијалних амино-киселина зависи од брзине настајања одговарајућих α-кето-киселина. Трансаминацијом пирувата (из гликолизе) настаје аланин, а оксалоацетата (из Кребсовог циклуса) тело ствара аспартат.

Неесенцијалне амино-киселине аланин, аспартат и глутамат настају у реакцијама трансаминације. Повишене концентрације ензима трансаминаза у крви указују на оштећење ћелија јетре и срчаног мишића.

Уместо закључка. – Стабилност снабдевања метаболичком енергијом кључна је за одржавање живота. Енергија је потребна за стварање и поправку свих ћелијских струк­ тура, за одржање интегритета и све функције ћелија и ткива, као и за кретање. Сисари добијају енергију из угљеничног скелета макронутријената унете хране, какви су угље­ ни хидрати и липиди, под одређеним условима и протеини. Енергија се ослобађа када се везе угљеник–угљеник и угљеник–водоник у макронутријентима хране разлажу, или када у катаболичким процесима настају друге високоенергетске везе, какве постоје у молекулима аденозин­трифосфата.

15

Трансаминација је ензимима катализовани пренос амино­групе са једне амино­киселине на другу кето­ ­киселину и обрнуто.

146 Основи енергетског метаболизма

У ФОКУСУ. – Физичка активност и здравље човека Физичка активност је све што покреће тело, тј. активира скелетне мишиће и троши енергију: активна игра, спорт, плес, ходање, трчање, вожња бицикла, као и уобичајене рад­ не и животне активности (пењање уз степенице, кућни послови, чување деце и друго). Редовна физичка активност доноси небројене користи за физичко, ментално и со­ цијално здравље човека. Према Светској здравственој организацији, заједно са з�равом исхраном и не�ушењем, физичка активност је главна компонента у спречавању поре­ мећаја здравља. Она смањује ризик од болести срца, дијабетеса типа 2, високог крвног притиска, можданог удара, неухрањености или гојазности, карцинома (плућа, дебелог црева, дојке), падова и прелома (посебно код старијих људи). Редовна физичка актив­ ност обезбеђује правилан раст и развој тела, помаже одржање здраве телесне масе у свим животним добима, помаже развоју и одржању моторике, снаге, флексибилности и издржљивости, развија и одржава чврстину костију и мишића, побољшава квалитет сна, јача самопоуздање (бољи изглед особе), смањује напетост и ризик од појаве депресив­ них осећања, побољшава стицање и одржање социјалних вештина. Запамтите и да фи­ зички активни млади људи имају мање проблема у понашању и дисциплини, бољи успех у школи и друштву, као и бољу концентрацију на часу. Дакле, правилна исхрана и физичка активност чувају и побољшавају здравље човека и смањују ризик од настанка различитих болести. Адекватна и редовна физичка актив­ ност помоћи ће свим људима да имају не само више живота у својим годинама него и више година у животима!

› Пирамида правилне исхране (лево) и физичке активности за младе људе. Намирнице и активности са дна (базе) пирамиде треба редовно конзумирати и практиковати, а оне с врха само понекад (у мањим количинама и ређе).

Какве би биле опште препоруке за здраве људе у вези с редовном физичком активношћу? Потребно је да имају најмање 150 минута умерене аеробне активности недељно (брзо ходање, рекреативно пливање, вожња бицикла по равном, џогинг, шетња с љубимцем). Млађе одрасле особе требало би у своју рутину да укључе и најмање 75 минута интензивне аеробне активности недељно (трчање, прескакање конопца, аеробик, брзо пењање степеницама, вожња бицикла узбрдо). Најбоља је комбинација умерених и интензивних аеробних активности, уз вежбе за јачање скелетних мишића минимум два пута недељно. Препорука за вас тинејџере јесте: око 60 минута аеробне физичке активности дневно, три пута недељно вежбе за јачање мишића и мање од један сат седења у континуитету.

ХЕМИЈА 4 147

Питања и задаци за утврђивање и проверу знања 1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

Саставите хемијску асоцијацију с појмом „метаболизам” као коначним решењем. Образложите избор изабраних појмова за решење колона А, Б, В и Г. Наведите кључне разлике између анаеробних и аеробних путева катаболизма енергетских горива у нашем телу. Објасните зашто преживари, као краве и овце, не једу слатку храну. Напишите и анализирајте структуру молекула глукозе (отворени облик!) и пирувата. Објасните зашто кажемо да је превођење глукозе у пируват хемијска реакција оксидације. Објасните зашто инсулин називамо анаболичким хормоном, а глукагон и адреналин катаболичким хормонима. На слици је приказана структурна формула (редуковани облик) флавин-аденин-динуклеотида (FADH2). Обележите сва једињења које улазе у састав ових редоксактивних коензима, који су део структуре многих флавопротеина (комплекс сукцинатдехидрогеназе, α-кетоглутарат-дехидрогеназа или комплекс пируват-дехидрогеназе). На слици је приказана је структурна формула коензима А (CoA). Обележите сва једињења за која знате да улазе у састав овог молекула, неопходног за метаболизам угљених хидрата, амино-киселина, масних киселина и других биомолекула. Структурним формулама прикажите другу реакцију трећег круга разградње стеаринске киселине у процесу β-оксидације.

Проблемски задаци за радознале и оне који желе да знају више 1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

Пронађите називе ензима који катализују (убрзавају): (а) реакције гликолитичког пута (слика 3.10); (б) реакције Кребсовог циклуса (слика 3.14); (в) основне четири реакције β-оксидације масних киселина (слика 3.16). Кето (кетогена) дијета подразумева исхрану са веома мало угљених хидрата и високим садржајем масти и протеина. Може бити корисна за губитак вишка телесне масе без гладовања, као и за одређена здравствена стања. Истражите лоше стране кетогене дијете. Проучите хемијску структуру и физичко-хемијска својства хормона инсулина, глукагона и адреналина. Којим класама биомолекула припадају ови регулаторни молекули? Истражите зашто се Кребсов циклус назива и амфиболички пут. Пронађите који научници су добили Нобелову награду за: (а) откриће Кребсовог циклуса; (б) откриће природе и начина деловања респираторних ензима; (в) откриће тока каталитичке конверзије гликогена; (д) откриће коензима А и његовог значаја за интермедијарни метаболизам. Напомена: интермедијарни значи унутар ћелије. Физичка активност једна је од најважнијих радњи коју људи свих старосних група могу и треба да предузму да би побољшали своје здравље. Према подацима Института за јавно здравље „Др Милан Јовановић Батут” и Републичког завода за статистику (из 2022. године), 41% грађана у Србији је недовољно физички активно, а свака четврта особа седи више од седам сати дневно. Сазнајте када се обележава Међународни дан физичке активности. Као најбоље суплементе (додатке исхрани) за добијање мишићне масе фитнес тренери препоручују: 1. протеине сурутке; 2. казеин; 3. креатин; 4. амино-киселине разгранатог ланца (енгл. BCAА, branched chained amino acids); 5. хидроксиметилбутират (енгл. HMG, β-hydroxy-βmethylbutyrate). Истражите како ова једињења утичу на скелетне мишиће.

148 Основи енергетског метаболизма

ХЕМИЈА 4 149

4

СЕКУНДАРНИ МЕТАБОЛИТИ ЖИВИХ СИСТЕМА Када проучите садржај ове целине, сазнаћете: • које биомолекуле сврставамо у алкалоиде, витамине и антибиотике; • каква је структура, подела и каква су својства алкалоида, витамина и антибиотика; • које су улоге и какав је значај алкалоида, витамина и антибиотика у организму човека; • које биљке и намирнице су посебно богате алкалоидима и витаминима; • основне принципе и значај правилне исхране за тело човека; • које су опасности злоупотребе психоактивних алкалоида, као и антибиотика.

150 Секундарни метаболити живих система

УВОД

Секундарни метаболити су природни производи мале молекулске масе, различитих, понекад необичних хемијских структура и биолошке активности, које углавном синтетишу бактерије, гљиве и биљке. Назив секунgарни ме�аболи�и потиче од раног запажања да они нису неопходни за раст и размножавање организама у којима настају, за разлику од �римарних ме�аболи�а, којима припадају угљени хидрати, липиди, протеини и нуклеинске киселине („макромолекули живота”). За опис ове велике групе биомолекула користи се и термин „специјализовани метаболити”. Секундарни метаболити имају кључну уло�у у о�с�анку организама у којима настају, будући да регулишу узајамно деловање других биомолекула, многе реакције и процесе у ћелији. Изоловање, испитивање својстава, индустријска производња и примена секундарних метаболита микроор�анизама1 задатак је молекуларних биолога, биохемичара, органских хемичара и биотехнолога. У наредним лекцијама упознаћете три групе секундарних метаболита од посебног значаја за човека: алкалоиде, антибиотике и витамине. СЕКУНДАРНИ МЕТАБОЛИТИ

Терпени/терпеноиди а. монотерпени б. сесквитерпени в. дитерпени г. тритерпени д. тетратерпени ђ. политерпени

Феноли

Једињења која садрже азот

а. једноставна једињења – кофеинска киселина, ферулична киселина, ванилин, салицилна киселина

а. алкалоиди – кокаин, никотин, морфин и кафеин

б. сложени фенолни макромолекули – лигнини, танини и флавоноиди

б. група отровних цијаногених гликозида и гликозинолата

› Општа подела најзаступљенијих секундарних метаболита биљака

1

Свет микроорганизама, који чине бактерије, плесни (гљивице), актиномицете (стрептомицете), прокариотске алге (цијанобактерије), праживотиње (протозое) и вируси, невероватно је велик. Он обухвата десетине хиљада представника толико малих (микро на старогрчком = мало/мали) да превазилазе могућности вида човека. Њихово изучавање и упознавање почиње са употребом микроскопа, који је изумео „отац микробиологије” Антони ван Левенхук (хол. Antonie Leeuwenhoek).

ХЕМИЈА 4 151

1.1. БИОГЕНИ 4.1. АЛКАЛОИДИ ЕЛЕМЕНТИ Зашто су алкалоиди добре слуге, а лоши господари?

С

матра се да су биљке развиле широк спектар секундарних метаболита, током сто­ тина милиона година еволуције, као средство за одбрану од биљоједа, микроорга­ низама, вируса и других биљака. Најбројнија група таквих једињења су алкалоиди. Од око 20.000 познатих алкалоида, више од 12.000 изоловано је из биљака. Алка­ лоиди су пронађени и у микроорганизмима, морским организмима (алгама), али и коп­ неним животињама, као што су инсекти, даждевњаци и жабе крастаче. Основно обележје ове класе биомолекула јесте широк спектар хемијских структура, најчешће са базним хе�ероцикличним а�омом азо�а у молекулу. Већина алкалоида су отровна једињења, горког укуса, изразитог деловања на организам човека. Зато се алкалоиди вековима ко­ ристе у медицинске сврхе, али све више и злоупотребљавају (психоактивне дроге).

Појмовно одређење, структура и својства алкалоида

У природи, посебно у биљном свету, велики број органских једињења у структури молекула садрже најмање један хетероциклични базни атом азота. Такву групу је­ дињења заједничким именом називамо алкалоиди (арапски halkali = база и грчки eidos = сличан).2 Алкалоиди у природи углавном настају из амино-киселина (поглавље 2.3), као што су фенилаланин, тирозин, триптофан, орнитин (непротеинска амино­кисели­ на) и лизин. Имена алкалоида завршавају се суфиксом ­ин, што упућује на хемијску структуру амина. Већина алкалоида је безбојна и горког укуса.3

Алкалоиди се уобичајено деле према хемијској структури хе�ероциклично� скелета. Најбројније групе у природи су индолни и изохинолински алкалоиди, потом тропански алкалоиди, с�ероидни алкалоиди, као и алкалоиди с пиридинским и пиролизидинским прстеном. Псилоцин (слика 4.1а) јесте индолни психоделични алкалоид печу­ рки. Изохинолидински прстен налазимо у структури морфина (слика 4.5) и ко�еинa (сли­

а

д 2 3

б

в

г

Слика 4.1 – Структурне формуле алкалоида псилоцина (а), кодеина (б), атропина (в), соланидина (д) и ретронецина (е) У природи су нађени и неутрални алкалоиди: атом азота је део амидне везе у структури молекула.

Неки алкалоиди су обојени: берберин и колхицин су наранџастожути, бетаин је црвен, сангвинарин циглацрвен, а канадин наранџаст.

152 Секундарни метаболити живих система

ка 4.1б), алкалоида који на наш организам делују као аналгетици (средства против боло­ ва). А�ро�ин (слика 4.1в) има тропанску структуру и један је од најстаријих лекова, који се користи и као противотров (антидот) за нервне бојне отрове. Кртола кромпира садр­ жи стероидни алкалоид солани�ин (слика 4.1г), прекурсор у синтези неких хормона. Нико�ин (слика 4.4) јесте најпознатији алкалоид пиридинске структуре, док је ре�ронецин (слика 1д) пиролизидински алкалоид лековите биљке гавез (Symphytum officinale). Биљни алкалоиди сврставају се у групе и према биљци у којој настају. На пример, алкалоиди опијума, алкалоиди ражане главице (ергот алкалоиди), цинхона алкалоиди (кининовац), алкалоиди кактуса и винка алкалоиди.

Алкалоиде у биљкама ретко налазимо као слободне органске базе. Углавном су при­ сутни као растворне соли ор�анских киселина (винске, сирћетне, оксалне, лимунске, ја­ бучне и млечне киселине) (слика 4.2), као ес�ри (атропин, кокаин, аконитин) или конју�а�и с танинима (врста полифенола) или шећерима (гликоалкалоиди). Слободне базе алкалоида растворљиве су у не�оларним органским растварачима (хлороформ, ме­ тилен­хлорид, етар), док је њихова растворљивост у води мала (изузеци су кофеин и ефедрин). Соли алкалоида су растворљиве у води и разблаженим киселинама, а нера­ створљиве или слабо растворљиве у органским растварачима. Описане разлике у растворљивости алкалоида и њихових соли користе се за изоловање и пречишћавање алкалоида из полазног биљног материјала, као и за производњу фармацеутских лекова.

а

б

в

Слика 4.2. – Структурне (скелетне) формуле органских киселина с којима алкалоиди у биљкама граде соли: (а) винска киселина (тартарати); (б) јабучна киселина (малати); (в) лимунска киселина (цитрати)

Снажно деловање многих алкалоида на организам човека довело је до њихове упо­ требе као лекова, нарко�ика, с�имуланса и о�рова. Древни народи су користили биљне екстракте који садрже алкалоиде за третмане код уједа змије, грознице (врући­ це) и лудила. Сократ је, када је осуђен на смрт због непоштовања богова и кварења атин­ ске младежи, изабрао да попије отров кукуте (смешу пиперидинских алкалоида), уместо да оде у изгнанство и одрекне се својих учења.

Алкалоиди у свакодневном животу човека

Упознајте алкалоиде који се данас највише (зло)употребљавају.

Кофеин (слика 4.3) налазимо у листовима и плодовима неких биљака, где делује као инсектицид. У саставу је три најпопуларнија пића на свету: кафе, чаја и газираних и енергетских безалкохолних пића.4 Чоколада такође садржи кофеин. Кофеин је с�и­ муланс, што значи да повећава активност мозга и читавог нервног система: резултат је повећано стање будности и бржи рад срца. Кофеин се добро апсорбује у телу, а брзи 4

Шољица кафе у просеку садржи око 100 mg кофеина, двоструко више од шољице чаја. Лименка (250 mL) кока­коле има 35–45 mg кофеина, а Red­Bull­a 80 mg.

ХЕМИЈА 4 153

ефекти се јављају између пет и тридесет минута након узимања. У малим дозама кофеин може да учини да се човек осећа освежено и фокусирано. Умерено уношење кофеина у организам о�расло� човека нема штетних последица. Након уношења великих доза (> 400 mg на дан), током неколико недеља, јављају се различите тегобе: главобоља, бол у мишићима, ошамућеност, немир и нервоза, мучнина, умор и раздражљивост. Слика 4.3. – Структурна формула кофеина (метилксантински алкалоид). У зависности од сорте, пржена зрна кафе садрже 1,3–2% кофеина, а листови биљке чај (Camellia sinensis L.) 5–6% кофеина.

Никотин (слика 4.4) у природи налазимо у лишћу биљке дуван (Nicotiana tabacum), где такође служи као хемијска одбрана од инсеката. Редак је пример �ечно� алкалоида. Уноси се у организам човека пушењем или (ређе) жвакањем. Никотин је �сихоак�ивна супстанца, много отровнија од кофеина, која брзо изазива зависност, захваљујући дело­ вању на рецепторе у централном нервном систему. Пушењем једне цигарете у органи­ зам доспева 0,5–2 mg никотина, зависно од врсте дувана. Изузетна штетност пушења последица је и присуства угљен­моноксида у дуванском диму (смањује способност хемо­ глобина да преноси кисеоник кроз тело) и катрана (садржи педесетак канцерогених је­ дињења).5 Типични симптоми тровања никотином су: раздражљивост, анксиозност (тескоба), висок крвни притисак, тахикардија (убрзан рад срца), појачано лучење пљу­ вачке, мучнина, бледило, знојење и тремор (дрхтавица).

Слика 4.4. – Структурна формула никотина (пиридински и пиролидински прстен у молекулу). Култивисана биљка дуван садржи 0,5–9% никотина.

Морфин или морфијум (слика 4.5) био је први алкалоид издвојен у чистом стању из природног материјала. Име је добио због свог успављујућег деловања, по Морфеусу, рим­ ском богу сна. Опијум, осушени сок мака (Papaver somniferum), садржи низ алкалоида, највише морфина.6 Пошто изазива јаку зависност, морфин се у медицини користи само у посебним случајевима, као снажно средство против болова. Нуспојаве употребе морфи­ на су и тешкоће са дисањем, повраћање, мучнина и низак крвни притисак. Хероин је 5

6

Дневна доза од 40 цигарета код труднице може да изазове смрт нерођене бебе! Светска здравствена организација (подаци из 2022. године) процењује да око 2,8 милиона грађана Србије свакодневно конзумира цигарете. Према проценту пушача Србија је међу водећим земљама у Европи, а жена пушача на неславном првом месту у свету! Ако једемо хлеб или штрудлу са семенкама мака, у организам можемо да унесемо количину морфина довољну да се добије позитиван тест на његово присуство у урину.

154 Секундарни метаболити живих система

син�е�ички дериват морфина, код којег су обе хидроксилне групе у молекулу морфина естерификоване сирћетном киселином. Хероин је најјачи познати наркотик (опојна дро­ га), због чега су забрањени његова производња и коришћење.7

Слика 4.5. – Структурна формула морфина (бензилизохинолински алкалоид). Због узгајања и продаје махуна опијумског мака, у првој половини 19. века вођена су два опијумска рата између Кине и Велике Британије.

Кокаин (слика 4.6), главни алкалоид лишћа биљке коке,8 коришћен је у медицини као локални анестетик. Уз канабис (марихуану), најчешћа је дрога за уживање (у сленгу: кока, бело, кокс). Осим убризгавањем инјекцијом, у организам се уноси ушмркавањем или (ређе) пушењем. Кокаин најпре изазива еуфорична, а затим депресивна стања, анк­ сиозност, параноју, губитак апетита и зависност која се брзо развија. Дугорочне после­ дице коришћења кокаина једнако су тешке: проблеми са радом срца и стална несаница. Мешање кокаина са алкохолом и хероином може да доведе до смрти. Слика 4.6. – Структурна формула кокаина (тропански алкалоид). Кока је самоникла грмаста биљка (Erythroxylum coca) која расте у регионима Јужне Америке, где се традиционално користи у медицинске сврхе.

Уместо закључка. – Много је различитих група биомолекула у природи. Ш�а алкалои�е чини �осебним? Они потичу од амино­киселина и настају као секундарни ме­ таболити многих биљака и неких животиња. Иако нису значајни као биомакромолеку­ ли, нису ни бескорисни, напротив, у организмима који их стварају имају заштитну улогу. У веома малим дозама алкалоиди показују јако физиолошко дејство на организам живо­ тиња. Присутни су у свакодневном животу човека, не само у храни и пићима већ и као лекови. Алкалоиди су од значаја и за органске синтезе, за тражење нових полусинтети­ чких и синтетичких једињења боље физиолошке активности од полазних (постојећих) молекула.

7. Наркотиком називамо сваку супстанцу која утиче на расположење и/или понашање човека, а која се конзумира у немедицинске сврхе. Авганистан је највећи светски произвођач опијумског мака, извора сока који се прерађује у хероин. Однедавно (пролеће 2022. године) оштре казне прете и произвођачима опијумског мака у тој азијској земљи, након што је врховни вођа талибана коначно забранио његову производњу.

8. „Кока­кола” је 1886. године добила име по два своја састојка: екстрактима лишћа коке („кока”) и орашастих плодова („кола”). Оригинална рецептура је садржала мали удео кокаина, који је из овог пића потпуно избачен 1929. године, као и алкохол.

ХЕМИЈА 4 155

У ФОКУСУ. – Злоупотреба психоактивних супстанци код младих људи Злоупотреба опојних дрога, поготову међу адолесцентима, велики је проблем савре­ меног друштва. Дрога је свака супстанца која мења начин функционисања организма и која након �оновљене употребе изазива физичку и/или психичку зависнос�. Најза­ ступљенији наркотици су марихуана (осушени цвет биљке канабис), екстази и спид (једињења на бази стимуланса амфетамина), кокаин (главни алкалоид из лишћа коке) и хероин (дериват морфина, алкалоида опијумског мака). Све психоактивне супстанце делују тако што се везују за специфичне рецепторе у мозгу, што мења путеве преноса и обраде сигнала (информација). Последице су промене у расположењу, мишљењу и пона­ шању човека.

Све већа злоупотреба дрога последица је не само њихове све веће доступности већ и �ре�расу�е да постоје психоактивне супстанце које нису о�асне за тело здравог човека: „лаке” дроге. Заблуда је и да наркотици могу да се узимају повремено и контролисано. С обзиром на то да све опојне дроге ремете нормалне процесе и оштећују ћелије нервног система, организам се брани тако што смањује број рецептора, да „не прегори” од прете­ ране стимулације, као што прејаки струјни напон „спржи” електричне уређаје. Резултат је стално повећање дозе дроге, да би особа могла поново да искуси њене „жељене” ефек­ те. Према томе, ниједна дрога није безопасна, напротив, све остављају мање­више озбиљне последице по физичко (телесно) и ментално (психичко) здравље. Потврђене физичке последице (дуготрајније) изложености психоактивним супстанцама јесу и оштећења јетре, бубрега, нервног система, плућа, панкреаса, органа за варење и бакте­ ријски ендокардитис (запаљењски процес на срчаним залисцима). Интравенозно уно­ шења дрога, шприцем који обично користи већи број особа, повећава ризик од вирусних инфекција (HIV, хепатитис Бе и Це). Психичке последице уживања у дрогама су и дели­ ријум (стање бунила), психозе (лудила), али и депресија, деменција (сенилност), когни­ тивни (сазнајни) поремећаји и апстиненцијални синдром. До предозирања долази када је у тело унета количина психоактивне супстанце коју организам не може брзо и успешно да елиминише. Тада су угрожене све виталне функ­ ције: дисање, рад срца, одржање нормалног крвног притиска и температуре тела. Смрто­ носна предозирања јављају се код употребе алкалоида кокаина, хероина, морфина, али и других физиолошки активних супстанци, као што су лекови барбитурати, бензодиазе­ пини, метадон, као и друге синтетичке дроге. Реците НЕ дрогама!

› Наркоманија се шири у свим земљама света: међу младима је све више корисника не само дувана и алкохола већ и дрога, пре свега марихуане (у облику цигарете) и екстазија (таблете).

156 Секундарни метаболити живих система

Питања и задаци за утврђивање и проверу знања 1.

Наведите критеријуме за поделу алкалоида природног порекла.

2. Наведите заједничка својства алкалоида од значаја за њихово проучавање (изоловање, пречишћавање и аналитику).

3. Наведите хетероцикличну основу структуре вама најинтересантнијих алкалоида.

4. Напишите структурну формулу хероина (диацетил-морфин).

5. Предложите полазни материјал за изоловање кофеина. Наведите где би полазни биљни материјал за овај оглед био набављен/купљен.

6. Лечење наркоманије је дуготрајан и сложен процес који траје неколико година, неретко и дуже. Наведите симптоме који указују да се нека особа дрогира, тј. да би она требало да потражи стручну помоћ.

7.

Објасните зашто на паклицама цигарета налазимо натпис: „Забрањена продаја цигарета и других дуванских производа малолетним лицима”.

8. Саставите хемијску асоцијацију с коначним решењем „алкалоиди”. Образложите избор појмова стављених као решења колона А–Г.

Проблемски задаци за радознале и оне који желе да знају више 1.

Препознатљив горак укус неких газираних пића („тоник”) даје алкалоид кинин. Истражите структуру и употребу кинина у медицинске сврхе, тј. зашто се додавао у воду за пиће. Мала помоћ: ради се о болести коју изазивају паразити које преноси женка једне врсте комарца.

2. Покојни аустријски бизнисмен Дитрих Матешиц (нем. Dietrich Mateschitz), на свом путовању по Азији, схватио је комерцијални потенцијал енергетских напитака и 1984. године је основао фирму Red Bull. Истоимени енергетски напитак данас је најпродаваније енергетско пиће у свету. Истражите састав овог напитка, количине биоактивних супстанци у њему и зашто оне за кратко време могу да повећају менталне и когнитивне способности, будност и физичку издржљивост човека.

3. Винка алкалоиди (винбластин и винкристин) користе се у хемотерапији канцера. Истражите како ова класа лекова спречава деобну способност ћелија рака. Пронађите која биљна врста прави ову групу биоактивних једињења.

4. У мају 2019. године законодавац је изменио текст Kривичног законика у делу који уређује члан 246а став 2: „Неовлашћена производња и стављање у промет опојних дрога”. За ово кривично дело, по службеној дужности, гони надлежно основно јавно тужилаштво, а суди основни суд. Истражите какве су казне предвиђене за држање мање количине опојне дроге за сопствену употребу.

5. Многи познати и признати уметници (понајвише музичари и глумци) страдали су од употребе опојних дрога и других забрањених супстанци. Пронађи десет таквих имена и по чему су ови људи били цењени пре своје превремене смрти.

6. Бразил је највећи произвођач и извозник кафе. Пронађите податке о врстама кафе, као и податак о томе којих десет земаља су највећи произвођачи и потрошачи кафе на свету.

7.

Атињани су биљку кукуту употребљавали као званични судски отров којим је извршавана смртна казна. Пронађите и проучите Платонов опис Сократове смрти (у делу: Федон или о души). Како аутор описује симптоме тровања кукутом?

ХЕМИЈА 4 157

4.2. АНТИБИОТИЦИ

Зашто су антибиотици спасиоци човечанства?

А

нтибиотици спадају у најчешће преписиване лекове у савременој медицини. Да­ нас је доступно преко сто различитих антибиотика за лечење мањих, али и по живот опасних инфекција. Један антибиотик је ефикасан само за о�ређену врсту бактеријских инфекција, до које долази када се ш�е�ан сој бактерија умножава на телу или унутар тела. Упала плућа (пнеумонија), менингитис и тровања храном при­ мери су болести изазваних штетним бактеријама. Антибиотици делују тако што ометају процесе неопходне за раст и умножавање (пролиферацију) бактеријских ћелија.1

Откриће, појмовно одређење и значај антибиотика

Назив антибиотици потиче од грчких речи ан�и = про­ тив и биос = живот. Откриће антибиотика (антибиотског дејства супстанци) датира из 1877. године, када је фран­ цуски микробиолог Луј Пастер (Louis Pasteur) запазио да неки микроорганизми спречавају раст бактерије Bacillus anthracis. Прекретница у истраживању антимикробних је­ дињења настаје 1938. године, када Александар Флеминг (Alexander Fleming) открива плесан Penicillium notatum, која производи молекул назван пеницилин. Појам анти­ биотик (антибиотикум) уводи 1942. године Селман Вак­ сман (Selman Waksman), научник који је открио стрептомицин, први антибиотик ефикасан против туберкулозе.

› Тржиште антибиотика процењује се на око педесет милијарди америчких долара годишње.

› Слева надесно: фотографије Л. Пастера, А. Флеминга и С. Ваксмaна. Пастер не само да је експериментално потврдио да су бактерије изазивачи неких болести него је и пронашао методу за заштиту намирница («пастеризацију»), као и вакцину против беснила. За изоловање првог антибиотика, пеницилина, Флеминг је добио Нобелову награду за медицину, 1944. године. Једна улица у Београду (на општини Палилула) носи његово име. Ваксман је 1952. године добио Нобелову награду за физиологију или медицину, за откриће стрептомицина. Био је инострани члан Српске академије наука и уметности (САНУ), одељења медицинских наука.

1

Бактерије су микроскопски једноћелијски �рокарио�ски организми који живе готово свуда: у ваздуху, води, земљишту, унутар биљака, животиња и људи. Ћелија бактерије најчешће је штапићастог (бацили), сферичног (коке) или спиралног (спириле) облика. Грам­позитивне бактерије имају дебео ћелијски зид, док грам­негативне немају. Иако реч „бактерија” често има негативну конотацију, већина бактерија је безо�асна за људе, а неки сојеви су чак изузетно корисни. У дигестивном тракту добре бактерије учествују у варењу хране и производе витамине. Оне побољшавају имунитет, чинећи организам мање гостољубивим местом за лоше бактерије и друге штетне патогене.

158 Секундарни метаболити живих система

Антибиотици су специфични производи животне активности неких живих система, који спречавају раст других група микроорганизама или малигних тумора.2 Два су кључна обележја антибиотика. Први је селективност у деловању, што значи да сваки антибиотик показује дејство само на о�ређени организам (групу организама), без значајнијег деловања на друге живе системе. Пеницилин G спречава раст грам­позитивних бактерија, док на грам­негативне бактерије и гљивице не делује и практично је нетоксичан за наше ћелије. За разлику од антибиотика, отрови као фенол или једињења арсена штетно делују на сваку ћелију организма с којом дођу у додир. Друга важна карактеристика антибиотика је ниска концентрација при којој показују великo физиолошкo дејство на ћелије и организме који су према њима осетљиви, што не важи, рецимо, за органске киселине или алкохоле. Антибиотици велике биолошке активности и мале токсичности нашли су практичну примену у медицини, ветерини, пољопривреди и прехрамбеној индустрији. Од значаја су и за научна истраживања: испитивање механизма деловања пеницилина објаснило је процес синтезе ћелијског зида бактерија. Антибиотици су помогли и у откривању меха­ низама биосинтезе протеина и нуклеинских киселина, као и процеса транспорта јона кроз биолошке мембране у живим системима.

Подела антибиотика

До сада је описано више од 5.500 антибиотских супстанци. Снаћи се у мноштву анти­ биотика могуће је само ако се поделе (класификују) у одређене групе.

Према биолошком �ореклу (по томе где настају) разликујемо следеће класе антиби­ отика: 1. антибиотике које производе микроорганизми из реда Еubacteriales; 2. антиби­ отике које производе микроорганизми из реда Actinomycetales; 3. антибиотике које про­ изводе несавршене гљиве; 4. антибиотике које производе гљиве из класа базидиомице­ та и аскомицета; 5. антибиотике које производе лишајеви, алге и ниже биљке; 6. антиби­ отике које производе више биљке; 7. антибиотике животињског порекла.

Према хемијској с�рук�ури (карактеристичном структурном мотиву у молекулу) у употреби је се�ам главних класа антибиотика: 1. пеницилини (нпр. пеницилин G и амок­ сицилин); 2. цефалоспорини (нпр. цефалексин); 3. макролидни антибиотици (нпр.

а

б

в

Слика 4.7. – Основа хемијске структуре пеницилинских (а) и макролидних (б) антибиотика и структурна формула тетрациклина (в). У хемији, лактами су циклични амиди, са атомом азота везаним за β-угљеников атом; лактони су циклични естри, настали од хидроксикиселина; молекули макролидних антибиотика садрже велики централни прстен са (по правилу) 12, 14 или 16 атома.

2

Термин тумор означава абнормалну масу ткива која настаје као резултат некон�ролисане деобе и раста ћелија. Тумори се деле на бенигне (доброћудне, неканцерогене) и малигне (злоћудне, канцерогене). Малигне ћелије се знатно брже деле од нормалних, али спорије сазревају, старе и умиру, због чега се њихов број стално увећава, а тиме и њихова маса. За разлику од бенигних, малигни тумори имају способност ширења с места настанка на друга ткива и органе, путем крвних или лимфних судова.

ХЕМИЈА 4 159

еритромицин, кларитромицин и азитромицин); 4. тетрациклини (нпр. тетрациклин и доксициклин); 5. флуорохинолони (нпр. ципрофолксацин, левофлоксацин и офлокса­ цин); 6. сулфонамиди (нпр. котримоксазол и триметоприм); 7. аминогликозиди (нпр. гентамицин и тобрамицин). Основа структуре антибиотика пеницилинског типа је β-лак�амски �рс�ен, макролиди садрже макроциклични лак�онски �рс�ен, везан за један угљоводонични остатак или више њих, док ћелијски зид мембрана је грађа тетрациклинске групе антибиоти­ ћелије ДНК рибозоми ка заснована на �е�рациклину (слика 4.7).

фолна киселина

Према механизму дејс�ва антибиотике сврставамо у пет основних група (слика 4.8). То су: 1. антибиотици који спречавају синтезу ћелијског зида (пеницилини и цефа­ лоспорини); 2. антибиотици који нарушавају функцију мембрана (грамицидини и нистатин); 3. антибиотици који спречавају синтезу или метаболизам нуклеинских киселина (актиномицин и неомицин за мо­ лекул ДНК, митомицини и новобиоцин за РНК); 4. антибиотици који спречавају синблокирање тезу протеина (тетрациклини, хлорамфе­ инхибиција инхибиција нарушавање инхибиција метаболичких синтезе синтезе функција никол и еритромицин); 5. антибиотици који настајања путева и ћелијске инхибирају друге метаболичке путеве у хромозома нуклеинских ћелијског инхибиција киселина зида мембране метаболизма ћелији (антимицини и валиномицин проце­ се енергетског метаболизма). Слика 4.8. – Механизми деловања антибиотика Свака класификација има своје недостатке: антибиотици слични по хемијској грађи и механизму дејства могу бити производ различитих група организама.

Општи механизам дејства одабраних антибиотика

Хемијска природа антибиотика и биохемијски механизми њиховог деловања су разли­ чити. Дејство пре свега зависи од хемијске структуре и концентрације антибиотика, врсте микроорганизма и структуре ћелије на коју делују, као и од услова средине (pH и темпера­ тура). Антибиотици нужно не убијају све ћелије на које делују. Антимикробни с�ек�ар �еловања обухвата: цитостатско деловање (задржавање раста ћелија), цитоцидно деловање (убијање ћелија), или цитолитско деловање (растварање ћелијског зида ћелија). Антибиотици сличне структуре обично имају и сличан антимикробни спектар деловања. Упознајте основе деловања антибиотика који су сачували и још увек чувају свет ка­ кав познајемо и у коме живимо.

Људи су почели интензивно да користе пеницилин током и после Другог светског рата. Процењује се да је овај антибиотик спасао преко осамдесет милиона живота и да 75% садашње светске популације не би постојало да није било пеницилина! Пеницили­ ни делују тако што спречавају синтезу ћелијског зида бактерија, структуру која штити ћелију од осмотске лизе. Чврстоћу и снагу ћелијском зиду грам­позитивних бактерија даје специфична мрежаста структура дебелог слоја �е��идо�ликана.3 Пеницилин G 3

Пептидогликан (муреин) хемијски је сложен �олисахари� чија се шећерна компонента састоји од наизменичнo, β(1�4) везама повезаних остатака N­ацетилглукозамина (NAG) и N­ацетил­мураминске киселине (NAM). За NAM је везан олигопептидни ланац направљен од три до пет амино­киселина. Пептидни ланци унакрсно се повезују, образујући 3D мрежасти слој.

160 Секундарни метаболити живих система

(слика 4.9) спречава реакцију попречног �овезивања линеарних ланаца пептидогликана у тродимензионалну (3D) мрежу, тако што онемогућава деловање ензима транспепти­ дазе, који катализује процес. Последица је ћелијски зид пун „рупа”, што доводи до лизе („пуцања”) бактерије и њене смрти. Ћелије животиња на својој површини немају ће­ лијски зид, ћелијски зид биљака другачије је грађе, тако да на ћелије биљака и живо­ тиња пеницилински тип антибиотика не би требало да делује.

Слика 4.9. – Структурна формула пеницилина G (бензил-пеницилин) и изглед оригиналних паковања овог лека

Уз амоксицилин, полусинтетички дериват пеницилина побољшаних фармаколо­ шких карактеристика, други тренутно најкоришћенији антибиотик у Сједињеним Аме­ ричким Државама је макролидни антибиотик азитромицин (слика 4.10). Њега су 1980. године открили научници из југословенске (сада хрватске) фармацеутске компаније Плива, а одобрен је за медицинску употребу 1988. године. Азитромицин се везује за је­ дан тип рибозомалне РНK у великој подјединици бактеријског рибозома, што зауставља син�езу бак�еријских �ро�еина и спречава склапање функционалног рибозома. Специ­ фичност деловања азитромицина, као и његова нетоксичност, обезбеђена је разликама у структури рибозома бактерија и животиња (човека).

Слика 4.10. – Структурна формула азитромицина и изглед оригиналне кутије и таблета овог лека (Sumamed®)

Исти биохемијски принцип деловања (заустављање синтезе протеина бактерија, ве­ зивањем за специфичну рибозомалну РНК бактеријског рибозома) има стрептомицин (слика 4.11), син�е�ички антибиотик из групе амино-�ликози�а. Он се не даје оралним путем (пилуле), већ инјекцијама. Без стрептомицина и вакцине људи би и данас масов­ но умирали од плућне туберкулозе (изазивач је бактерија Mycobacterium tuberculosis).4 4

Туберкулоза (сушица) јесте заразна болест стара колико и људски род. Бацил туберкулозе открио је 1882. Роберт Кох (Robert Kochе). Калмет (Calmette) и Герин (Guerin) направили су 1921. вакцину против туберкулозе (бе­се­же вакцина). Према подацима Светске здравствене организације, трећина светског становништва је инфицирана бацилом туберкулозе. Извор заразе у 95% случајева јесу секрети човека оболелог од туберкулозе и непрокувано млеко оболелих крава. На срећу, 90% инфицираних здравих особа са добрим имунолошким одговором неће оболети од туберкулозе.

ХЕМИЈА 4 161

Слика 4.11. – Структурна формула стрептомицина и изглед оригиналних кутија с препаратима овог антибиотика

Уместо закључка. – Пре око само 100 година, по �анашњим стандардима не тако опасне бактеријске инфекције готово су гарантовале смрт заражених људи. Данас се бо­ лести као што је упала плућа рутински лече (одговарајућим) антибиотиком, чудесним леком који је променио савремену медицину. Када се правилно користе, антибиотици помоћу имунског система ефикасно заустављају размножавање бактерија или их уништавају. Међутим, њихово неконтролисано и погрешно коришћење довело је до ево­ луције патогених супер­бактерија, отпорних на (постојеће) антибиотике.

У ФОКУСУ. – Правилна употреба антибиотика

Важно је да антибиотике користимо онако како је прописано. Неправилно узимање утиче на апсорпцију антибиотика, смањујући или елиминишући њихову делотворност. Запамтите препоруке које сте добили од лекара или апотекара и пажљиво прочитајте упутство за употребу сваког лека. Већина антибиотика се уноси с водом, на „празан сто­ мак”, а неки се узимају с храном. Третман антибиотицима траје најмање 5–7 дана, код запаљења плућа и дуже. Терапију не треба прекидати након првог побољшања здрав­ ственог стања, пошто бактеријска инфекција може да се врати, или да се смањи успе­ шност (будућег) деловања антибиотика. Важно је и правилно чување лекова. Многи ан­ тибиотици за децу чувају се у фрижидеру, док је друге најбоље оставити на собној тем­ ператури, на сувом и тамном месту.

Једна од највећих брига модерне медицине јесте отпорност (резистенција) бактерија на антибиотике. Једноставно речено, ако се антибиотик користи довољно дуго, појавиће се сојеви бактерија на које тај антибиотик више не делује. Већ постоје инфек­ ције које изазивају „супербактерије” – бактерије отпорне на постојеће антибиотике. Истовремено, велике фармацеутске компаније обустављају развој нових антибиотика, јер је то тежак посао за који су неопходна велика новчана средства. Неколико је разло­ га за развој бактерија отпорних на антибиотике. Један је прекомерна употреба антибиотика. Многи људи очекују да добију „свемогуће” антибиотике приликом сваке по­ сете лекару, иако они не делују на вирусне инфекције, какве су обична прехлада или грип.

Као и сви други лекови, антибиотици могу да имају нежељене ефекте, као што су дијареја (пролив) или благи болови у стомаку. Уколико су они озбиљнији (повраћање, учестали течни пролив, грчеви у стомаку, осип, беле мрље на језику), потребно је консул­ товати лекара. Неки људи су алер�ични на одређене врсте антибиотика, најчешће пеници­

162 Секундарни метаболити живих система

линског типа. Алергијске реакције на антибиотике (кратак дах, копривњача5, отицање уста, лица или језика, несвестица) могу озбиљно да угрозе здравље и живот човека.

Важно је да запамтите да су антибио­ тици бескорисни против вирусних и гљи­ вичних инфекција. Код болести изазваних вирусима преписују се само понекад како би се спречила накнадна бактеријска ин­ фекција, која се јавља код особа ослабље­ ног здравља услед постојеће болести. Ви­ › Здравље је, према дефиницији Светске здравствене организације, руси су патогени који не мо�у да се размно­ „стање потпуног физичког, душевног и социјалног благостања, жавају сами. Уместо тога, вируси инфици­ не само одсуство болести и изнемоглости”. рају ћелије домаћине, чије ресурсе кори­ сте да умноже себе, тј. направе копије свог генетског материјала (ДНК или РНК). Симп­ томи бактеријске и вирусне инфекције могу да буду веома слични. Цурење из носа, ка­ шаљ, главобоља и умор јављају се код прехладе (кривац вирус), али и код инфекције си­ нуса (бактерије). Да би утврдили да ли је болест последица инфекције вирусом, бакте­ ријама, другим патогенима или патофизиолошким процесима у телу човека, лекари у обзир узимају присуство других симптома (као што су грозница или болови у грлу), ду­ жину болести и резултате одређених лабораторијских тестова. Стручњаци препоручују употребу пробиотика („добрих бактерија у капсули”) не само када осећамо гасове, надимање и болове у стомаку (синдром иритабилности цре­ ва), или када добијемо дијареју, већ и �оком и непосредно након коришћења антибиоти­ ка. Задатак пробиотика је да помогне поновно насељавање дигестивног система корисним бактеријама, које су убијене деловањем оралних (који се узимају гутањем) антиби­ отика. Јогурт који садржи живе и активне пробиотске културе бактерија одлична је до­ пуна за одржање здравог микробиома црева.

пробиотици

› Пробиотици (енгл. Probiotics) су постали неизоставни додатак исхрани код узимања антибиотика, у путним апотекама и код стомачних тегоба.

5

Копривњача (уртикарија) јесте алергијска кожна болест: кожа је отечена, црвена и рељефна и сврби или пецка, као после жарења копривом.

ХЕМИЈА 4 163

Питања и задаци за утврђивање и проверу знања 1.

Саставите хемијску асоцијацију с коначним решењем „антибиотици”. Образложите избор појмова стављених као решења колона А–Г.

2. Проналазак и примена антибиотика у лечењу бактеријских инфекција један је од највећих успеха модерне медицине. Објасните због чега.

3. Сваки антибиотик има свој специфичан антибактеријски спектар деловања. Шта се подразумева под бактериостатским, а шта под бактерицидним дејством антибиотика?

4. Објасните високу специфичност деловања антибиотика пеницилинске и макролидне структуре.

5. Кратко одговорите на дата питања. (а) Због чега се препоручује употреба пробиотика током третмана антибиотицима? (б) Због чега је посебно важно придржавати се дозе антибиотика, интервала њиховог дозирања и дужине третмана антибиотицима? (в) Да ли је оправдано коришћење антибиотика код обичне прехладе, стомачног грипа, лаке упале грла, вирусног бронхитиса? Образложите одговор. (г) Има ли смисла користити антибиотике за стања као што су: јаке упале синуса, уринарне инфекције, стрептококни фарингитис (бактеријска упала грла)? Образложите одговор.

Проблемски задаци за радознале и оне који желе да знају више 1.

Jедна од вечних дилема у науци jeсте да ли постоје случајна открића (енгл. serendipity) или су она последица идеја које су се током експерименталне провере развиле у нешто неочекивано добро. Пеницилин, пионир свих антибиотика, Флеминг је открио готово сасвим случајно. Истражите како је он то урадио.

2. Према подацима Светске здравствене организације из 2019. године, туберкулоза и даље представља девети по учесталости узрок смрти у свету и водећи узрок смрти од појединачног инфективног агенса, учесталији и у односу на HIV. Сазнајте када се обележава, и зашто баш тада, светски дан борбе против туберкулозе.

3. Крајем 1914. Краљевина Србија се суочила са епидемијом пегавог тифуса. Процењује се да је за непуних шест месеци болест убила 150.000 људи, знатно више него у свим биткама и офанзивама аустроугарске војске. Пуковник Вилијам Хантер (енгл. William Hunter), лекар консултант британске Источне команде у Првом светском рату, заборављени је херој који је успео да заустави страшну епидемију тифуса у Србији. Истражите како је он то урадио, као и који антибиотици су касније коришћени за лечење пегавог тифуса.

4. Пронађите сличности и разлике у структури рибозома прокариота (бактерија) и еукариота (човека). Истражите молекулске мете (циљеве) деловања антибиотика који ометају синтезу протеина у бактеријској ћелији.

5. Антибиотици, као и сви други лекови, имају два имена: трговачко (робно), које је креирала фармацеутска компанија која производи лек, и генеричко, засновано на хемијској структури или класи антибиотика. Пронађите под којим се трговачким називима користе пеницилински антибиотици у нашој земљи.

6. Истражите и напишите структурну формулу амоксицилина, као и врсту инфекције за коју је препоручена његова употреба. Упоредите структуру амоксицилина и пеницилина G.

164 Секундарни метаболити живих система

4.3. ВИТАМИНИ

Зашто су витамини мали али моћни суперхероји?

С

ве до краја 19. века мислило се да се храна састоји само од угљених хидрата, ли­ пида, протеина, соли и воде. Историја зна за много примера када се велики број људи разболео због једноличне прехране. Холандски лекар Кристијан Ејкман (Christiaan Eijkman), радећи на индонежанском острву Јава, утврдио је да људи који се углавном хране ољуш�еним пиринчем оболевају од болести назване берибери. Код њих је приметио губитак апетита, смањење телесне масе и развој парализе, као и да болест престаје ако пређу на неољуш�ени пиринач. Ејкман је потом открио да и за­ творска популација храњена белим пиринчем пати од бериберија. Постало је јасно да љуска пиринча садржи супстанцу неопходну организму човека. Њу је изоловао и про­ учио пољски хемичар Казимјеж Функ (Kazimierz Funk), који је доказао присуство азо­ та у структури молекула и да супстанца припада аминима (тиамин). Због важности за нормалан рад организма, назвао је ново једињење „витамином”. Потом су и сва друга једињења са с�ецијалним за�а�ком у телу човека названа општим именом витамини (лат. vita = живот + амин).

Откриће витамина једно је од највећих достигнућа у савременој науци о храни. По­ следњи и хемијски најсложенији есенцијални витамин (кобаламин) откривен је 1948. године. Од тада истраживачи интензивно испитују значај ових једињења за здравље људи, проучавају везе између недостатка витамина и болести и могућности лечења од­ ређених стања витаминима (нпр. витамини се користе за лечење анемије).

Појмовно одређење, номенклатура и значај витамина

Витамини су хемијски разнолика група орган­ ских једињења мале молекулске масе, са заједнич­ ким својством – у малим количинима неопходни су за нормално функционисање организма. За разлику од микроорганизама, биљака и многих животиња, тело човека не с�вара ви�амине, или је њихова биосинтеза у количинама које нису �овољне за све физиолошке потребе. Зато витамине мо­ рамо да ре�овно уносимо храном. За разлику од других неопходних састојака хране (есенцијалних масних киселина и амино­киселина), витамини немају градивну улогу и нису извор енергије за мета­ боличке процесе у телу.

› Витамини се обележавају великим словима латиничног писма; словима се додају бројеви за структурно слична једињења.

ХЕМИЈА 4 165

Због различитог и, на почетку истраживања, непознатог хемијског састава, пред­ ложенo је да се витамини обележавају великим словима латиничног писма. Откри­ вањем структурно сличних једињења, словима су додавани бројеви. Хемијске структу­ ре витамина су разноврсне: витамин А је каротеиноид, витамин C у основи је шећер, витамин D стероидно, а витамин К ароматично једињење, док су витамини E, B1, B2, B6 и B12 хетероциклична једињења. Уз словне ознаке, наводе се и називи који упућују на структуру молекула (B6: пиридоксин, дериват пиридина), улогу (D: калциферол, поспешује апсорпцију јона калцијума), или природни извор (B9: фолна киселина, од лат. folium = лист).

Многобројне су незаменљиве улоге витамина у нашим телима. Они учествују у про­ цесима раста, развића и размножавања, неопходни су за синтезу и разградњу угљених хидрата, липида, протеина и нуклеинских киселина, потребни су за стварање колагена, костију, за здрав вид, коагулацију крви, диференцијацију ћелија. Као коензими, неки ви­ тамини помажу ензимску катализу бројних хемијских реакција. Витамине зато назива­ мо и азбуком (абецедом) здравља, али и лепоте. Недостатак витамина лоше утиче на нашу кожу, косу, очи и друге органе, а „антидерматички” витамини (B1, B2, B3, B6 и B7) спречавају развој упалних процеса на кожи.1

Неке витамине уносимо као провитамине, који се у телу преводе у ак�ивни (де­ лујући) облик. Из провитамина β­каротена настаје витамин А, а излагањем коже ул­ траљубичастим зрацима Сунца, 7­дехидрохолестерол прелази у холекалциферол (вита­ мин D3). Витамин К2 производе симбиотске бактерије у нашим цревима (слика 4.12).

а

б

в

Слика 4.12. – Структурне формуле (а) витамина А1 (ретинол), (б) витамина D3 (секостероид) и (в) витамина K2 (n = 4-13; број изопреноидних јединица у молекулу)

Дневне потребе организма човека за витаминима разликују се у зависности од пола, величине тела и нивоа физичке активности.2 Оне су релативно мале и могу да се подми­ ре правилном и уравнотеженом исхраном. Изражавају се (табела 4.1) у јединицама масе (mg или μg) или у интернационалним јединицама (IU, акроним од енгл. International Unit). Потпуни недостатак неког витамина у телу назива се авитаминоза, а делимични хиповитаминоза. Хипервитаминоза настаје прекомерним уносом витамина, обично путем превеликих доза индустријски произведених (мулти)витаминских суплемената.

1 2

Одличан извор „витамина лепоте” у исхрани људи са овог поднебља јесу црни хлеб и мекиње, јестив млевени омотач (спољни заштитни слој) семена пшенице, овса, ражи и хељде. Потреба за витамина већа је у дечјем и адолесцентном узрасту, при јачем физичком раду, у екстремним условима (велика хладноћа или висока температура), као и током трудноће.

166 Секундарни метаболити живих система

Табела 4.1. – Препоручени и највећи безбедан дневни унос 13 витамина за тело човека Витамин

Препоручени унос

Дозвољени унос

Хемијски назив

A

1,1–1,2 mg

3.000 μg

ретинол

B1

700–900 μg

непознат

тиамин

B2

1,1–1,3 mg

непознат

рибофлавин

B3

14–16 mg

35 mg

ниацин, PP

B5

5 mg

непознат

пантотенска киселина

B6

1,3–1,7 mg

100 mg

пиридоксин

B7

30 μg

непознат

биотин, витамин H

непознат

кобаламин

C

2,4 μg

1.000 μg

фолна киселина

B12

400 μg 75–90 mg*

2.000 mg

аскорбинска киселина

D

15–20 μg

калциферол

15 mg

50 μg

1.000 mg

токоферол

90–120 μg

непознат

филохинон, менадион

B9

E K

* Додатних 75 mg за пушаче

Подела и карактеристике витамина Витамини се деле у две основне групе, а то су: витамини растворљиви у води (хидросолубилни) и витамини раствoрљиви у мастима (липосолубилни). Витамини B­групе (B­комплекс) и витамин C добро се растварају у води; након апсорпције, кратко се задржавају у организму и брзо излучују преко бубрега. Зато је потребно њихово ре�овно узимање. Витамини А, D, Е и К добро се растварају у мастима (липидима). У телу се складиште у масном ткиву, мишићима и јетри и није неопходан њихов свакодневан унос храном. У већим количинама липосолубилни витамини могу да буду токсични за организам човека.

Витамини растворљиви у мастима

› Храна богата витамином А

Витамин А заједнички је назив за структурно сро�на је�ињења важна за раст, развој и размножавање органи­ зма, диференцијацију ћелија, добар рад имунског систе­ ма, вид и здравље очију. Ретинол, естри ретинола, рети­ нолна киселина (витамин А1, слика 4.12а) и 3­дехидро­ ретинол (витамин А2) припадају овој групи молекула. Најбољи извор витамина А је рибље уље. Витамином А богате су и друге намирнице животињског порекла: ра­ зличите врсте меса и изнутрица, млеко и јаја. Овај вита­ мин се налази и у воћу и поврћу свих боја, у облику про­ витамина каро�енои�а. Ноћно слепило, сувоћа очију, слаба зубна глеђ, губитак телесне масе, умор, несаница, слаб раст костију и акне уобичајени су симптоми не�ос�а�ка витамина А у телу човека.

ХЕМИЈА 4 167

Витамин D је назив за једињења секос�ерои�не структуре, која регулишу садржај кал­ цијума и фосфора у организму, као и рад заштит­ ног имунског система. Два облика су физиолошки важна за човека: витамин D2 (ергокалциферол) и витамин D3 (холекалциферол, слика 4.12б). Пош­ то D3 облик настаје у кожи након излагања УВ светлости, витамин D назива се и витамином Сунца. Под оптималним условима наша кожа ствара 10.000–20.000 IU (250–500 μg) витамина › Храна богата витамином D D3 током 30 минута излагања Сунчевим зрацима. Рахитис и остеомалација (омекшавање костију) симптоми су мањка витамина D. Најбога­ тији природни извори витамина D3 јесу рибље уље, лосос, туна, сардина, јетра и жуманце јајета. Маслац (путер), маргарин и печурке посебно су добри извори витамина D2. Витамин Е је назив за хемијски сличне �окофероле и �око�риеноле (укупно осам једињења) растворне у мастима. Биолошки најактивнији облик витамина Е јесте α­токоферол (слика 4.13). Витамин Е делује као снажан антиоксиданс, нарочито у мембранама ћелија, заустављајући настајање слободних радикала насталих оксидацијом (полинезасићених) масних киселина. По­ себно благотворно утиче на нервни систем и сексуалну потенцију, а спречава превремено старење („витамин младости”). Најбољи извори витамина Е су пшеничне клице, орашасти плодови, као и лиснато зелено поврће. Хемолитичка анемија један је од раних симптома недо­ статка витамина Е, као и дисфункција нервног система.

› Храна богата витамином E

Витамин К такође је група структурно сличних ма­ лих органских молекула неопходних за функционисање тела човека. Витамини К1 (фитоменадион) и К2 (мена­ кион, слика 4.12в) природног су порекла, а витамин К3 Слика 4.13. – Структурна формула α-токоферола (менадион) добија се синтетичким путем. Витамин К је (облик витамина Е) важан за коа�улацију (згрушавање) крви, пошто активи­ ра неке протеине укључене у сложен процес хемостазе. Отуда слово К у називу витами­ на, као и абнормално крварење и модрице након и најмање повреде као знаци његовог недостатка. Витамин К је укључен и у друге ре­ гулаторне процесе, пре свега у костима. Одли­ чан извор витамина К су зачинске и лековите биљке (першун, оригано, жалфија, мајчина ду­ шица), кељ, прокељ, спанаћ, броколи, купус, це­ лер, краставац, празилук, карфиол, парадајз и боровнице.

› Храна богата витамином K

Под заједничким називом витамин F обу­ хваћене су најважније есенцијалне �олинезасићене масне киселине (линолна, линолеинска и арахидонска киселина). Хладно цеђења биљ­ на уља њихов су изванредан извор.

168 Секундарни метаболити живих система

Витамини растворљиви у води Групу витамина B-групе (B­комплекс) чини осам витамина: B1, B2, B3, B5, B6, B7, B9 и B12, обележених редом којим су откривени.3 Међусобно се разликују не само по хе­ мијској структури и својствима већ и по физиолошком деловању. Витамин B2 или рибофлавин (слика 4.14) жуте је боје, слабо се раствара у води, осетљив је на светлост и УВ зрачење, стабилан је у киселим, а нестабилан у базним растворима. Насупрот томе, ви­ тамин B7 или биотин (слика 4.14) безбојно је једињење које се �обро се раствара у води, подноси 100°C, не мења структуру под дејством кисеоника, УВ и рендгенског зрачења, али се разграђује под дејством водоник­пероксида, хлороводоничне киселине и јаких база.

Витамини B­групе учествују у великом броју реакција и процеса у телу (табела 4.2). Неопходни су и за стварање метаболичке енергије, пренос нервних импулса, синтезу ће­ лија крви и стероидних хормона. Имају битну улогу и у одржању нормалне функције коже, косе, ноктију, јетре, усне дупље, као и система органа за варење хране. Уз квасце („божји дар природе”), месо и производи од меса садрже највећу количину витамина B, посебно ћуретина, изнутрице и туњевина. Бело пшенично брашно (тип 400 и 550) има низак садржај витамина B, пошто се током обраде зрна одстрањују омотач и клица. Због тога се белом брашну додају тиамин, рибофлавин, ниацин (слика 4.14) и фолна кисели­ на („обогаћено брашно”). Фолна киселина (слика 4.14) нарочито је важна за одржање здраве трудноће.

Слика 4.14. – Структурне формуле (слева надесно): рибофлавина (нужан за синтезу флавинских коензима), биотина (необичне структуре, спојени уреидо и тетрахидротиофенски хетеропрстенови), ниацина (пиридински прстен) и фолне киселине (доле) (птеридински хетероциклични систем)

Витамин C је уобичајени назив за L­аскорбинску киселину (слика 4.15). За разлику од већине кичмењака, људски организам не син�е�ише витамин C, па зато мора да се уноси храном. Бројно свеже воће и поврће је одличан извор витамина C, нарочито цитру­ си (лимун, поморанџа и грејпфрут), црна рибизла, киви, шипак, прокељ, зелена салата, али и кисели купус и туршија. Витамин C је најјачи антиоксиданс међу витаминима растворним у води. Повољно делује на функцију централног нервног система и јетре, стимулише рад ендокриних жлезда, помаже усвајање биоактивног гвожђа, убрзава за­ 3

Шта је с витаминима B4, B8, B10 и B11? Ови молекули више се не сматрају витаминима будући да нису неопходни за нормалан раст и развој организма.

ХЕМИЈА 4 169

растање рана, повећава отпорност организма према инфекцијама и прехладама. У мно­ гим хемијским реакцијама делује као коензим, као у синтези колагена и L­карнитина. Витамин C је и најне�ос�ојанији од свих витамина: термолабилан је и лако се оксидује на ваздуху. Последица недостатка витамина С јесу различити поремећаји: слабост мишића, смањење апетита, крварење десни, губитак зуба, умор и депресија, несаница, лако настајање модрица, натечени и болни зглобови, крварење из носа, споро зацељавање рана и анемија. Табела 4.2. – Преглед основних биохемијских карактеристика витамина В-групе

Витамин(и)

Извори у природи

Физиолошко деловање

Последице недостатка

B1 (тиамин)

Квасац, житарице, млеко, месо, воће и поврће

Метаболизам угљених хидрата и амино-киселина

Болест берибери: неуролошки и кардиоваскуларни поремећаји

B2 (рибофлавин или лактофлавин)

Зелено поврће, квасац, јетра, јаја, млеко, риба, житарице

Процеси оксидације органских супстрата у митохондријама

Промене на кожи, очима и слузокожи

B3 (ниацин), никотинска киселина и никотинамид

Зелено поврће, квасац, јетра, јаја, млеко, риба, житарице

Метаболизам хранљивих једињења

Болест пелагра: оштећења коже и поремећаји на нивоу варења и процеса у мозгу

B5 (пантотенска киселина)

Јетра, квасац, поврће, житарице, јаја, млеко

Метаболизам хранљивих једињења

Неутврђени симптоми

B6 (пиридоксин)

Житарице, орашасти плодови и махунарке

Метаболизам аминокиселина и синтеза протеина

Анемија, артритис и општа слабост организма

B7 (биотин, витамин H)

Јетра, пилетина, риба, печурке, банане и матични млеч

Метаболизам липида, угљених хидрата и амино-киселина

Оштећење ноктију, губитак косе, осип и умор

B9 (фолна киселина)

Јетра, зелено поврће, квасац, ораси

Синтеза ДНК; сазревање еритроцита

Анемија и потешкоће у раду бубрега

B12 (група сличних једињења која садрже кобалт)

Риба, јетра, јаја, млеко

Синтеза ДНК; сазревање еритроцита

Пернициозна анемија: сталан умор и слабост, поремећен рад нервног система

170 Секундарни метаболити живих система

Слика 4.15. – Структурне формуле витамина C (L-аскорбинска киселина; лево) и његовог оксидованог облика, дехидроаскорбинске киселине (десно)

› Витамин C првенствено налазимо у свежем воћу и поврћу; шоља црних рибизли садржи око 200 mg аскорбинске киселине.

Уместо закључка. – Почетком прошлог века, научници који су трагали за узроком бо­ лести као што су берибери, рахитис и скорбут дошли су до запањујућег открића: оне не настају од патогена у ваздуху или токсина у храни, већ због недостатка нечега у исхрани. То „нешто” је сада познато као витамин. Вита­ мини су мали органски молекули без којих тело не може, али их не производи. Они су као милиционер који регулише (успорава или убр­ зава) саобраћај на прометној раскрсници; во­ зила би били велики молекули угљених хидра­ та, липида, протеина и нуклеинских киселина. Без витамина живот не би био могућ. Ипак оп­ рез, више витамина нужно не значи и бољитак за наше тело.

У ФОКУСУ. – Здрава исхрана и витамини Правилна исхрана важан је део здравог начина живота. Основни принципи правилне исхране говоре да она треба да буде: адекватна (довољна количина и оптимални однос уноса протеина, угљених хидрата, липида, витамина, минерала и воде), у складу с �о�ребама појединца или групе; уравнотежена (одговарајућа комбинација различитих група намирница и одговарајући однос чврстих и течних намирница); умерена (умере­ не величине порција; без преједања, али и без прескакања оброка); разноврсна (нами­ рнице различитих боја у тањиру)4; заситна (да даје осећај ситости и задовољства након оброка). Недостаци у свакодневној исхрани човека олакшавају да разумемо зашто је ин­ дустрија суплемената, пре свега витамина, али и других природних или синтетичких супстанци, посао вредан више од 40 милијарди америчких долара годишње.

Ко би требало да узима суплементе? Без обзира на то да ли је витамин растворљив у води или мастима, он је потребан људском телу само у малим количинама. Уколико је исхрана оптимална и уравнотежена, ретко постоји потреба за додацима исхрани. Нека медицинска стања, недовољан унос хране, болест малапсорпције (поремећено преузи­ мање хранљивих материја), трудноћа и недостатак сунчеве светлости могу да учине нео�хо�ним додатак витамина и минерала путем суплемената. Следеће групе здравих људи би могле имати користи од �о�а�ака ви�амина исхрани. Вегетаријанци би могли

4

Пигменти (боје) воћа и поврћа припадају трима групама органских једињења, а то су: каро�енои�и (као наранџасти β­каротен из шаргарепе), хлорофили (зелени делови биљака) и флавонои�и (антоцијанини дају тамну боју воћу).

ХЕМИЈА 4 171

да размотре додатно узимање витамина B12, а дојиље витамина D. Жене у трудноћи могу имати користи од узимања фолне киселине и других пренаталних витамина за маму и бебу (D, E и C), али и калцијума, гвожђа и омега­3 масних киселина. Старији људи који не једу довољно или чија исхрана није добро избалансирана могу имати користи од мултивитаминских препарата. Свако ко избегава да излази на сунце требало би да ра­ змисли о додатку витамина D својој исхрани. Какав год био разлог за додатно узимање витамина и других додатака свакодневној исхрани, најбоље је најпре потражити савет дијететичара или лекара. Суплементи могу да утичу на активност (ефикасност) лекова које узимамо. Витамини могу да буду скупа инвестиција од које можда уопште нећемо имати користи. Наша тела су сложене маши­ не и најбољи начин да добијемо све есенцијалне биомолекуле јесте да једе­ мо праву, природну храну, која садржи много хранљивих материја и мало ка­ лорија. Претерани унос вештачких (синтетичких) витамина, посебно оних растворљивих у мастима, није добар, пошто повећава ризик од њихових ток­ сичних ефеката. На основу великог броја научних студија, Светска здравствена организа­ ција дала је општу препоруку о днев­ ном уносу најмање 400 g воћа и �оврћа. Њиме се обезбеђује унос не само свих витамина и минерала већ и дијетних влакана. Нема укуснијег и приступач­ нијег воћа до оног произведеног у на­ шој земљи: јабука, крушка, шљива, бресква, вишња, малина, купина. И није тежак задатак, зар не?

› За разлику од лекова, додаци исхрани (суплементи) не захтевају одобрење надлежних регулаторних тела. Компаније које производе овакве препарате требало би да имају доказе да су њихови производи сигурни за употребу, а да тврдње на етикетама не обмањују купце.

ДЕСЕТ ЗАНИМЉИВИХ ЧИЊЕНИЦА О ВИТАМИНИМА – Знојење је добро за здравље, јер се њиме регулише телесна температура и уклањају се токсини. Али током знојења губе се и витамини растворљиви у води. Исхрана богата B витаминима и магнезијумом помаже у смањењу прекомерног знојења.

– Свесни смо значаја витамина D и калцијума за изградњу јаких зуба и глеђи. Честе афте (афтозни чиреви) и лош задах могу бити последице недостатка B витамина у исхрани.

– Ако сте веган, велике су шансе да ваша исхрана не укључује довољно хране богате витамином B12. Повећајте, зато, унос црвених алги, печурки и јечмене траве.

– Прање поврћа након сечења може да смањи ниво витамина растворљивих у води у храни. Продужено излагање топлоти може да смањи садржај витамина B­групе и витамина C у неким намирницама.

– Узимање витамина на празан стомак и без воде може да изазове мучнину или грчеве у стомаку.

172 Секундарни метаболити живих система

– Да би апсорпција витамина растворљивих у мастима (А, D, E и K) била оптимална, потребно је да се ти витамини узимају уз оброк, понајбоље онај богат здравим масноћама.

– Потреба за витамином C код пушача и оних који су изложени пасивном пушењу већа је за 35 mg.

– Жене које су трудне или покушавају да затрудне треба да узимају најмање 400 μg (0,4 mg) фолне киселине дневно пре зачећа и најмање три месеца након зачећа.

– Јетра поларног медведа (око 500 g) садржи толико витамина А (девет милиона IU) да њена конзумација може довести до смрти.

– Чај од борових игала богат је извор витамина C. Такав чај кували су становници Лењинграда који су искусили страшну глад током нацистичке опсаде током Другог светског рата. Опсада је трајала 872 дана.

Питања и задаци за утврђивање и проверу знања 1.

Објасните порекло речи „витамин”. Шта овај назив данас означава?

2. Како класификујемо витамине? Којој групи витамина припадају витамин C, витамин D, витамин А и витамини B-групе?

3. Објасните разлике у растворљивости витамина: упоредите растворљивост витамина B5 (формула приказана ниже) и А1 (слика 4.12а) у води.

› Структурна формула пантотенске киселине (витамин B5)

4. Скорбут је први описао Хипократ, а шкотски лекар Џејмс Линд (James Lind) први је доказао да скорбут може да се излечи агрумима (цитрусима). Због чега настаје скорбут и зашто је, кроз историју, скорбут био чест међу морнарима, гусарима и војницима?

5. Ноћно (кокошје) слепило је немогућност прилагођавања вида на таму. Особе које имају ову аномалију, иако добро виде по дану и при добром осветљењу, ноћу или у условима слабог осветљења лошије виде или уопште не виде. Због чега може да настане ноћно слепило и унос којих намирница би особе које га имају требало да повећају?

6. Проучите податке приказане у табели 4.2. Како би могле да се објасне разлике у препорученим дневним дозама појединих витамина код мушкараца и жена?

7.

Витамини А и D могу да се једнократно узму у количини која је довољна за одржање њихове нормалне концентрације у току неколико недеља. Витамине B-групе неопходно је да узимамо чешће и знатно дуже. Објасните зашто.

8. Саставите хемијску асоцијацију с коначним решењем „Витамини”. Образложите избор појмова стављених као решења колона А–Г.

ХЕМИЈА 4 173

Проблемски задаци за радознале и оне који желе да знају више 1.

Истражите структуру и физиолошке улоге „недостајућих” витамина (B4, B8, B10 и B11).

2. Истражите у којим земљама људи пате од недостатка витамина D и на које све начине они могу да у свој организам унесу потребне количине овог витамина.

3. Истражите која од наведених намирница садржи најмање, а која највише витамина C (у 100 g плода): шаргарепа, жута паприка, ананас, трешње, лимун, броколa и шипак. Израчунајте масу трешања коју би требало да поједете да бисте намирили препоручену дневну потребу за овим витамином.

4. Истражите витамин B17, конкретније, његов хемијски састав и зашто је разматран као алтернативни третман за рак. Иако изолован из горког бадема, највећа количина ове супстанце налази се у коштицама кајсија.

5. Људи који пате од мигрене (снажне пулсирајуће главобоље) знају колико је непријатна таква бол и колико она отежава свакодневни живот. Истражите који витамини В-групе могу да помогну у контроли симптома мигрене. Иначе, више од 70% особа са мигреном су жене старости од 25 до 55 година.

6. Плод црног бибера једна је од најважнијих зачинских биљака, која даје не само аутентичну пикантну арому већ и чисте дисајне путеве, а такође је и природни извор витамина C, витамина К, као и мангана. Истражите код којих још стања (поремећаја у телу човека) чај од црног бибера може да помогне.

7.

У дневној дози 1–2 g ниацин је антилипемички лек за третман високих нивоа холестерола и триацилглицерола у крви, с једним визуелно непријатним штетним ефектом. Пронађите којим/каквим. Пронађите и структурне формуле свих облика овог витамина, као и њихове специфичне улоге у телу човека.

8. Појединачни токофероли и њихове смеше користе се као прехрамбени адитиви (ознаке Е306– Е309). Сазнајте за шта се употребљавају ови адитиви.

› Црни бибер може да послужи за третман заразних болести и против патогена који се преносе храном. Овај зачин богат је витаминима B2, B3, B6, A, C, K.

174 Секундарни метаболити живих система

ХЕМИЈА 4 175

5

ПРАКТИКУМ – ОГЛЕДИ СА БИОЛОШКИ ВАЖНИМ ЈЕДИЊЕЊИМА

176 Практикум – огледи са биолошки важним једињењима

УВОД

Хемија је експериментална наука. Експеримент (оглед или покус) једна је од основних метода научне спознаје. До знања о грађи, својствима и променама супстанци, као и законима по којима се те промене дешавају, хемичари долазе на основу резултата разноврсних експеримената. У основи, експеримент је поступак којим се испитује нека претпоставка, проверава теорија или изазива нека природна или вештачка појава, у циљу запажања, истраживања и тумачења. Експерименти се изводе у контролисаним условима, с мерењем или без мерења. Као средство за откривање правилности у испитиваним појавама, експеримент се свеобухватно користи од времена Галилеја (Galileo Galilei), италијанског физичара и астронома. Добро дошли у забавни свет огледа: магија или хемија, процените сами! Важно. ― Пре извођења огледа пажљиво прочитајте опис сваког поступка. Придржавајте се свих општих правила рада и мера предострожности у хемијској лабораторији, нарочито у раду са опасним супстанцама.

› Ричард Фајнман (Richard Feynman), амерички физичар, говорио је: „Није важно колико је твоја теорија лепа, нити колико си паметан. Ако се не слаже са експериментом, погрешнa је.”

ХЕМИЈА 4 177

5.1. ОГЛЕДИ СА УГЉЕНИМ ХИДРАТИМА

У

гљени хидрати (сахариди, „шећери”) највише су заступљена органска једињења у природи. Намирнице богате полисахаридом скробом (хлеб, пиринач, кромпир, те­ стенина) основа су наше исхране. Дисахарид сахарозу (конзумни шећер), из шећерне репе (Sugar beet) или шећерне трске (Saccarum officinarum), налазимо у сваком домаћин­ ству. Моносахарид глукозу (грожђани шећер, декстроза) купујемо у продавницама здра­ ве хране. Ова три једињења полазни су материјал за упознавање с неким хемијским својствима угљених хидрата путем огледа.

Структурно, угљени хидрати су �олихи�роксиал�ехи�и или �олихи�роксике�они, у раствору �олихи�рокси(�олу)аце�али, односно �олихи�рокси(�олу)ке�али. У структури органских једињења, слободна алдехидна група оксидује се у одговарајуће киселине са истим бројем C­атома у присуству благих оксидационих средстава, као што су јони мета­ ла (Ag+ или Cu2+). Својство алдехида да редукују металне јоне, при чему се сами оксидују до киселина, хемијска је основа низа квалитативних и квантитативних доказних хе­ мијских реакција за угљене хидрате.

Сви моносахариди показују редукциона својства (редукујући шећери): алдозе садрже алдехидну групу у структури молекула, а кетозе у воденом раствору прелазе (изомеризују) у алдозе. Од дисахарида, редукционе карактеристике имају они код којих за повезивање моносахарида нису искоришћене обе редукционе групе. Малтоза, целобиоза и трехалоза настају из два молекула глукозе. Малтоза [α(1→4) веза] и целобиоза [β(1→4) веза] задр­ жавају редукциона својства (редукују јоне метала), док су у трехалози молекули глукозе спојени преко редукционих група [α(1→1) веза], тако да је она нередукујући шећер.

Угљени хидрати настали од више молекула моносахарида (олигосахариди и полиса­ хариди) немају редукциона своjства. За доказивање нередукујућих дисахарида (треха­ лоза и сахароза) користи се реакција киселе хидролизе, а затим се у хидролизату дока­ зују настали моносахариди. Полисахариди се међусобно разликују на основу хемијске природе моносахаридних јединица, типова веза, степена гранања и дужине њихових ланаца. Њиховом потпуном хидролизом, у присуству киселина или специфичних ензи­ ма, такође настају редукујући моносахариди.

› Намирнице, кухињско посуђе и прибор који се користи за припрему и послуживање хране одличан су полазни материјал и опрема за извођење разноврсних огледа.

178 Практикум – огледи са биолошки важним једињењима

5.1.1. Реакција глукозе с Толенсовим реагенсом Припремите: једну епрувету, сталак за епрувете, дрвену штипаљку, капалицу или пла­ стичну Пастерову пипету, 1%­ну глукозу, сребро­нитрат (AgNO3), амонијак (25%­ни амо­ нијум­хидроксид), дестиловану воду и грејно тело (пламеник или шпиритусну лампу). Извођење огледа

1. У потпуно чистој и сувој епрувети, у неколико капи дестиловане воде, раствори­ те неколико кристала AgNO3.

2. У ту епрувету додајте кап амонијака: настаје мркобели талог.

3. Полако додајте амонијак, кап по кап, док се настали талог не раствори (не више од тога!). Овај раствор познат је као Толенсов реагенс (садржи [Ag(NH3)2]+ јоне).

4. Лагано, низ зидове епрувете, додајте 2 mL раствора глукозе.

5. Пажљиво загревајте садржај епрувете изнад пламена грејног тела (неколико ми­ нута), уз стално окретање епрувете (помоћу штипаљке, епрувету држите у ко­ сом положају).

6. Посматрајте: зид дна епрувете требало би да посребри, тј. буде обложен слојем сребрно­сиве боје (елементарно сребро).

Тумачење огледа. – Алдехидна група у молекулу глукозе оксидује се до карбоксилне групе у реакцији с Толенсовим реагенсом (амонијачни раствор сребро­ни­ трата). Издвојено елементарно сребро (Ag), настало ре­ дукцијом јона сребра (Ag+), таложи се на зидовима епру­ вете: „реакција сребрног огледала”. Толенсов реа�енс не окси�ује ке�оне. Међутим, како у воденим растворима долази до брзог превођења кетоза у алдозе (и обрнуто), и фруктоза даје позитивну Толенсову реакцију (реду­ кујући шећер).

› Позитиван Толенсов тест (редукција амонијачног раствора сребра алдехидима): „реакција сребрног огледала”

Напомене. – Амонијачни раствор сребро­нитрата експлозивна је смеша. Зато се не чува као аналитички ре­ агенс, већ се свеж припрема непосредно пре употребе. Тест је открио немачки хемичар Бернард Толенс (Bernhard Tollens) и користи се за доказивање алдехидне групе у структури органских једињења.

5.1.2. Реакција глукозе с Фелинговим реагенсом Припремите: једну епрувету, сталак за епрувете, дрвену штипаљку, капалицу или пла­ стичну Пастерову пипету, 1%­ну глукозу, Фелинг I (70 g/L CuSO4 x 5 H2O у 100ml базе), Фелинг II (50 g/L натријум­калијум­тартарат и 12 g/L NaOH у 100ml базе) и грејно тело (пламеник, шпиритусну лампу или водено купатило).

ХЕМИЈА 4 179

Извођење огледа 1. У епрувети одмерите 1 mL Фелинговог раствора I.

2. Уз благо мућкање, у епрувету у капима додајте Фелингов раствор II (око 1 mL), све док се талог који настаје не раствори, а добијени Фелингов реагенс не по­ прими плаву боју.

3. У припремљени реагенс додајте 2 mL раствора глукозе.

4. Ухватите епрувету при врху дрвеном штипаљком и садржај пажљиво загревајте до видљиве промене боје и издвајања талога црвене боје.

Тумачење огледа. – Алдехидна група у моле­ кулу глукозе редукује Фелингов реагенс (глукоза је редукујући шећер), при чему настаје црвени та­ лог бакар(I)­оксида (Cu2O), доказ присуства реду­ кционе групе.

Напомене. – Немачки хемичар Херман фон Фе­ линг (Hermann von Fehling) развио је овај тест за одређивање количине редукујућих шећера. Фе­ лингов реагенс базан је раствор комплексног Cu2+­ тартаратног јона, припремљеног мешањем Фе­ лингових раствора I и II. Додавање тартарата (соли винске киселине) преводи купри (Cu2+) јон у растворљивију со. Тиме се избегава појава плавог талога Cu(OH)2, тако да се у бистром раствору уо­ чава и мања количина насталог црвеног талога.

› Позитиван Фелингов тест (редукција плавог базног раствора дитартаро-купрата): црвени талог купро-оксида у присуству алдехидне групе

5.1.3. Доказивање скроба у намирницама помоћу јода Припремите: три епрувете, сталак за епрувете, капалицу или пластичну Пастерову пи­ пету, узорке за испитивање присуства скроба (сок од јабуке из продавнице, брашно ото­ пљено у води, пчелињи мед), Луголов раствор јода [5%­ни елементарни јод у 10%­ом ка­ лијум­јодиду], дестиловану воду, грејно тело (пламеник, шпиритусну лампу или водено купатило) и дрвене штипаљке. Извођење огледа

1. У епрувете одмерите по 2 mL испитиваног узорка и разблажите са 2 mL дестиловане воде.

2. У сваку епрувету додајте 2–3 капи Луголовог раствора и промућкајте садржај епрувете.

3. Епрувета у којој се појавила интензивно плава боја садржи скроб. То би �ребало �а бу�е само е�руве�а с рас�вором брашна.

4. Епрувету која садржи скроб лагано загревајте и посматрајте ишчезавање плаве боје.

5. Епрувету са скробом ставите у сталак да се охлади до собне температуре. Да ли се хлађењем са�ржаја у е�руве�и �оново �ојављује �лава боја?

180 Практикум – огледи са биолошки важним једињењима

Тумачење огледа. – Полисахариди, као нередукујући шећери, не дају позитивну ре­ акцију с Толенсовим и Фелинговим реагенсом. Када се у раствор који садржи скроб дода мрко­црвени раствор јода у калијум­јодиду (Луголов раствор), појављује се интензивно плаво обојење. Оно није резултат хемијске реакције, већ се молекули јода у�рађују у унутрашњост завојница амилозе, једне од две компоненте скроба. Загревањем плава боја нестаје, пошто се на повишеној температури (> 60 °C) завојнице амилозе делимич­ но расплићу и молекули јода излазе (десорбују) из структуре полимера. Плава боја неће се појавити у базној средини – доказ да у грађењу карактеристичне боје са скробом уче­ ствује молекулски (слободан) јод (I2), не и јони јода (јодиди и јодати у алкалној средини). Појаву плаве боје спречиће и присуство алкохола, који таложи скроб. Хлађењем pHнеу�ралних во�ених рас�вора молекули јода поново се адсорбују у структуру амилозе, и у раствору са скробом поново уочавамо плаву боју. Глико­ ген с јодом гради нестабилне комплексе црвеноцрне боје; разлика у боји условљена је разликама у структури скроба и гликогена.

› Јодни тест се користи за утврђивање присуства скроба у намирницама. Обично се користи Луголов раствор (водени раствор јода и калијум-јодида), на слици на комаду пшеничног хлеба.

Напомене. – Суспензију брашна у води припремите тако што ћете размутити малу количину (нпр. пола ка­ фене кашичице) пшеничног брашна у мало топле воде. Луголов раствор купује се у боље снабдевеној апотеци. Он се користи као антисептик, аналитички реагенс, ра­ није и као додатак јода у исхрани. Назив је добио по Жан Гијому Луголу (Jean Guillaumee Lugol), француском лека­ ру који га је први направио. Фалсификовани природни (пчелињи) мед понекад садржи брашно и кукурузни скроб. Такав мед показује позитивну реакцију с Луголо­ вим раствором.

5.1.4. Хидролиза сахарозе и доказивање хидролизе Толенсовим реагенсом

Припремите: три епрувете, сталак за епрувете, капалицу или пластичну Пастерову пи­ пету, 2%­ну сахарозу, Толенсов реагенс, концентровану хлороводоничну киселину (HCl), 15%­ни натријум­хидроксид (NaOH), универзални индикаторски папир, грејно тело (пламеник или шпиритусну лампа) и дрвене штипаљке. Извођење огледа

1. У две епрувете припремите Толенсов реагенс (као у огледу 5.1.1).

2. У првој епрувети с Толенсовим реагенсом одмерите 2 mL раствора сахарозе, за­ гревајте садржај над благим пламеном (неколико минута) и посматрајте.

3. У трећу епрувету сипајте 2 mL раствора сахарозе, додајте неколико капи концен­ троване киселине (опрез!) и садржај пажљиво загрејте до кључања. Оставите да раствор у епрувети кључа још минут­два.

4. Садржај у епрувети охладите до собне температуре и потом овај раствор неутра­ лишите (уз индикатор) раствором NaOH.

5. У другој епрувети с Толенсовим реагенсом одмерите 2 mL неутралисаног хидро­ лизата (тачка 4), загревајте садржај над благим пламеном и посматрајте.

ХЕМИЈА 4 181

Тумачење огледа. – С обзиром на то да нема слободну полуацеталну групу, сахароза није редукујући шећер, тј. не редукује Толенсов реагенс (прва епрувета). Хидролизом у киселој средини молекул сахарозе разлаже се на глуко­ зу и фруктозу („инвертни шећер”), који дају по­ зитиван тест с Толенсовим реагенсом: реак­ ција „сребрног огледала” (друга епрувета). › Инвертаза (β-фрукто-фуранозидаза), ензим који катализује разградњу дисахарида сахарозе, један је од комерцијално најзначајнијих ензима за кондиторску прехрамбену индустрију и за индустрију безалкохолних пића.

5.1.5. Хидролиза скроба и доказивање хидролизе Фелинговим реагенсом Припремите: две веће епрувете, сталак за епрувете, капалицу или пластичну Пастеро­ ву пипету, 1%­ни скроб, Фелинг I и Фелинг II (као у огледу 5.1.2), концентровану HCl, 30%­ни NaOH, универзални индикаторски папир, кључало водено купатило и дрвене штипаљке. Извођење огледа

1. У првој епрувети одмерите 10 mL раствора скроба и потом додајте око 1 mL кон­ центроване киселине (опрез!).

2. Загревајте садржај у епрувети 10–15 минута у кључалом воденом купатилу.

3. Раствор у епрувети охладите и неутралишите додатком 1,5 mL базе (овај корак је неопходан да би се касније обезбедила базна средина за Фелингову реакцију).

4. У другој епрувети одмерите по 1 mL раствора Фелинг I и Фелинг II, а затим додај­ те 2 mL хидролизованог неутралисаног скроба (из епрувете 1).

5. Посматрајте садржај друге епрувете: уколико је дошло до хидролизе скроба, на­ кон загревања појавиће се црвени талог бакар(I)­оксида.

Тумачење огледа. – Загревањем у јако киселим растворима скроб хидролизује, тј. разлаже се до својих основних састојака, молекула глукозе. Под дејством ензима амила­ зе (која у људској пљувачки започиње процес варења хране) скроб се разлаже до малтозе и декстрина. Глукоза и малтоза имају редукујућа својства, а скроб их нема, због чега се хидролиза скроба до моносахарида или дисахарида утврђује на основу реакција редук­ ције јона метала. На пример, скроб не реагује с Фелинговим реагенсом (нередукујући шећер), док глукоза и малтоза у Фелинговој реакцији стварају црвени талог Cu2O (реду­ кујући шећери). Напомена. – Раствор скроба припремите тако што ћете размутити одговарајућу ко­ личину скроба у мало хладне воде, а затим растворите скроб у остатку кључале воде.

182 Практикум – огледи са биолошки важним једињењима

5.2. ОГЛЕДИ С ЛИПИДИМА

З

асићене или незасићене масне киселине, дугих, неразгранатих ланаца и најчешће с парним бројем угљеникових атома, главни су састојак природних масти и уља. По правилу, масти су чврсте, а уља течна. Као типични липиди, масти и уља и њихове (естар­ ски везане) масне киселине не растварају се у води, због чега је за њих у организму пот­ ребан протеински носач (албумин у крви). Они се зато растварају у (многим) органским растварачима, што ћете да проверите на примеру сунцокретовог уља. У следећа два огледа, доказаћете и упоредити присуство двоструких веза у незасићеним масним кисе­ линама триацилглицерола маслиновог и сунцокретовог уља, као и корисну последицу хидролизе естарских веза у триацилглицеролима свињске масти под базним условима – добијање сапуна.

Народи Медитерана, који су међу најдуговечнијим на свету, вековима у исхрани кори­ сте маслине и маслиново уље. За блиставу кожу и лепу косу, здраво срце и чисте крвне судове једите маслине и користите квалитетно маслиново уље: „храну богова са Олимпа”. Најквалитетнија су хла�но цеђена и хемијски немодификована екстрадевичанска уља.

5.2.1. Растворљивост уља у води и органским растварачима

Припремите: четири епрувете, сталак за епрувете, чепове за епрувете, капалицу или пластичну Пастерову пипету, јестиво (сунцокретово) уље, ацетон, етар, хлороформ и дестиловану воду. Извођење огледа

1. У епруветама редом, одмерите по 5 mL воде, ацетона, етра и хлороформа.

2. У сваку епрувету ставите 10 капи уља и затворите епрувете чепом.

3. Садржај епрувета добро промућкајте, вратите епрувете у сталак и посматрајте: у епрувети с водом уље ће се издвојити на површини, док се у епруветама са орган­ ским растварачима неће видети два слоја.

Тумачење огледа. – Уље се раствара у етру, ацетону и хлороформу, али не и у води. Теч­ ности које се међусобно не мешају граде емулзије. Емулзија уља (разбијеног у ситне капљице мућкањем) у води није стабилна. После извесног времена из емулзије се издвајају два слоја: горњи, уљани (мање густине), и доњи, водени слој. Емулзије стаби­ лизују једињења која смањују површински напон, смањујући тежњу мањих капљица да се споје у веће капи. Природни емулгатори, једињења која стабилизују емулзије, јесу и молекули фосфолипида (из жуманцета јајета омогућују припрему мајонеза) и соли жуч­ них киселина (олакшавају разлагање липида одговарајућим ензимима).

5.2.2. Доказивање незасићених масних киселина у уљу

Припремите: веће епрувете, сталак за епрувете, чепове за епрувете, капалицу или пла­ стичну Пастерову пипету, јестиво (маслиново и сунцокретово) уље, медицински бензин (продаје се и као „бензин специјални – одмашћивач”) и 1% алкохолни раствор јода.

ХЕМИЈА 4 183

Извођење огледа 1. У двема епруветама одмерите по 1 mL уља.

2. У епрувете одмерите по 5 mL медицинског бензина, ставите чеп и садржај добро измешајте.

3. Испитајте оба раствора уља: у сваку епрувету у капима (кап по кап) сипајте раствор јода. Промућкајте садржај епрувете након додатка сваке капи јода: мућкањем нес�аје смеђа боја раствора који додајете. Наставите да додајете и бројите капи јода, до �рајне појаве смеђе боје.

4. Упоредите број капи раствора јода додат сваком узорку уља до појаве задржавања боје. Којем узорку с�е �о�али више јо�а? Да ли је �вој налаз у скла�у с �о�ацима из �абеле?

Тумачење огледа. – Јод се у реакцији адиције веже за атоме угљеника међусобно по­ везане двоструком везом у структури масних киселина из уља. Што је већи удео неза­ сићених масних киселина у узорку уља, то ће бити већи утрошак раствора јода. Реакција адиције молекула јода (I2) на не­ засићене липиде користи се за одређивање броја угљеник–угљеник двоструких веза у мастима и уљима. То је јодни број, тј. број g јода који реагује са 100 g узорка липида.

Напомена. – Описани оглед може да се допуни, укључивањем чврстих узорака ли­ пида за анализу, као што су маргарин или пу­ тер (маслац). У том случају, покушајте да уједначите, у сврху поређења добијених ре­ зултата, полазне количине узорака за анали­ зу. Јодни број за маргарин износи 34–38, а за путер 25–42.

Врста уља

Типичан опсег вредности за јодни број

кокосово

6−11

маслиново

75−94

орахово

132−162

палмино

49−55

рибље

190−205

сојино

120−139

сунцокретово

110−145

5.2.3. Сапонификација масти Израз „сапун” потиче из старонемачког језика и значи „нешто попут смола” коришће­ них за прање тела, чишћење одеће и радних површина. Сапун као средство за прање смањује површински напон воде и уклања масне нечистоће на рукама и рубљу. Сапуни настају у реакцији базне (алкалне) хи�ролизе триацилглицерола природних масти или уља – реакција сапонификације. Хемијски, сапуни су натријумове или калијумове соли виших масних киселина. Направите сапун у овом огледу. Припремите: порцеланску шољу, чашу, епруветe, стаклени штапић, кашичицу или шпа­ тулу, троножац, мрежицу, пламеник, свињску маст, натријум­хидроксид, 96%­ни етанол, кухињску со (NaCl) и дестиловану воду.

184 Практикум – огледи са биолошки важним једињењима

Извођење огледа 1. У већој порцеланској шољи одмерите 10 g масти и 10 mL воде. Загревајте на сла­ бом пламену док се маст не истопи.

2. Током 10 минута, у шољу полако додајте укупно 10 mL засићеног раствора NaOH и 10 mL етанола, уз стално мешање садржаја стакленим штапићем и уз загревање смеше.

3. Када престане да се осећа мирис алкохола, реакција сапонификације је завршена. Прекините загревање.

4. Припремите у чаши 10 mL засићеног раствора NaCl, улијте тај раствор у порце­ ланску шољу и садржај добро промешајте.

5. Узмите мало површинског слоја сапуна, пребаците га у епрувету и растворите тај узо­ рак сапуна у мало дестиловане воде. Добро промућкајте тај раствор и посматрајте.

› Сапун добијен у овом огледу. Сапуни који имају pH вредност око 5,5 не доводе до исушивања коже; за додатну хидратацију коже у сапуне се додаје алоа вера и глицерол.

Тумачење огледа. – У реакцији триацил­ глицерола масти и алкохолног раствора на­ тријум­хидроксида настају глицерол и на�ријумов са�ун (натријумова со масних кисели­ на). Засићен раствор кухињске соли служи да спречи растварање добијеног сапуна у води, што помаже издвајање сапуна из сапонифи­ кационе смеше. Добијени сапуни се раства­ рају у води.

Напомена. – Растворљивост натријум­ ­хлорида у води је око 35 g у 100 mL, а натријум­ ­хидроксида 110 g у 100 mL (све на 25° C).

› Од хране коју једемо, до тога како путујемо и шта радимо – наука је свуда. Наука утиче на све, од нашег здравља и благостања до будућности наше планете и друштва у целини. Научни експерименти су одличан начин учења не само о науци, већ и о експериментисању, сарадњи и тимском раду.

ХЕМИЈА 4 185

5.3. ОГЛЕДИ С ПРОТЕИНИМА

Н

езаменљиве улоге протеина у живим системима оправдавају то што се они именују као „први, најважнији” биомолекули. Старији назив за протеине био је беланчевине, због високог садржаја протеина најбољег квалитета у беланцу јајета (око 11 g проте­ ина у 100 g). Као „протеинске бомбе”, које готово да не садрже липиде, беланца посебно налазимо на јеловнику људи којима је потребан повећан унос протеина (спортисти и бодибилдери). Беланце кокошјег јајета не само да је доступан и јефтин извор комплет­ них протеина у исхрани човека већ је и погодан материјал за упознавање са својствима протеина путем огледа. За доказивање присуства амино­киселина у растворима или ек­ страктима из ткива користе се различите бојене реакције. Ове реак­ ције су специфичне за поједине амино­киселине, а има и реакција које дају све или готове све амино­киселине. Доказивање протеина (полимера амино­киселина) такође се ради бојеним (квалитатив­ ним) реакцијама или таложењем одређеним реагенсима.

Припрема за огледе. – У погодном суду размутите једно беланце кокошјег јајета у 250 mL физиолошког раствора (0,9%­ни NaCl), па пребаците тај садржај у одговарајућу чашу. Добијен је раствор белан­ цета (протеина) за огледе у којима прво доказујете присуство проте­ ина и неких амино­киселина које изграђују протеине у беланцету јајета. За ове огледе можеш да употребиш и комерцијални препарат беланца у праху: 2–3 g праха помешајте са 250 mL физиолошког ра­ створа и добијени раствор користите за рад.

› Раствор беланца за извођење огледа с протеинима

5.3.1. Доказивање протеина: нинхидринска реакција Припремите: једну епрувету, сталак за епрувету, капалицу или пластичну Пастеро­ ву пипету, 0,2%­ни нинхидрин (у алкохолу или ацетону), кључало водено купатило и раствор беланца. Извођење огледа

1. У епрувети одмерите 3 mL раствора беланца.

2. У епрувету додајте 10 капи раствора нинхидрина и промешајте садржај у епрувети.

3. Загревајте садржај у епрувети у воденом купатилу до појаве љубичасте боје (мање од минута). Уколико је боја сувише интензивна, употребите разблаженији раствор протеина.

Тумачење огледа. – Нинхидрин у реакцији са α­амино­групом остатака амино­кисе­ лина у протеинима, или са слободним α­амино­киселинамa, даје једињење Рухеманове (Ruheman) љубичасте или љубичастоплаве боје. Реакција је веома осетљива и користи се за (квалитативно и квантитативно) одређивање амино­киселина.

186 Практикум – огледи са биолошки важним једињењима

› Нинхидринска реакција једноставан је тест за протеине, пептиде и амино-киселине са α-амино-групом у структури молекула; кондензациони производ реакције је карактеристичне љубичасте боје.

Напомене. – Уколико раствор нинхидрина дође у контакт са по­ вршином коже, на пример на пр­ стима руке, на том месту појавиће се љубичаста боја, доказ прису­ ства протеина. Без бриге, нинхи­ дрин није отровно једињење, а боја се скида с коже након неко­ лико прања руку. Аскорбинска киселина даје љубичасту, а про­ лин жуту боју са нинхидрином.

5.3.2. Доказивање протеина: биуретска реакција Припремите: једну епрувету, сталак за епрувету, капалицу или пластичну Пастерову пипету, 10%­ни натријум­хидроксид, 2%­ни бакар(II)­сулфат и раствор беланца. Извођење огледа

1. У епрувети одмерите 3 mL раствора беланца.

2. У епрувету затим полако додајте 3 mL раствора NaOH.

3. У исту епрувету, у капима, додајте 1 mL раствора CuSO4 и пажљиво промешајте садржај. Појава плавољубичасте боје знак је позитивне реакције на протеине у испитаном узорку.

Тумачење огледа. – Ова реакција није карактеристична само за олигопептиде, поли­ пептиде и једињења која садрже најмање две амидне везе у молекулу, као што је биурет, по коме је проба добила име, већ и за неке амино­киселине (као хистидин и аспарагин). У базној средини купри јони (из CuSO4) образују ком�лекс плавољубичасте боје с пептид­ ним групама у протеинима. Пошто је интензи­ тет настале боје сразмеран броју пептидних веза, биуретска реакција се користи и за одређи­ вање уку�но� са�ржаја �ро�еина у неком раство­ ру, уколико нису присутна друга једињења која реагују с реагенсом на исти или сличан начин. › Позитивна биуретска проба (тест по Пјотровском/ Piotrowski) за протеине: љубичаста боја потиче од створеног комплекса Cu2+ јона и четири атома азота из протеина.

Напомене. – Уколико се у анализирани узорак дода превише растворa бакар(II)­сулфа­ та, јони бакра с хидроксилним јонима стварају комплекс бакар(II)­хидроксида тамнопла­ ве боје, што спречава да се уочи плавољубичаста боја. Производи непотпуне хидролизе протеина (пептиди) дају црвену или љубичасту боју у биуретској реакцији.

ХЕМИЈА 4 187

5.3.3. Доказивање протеина: ксантопротеинска реакција Припремити: две епрувете, сталак и чепове за епрувете, мензуру, капалицу или пла­ стичне Пастерове пипете, дрвену штипаљку, грејно тело (пламеник или кључало водено купатило), раствор беланца, 30%­ни натријум­хидроксид, концентровану азотну кисе­ лину (HNO3) и трачице универзалног pH индикатора. Извођење огледа

1. У обема епруветама одмерите 3 mL раствора беланца.

2. У другу епрувету (прва је контролна) додајте неколико капи HNO3 (опрез!), за­ творите чепом и пажљиво промешајте садржај. Беланце се денатурише и ствара се бели талог протеина.

3. Епрувету с насталим талогом загревајте до појаве жуте боје (минут­два).

4. Када се епрувета охлади, додајте у капима раствор NaOH до базне средине (кори­ стите универзални pH индикатор).

5. Епрувету поново затворите и пажљиво промућкајте ― жута боја прелази у наранџасту.

Тумачење огледа. – Ксантопротеинска реакција добила је име по жутој боји коју дају нитро једињења (грчки: xanthos = жут). Азотна киселина реагује са ароматичним остацима амино-киселина (тирозин и триптофан, не и фени­ лаланин) у денатурисаним протеинима на повишеној температури. Талог поприма светложуту боју (ни�ровани производи хемијске реакције), која и прелази у на­ ранџасту у базној средини. Тиме се повећава осетљи­ вост реакције и могуће је открити присуство мањих ко­ личина протеина него у киселим растворима.

› Позитивна ксантопротеинска проба: наранџаста боја као доказ присуства ароматичних остатака амино-киселина у протеинима

5.3.4. Доказивање протеина: цистеинска реакција Припремите: епрувету од материјала отпорног на високе температуре, дрвену шти­ паљку, пламеник, металну кашику (или шпатулу), капалицу или пластичне Пастерове пипете, раствор беланца, натријум­хидроксид, 2%­ни олово(II)­ацетат (Pb(CH3COO)2) и дестиловану воду. Извођење огледа

1. У епрувети металном кашиком додајте 2–3 зрнца (чврстог) NaOH и неколико капи воде. Промешајте садржај и потом у епрувету одмерите 1 mL раствора беланца.

2. Садржај епрувете пажљиво загревајте неколико минута над пламеником.

3. Када се раствор охлади, у епрувету додајте 10 капи раствора Pb(CH3COO)2 и по­ сматрајте издвајање мркоцрне боје.

188 Практикум – огледи са биолошки важним једињењима

› Позитивна цистеинска проба у тесту са оловоацетатом за протеине: детекција сумпора цистеина (и цистина) у облику црног олово(II)-сулфида

Тумачење огледа. – Како се види по имену пробе, ова реакција је карактеристична за цистеин и дисул­ фидни дериват цистин. Протеини беланца разлажу се кувањем у базној средини, уз редукцију тиолних гру­ па (–SH) у остацима цистеина у протеинима до сул­ фидних јона (S2–), који у реакцији са олово(II)­ацета­ том граде црни талог олово(II)­сулфида (PbS). Раствор постаје мрк или црн, у зависности од количине цисте­ ина и цистина у узорку. Метионин не ослобађа сумпор под наведеним реакционим условима.

Напомена. – Уместо раствора беланца, полазни протеински материјал за овај оглед може да буде прамен све�ле косе (да би се боље уочио производ реакције).

5.3.5. Таложење протеина загревањем, алкохолом и солима тешких метала Протеини из водених раствора таложе се многим средствима. Природе добијених та­ лога су различите. Некада је таложење протеина повратно (реверзибилно), а у другим случајевима неповратно (иреверзибилно). Уколико се приликом таложења структура молекула протеина не мења, такви талози могу поново да се растворе у води и кажемо да је таложење повратно. Ако до таложења долази због промене структуре (денатура­ ције) протеина, такви талози се најчешће не растварају и таложење је неповратно. Припремите: три епрувете, сталак за епрувете, стаклени штапић, капалицу или пла­ стичне Пастерове пипете, дрвену штипаљку, кључало водено купатило, раствор белан­ ца, 96%­ни етанол, 2%­ни сребро­нитрат, олово­ацетат или гвожђе(III)­хлорид и дести­ ловану воду. Извођење огледа

1. У свакој епрувети одмерите 3 mL раствора беланца.

2. У прву епрувету додајте 2 mL етанола, благо промeшајте садржај и посматрајте.

3. У другу епрувету додајте 2 mL раствора соли тешког метала по избору, благо про­ мeшајте садржај и посматрајте.

4. Садржај треће епрувете загревајте у воденом купатилу неколико минута, благо промешајте садржај и посматрајте.

5. Одмерите у свакој епрувети 3 mL дестиловане воде и након мешања садржаја проверите да ли се настали талози делимично или потпуно растварају у води. Тумачење огледа. – У свим епруветама образовао се бели талог протеина.

Више нивое структуре протеина (секундарну, терцијарну и кватернарну) одржавају слабе везе између остатака амино­киселина у молекулима протеина. Ове везе (пре свега, водоничне везе, Ван дер Валсове и електростатичке интеракције, хидрофобне силе) се раски�ају на повишеним температурама. Зато загревањем долази до денатурације про­

ХЕМИЈА 4 189

теина, што доводи до њиховог таложења. Такви талози, по правилу, не растварају се у води када се раствор протеина охлади, тако да је таложење (коагулација) загревањем пример иреверзибилног таложења протеина.

Као дехидратационо средство, алкохоли таложе протеине. Уклањајући водени омо­ тач око њихових молекула, алкохоли смањују растворљивост протеина у води. Уколико се таложење ради на собној или вишој температури, може доћи до денатурације молеку­ ла протеина, што смањује растворљивост талога, као у случају протеина из беланцета јајета. Зато се, по потреби, таложење протеина алкохолом ради на хладно (–20°C).

Стварање реверзибилних талога обично је последица неу�ралисања наелек�рисања на површини протеина, због чега се протеин најлакше таложи на својој изоелектричној тачки (pI), pH­вредности када је нето наелектрисање једнако нули. Тада је међусобно одбијање молекула протеина у раствору најмање и они могу да награде веће скупове молекула, који се због своје величине таложе. Јони метала неутралишу наелектрисање везујући се за површину молекула протеина, привучени су­ протним наелектрисањима остатака амино­киселина. Међу­ тим, уколико се соли (поготову лаких) метала додају у вишку, може доћи до растварања талога. Тада ће се вишак истоиме­ ног наелектрисања, који потиче од јона метала, одбијати и враћати молекуле протеина у раствор. Протеини су амфотерни, углавном кисели (pI < 7) електро­ лити, тако да се њихово наелектрисање мења у зависности од pH. Због тога додатак киселина и база мења растворљивост и може да (не)повратно исталожи протеин. Даље, то значи да ће таложење протеина позитивно наелектрисаним реагенсима (јонима метала) бити ефикасније у средини која је базнија од његове изоелектричне тачке. Када се таложење изводи нега­ тивно наелектрисаним средствима (као сулфосалицилном или пикринском киселином), важи обрнуто правило, да сре­ дина треба да је киселија од изоелектричне тачке протеина.

› По правилу, денатурисани протеин има мању растворљивост у воденом раствору од нативног – замућење раствора или образовање талога протеина.

5.3.6. Утврђивање каталитичког деловања каталазе Овим огледом треба да докажете деловање каталазе из једног животињског и једног биљног извора. Kаталаза је свеприсутни антиоксидативни ензим у живим системима који користе кисeоник у метаболичким процесима. Овај ензим убрзава разградњу, у већим количинама штетног, водоник­пероксида (H2O2) на воду (H2O) и молекулски кисе­ оник (O2); сваки молекул каталазе разложи милионе молекула супстрата у секунди. Ак­ тивност каталазе штити макромолекуле од оксидативних оштећења и трајног губитка биолошке активности. Каталаза је пример хем­протеина: свака од четири идентичне подјединице (хомотетрамер) садржи један молекул хема, који је центар ензимске актив­ ности протеина. Припремити: четири епрувете, сталак за епрувете, капалицу или пластичну Пастерову пипету, пластичну кашичицу или металну шпатулу, 3%­ни водоник­пероксид (хидроген, купује се у дрогеријама), манган(IV)­оксид (MnO2), комадић свеже јетре (из продавнице) и ољуштеног кромпира.

190 Практикум – огледи са биолошки важним једињењима

Извођење огледа 1. У сталку припремите четири чисте и суве епрувете.

2. У свакој епрувети одмерите по 3 mL раствора H2O2 и посматрајте како се, сасвим лагано, издвајају мехурићи гаса (кисеоник).

3. Издвојену епрувету оставите за поређење.

4. У прву епрувету додајте на врх кашичице MnO2 и посматрајте брзину издвајања гаса.

5. У другу епрувету додајте комадић јетре и посматрајте брзину издвајања гаса.

6. У трећу епрувету додајте комадић кромпира и посматрајте брзину издвајања гаса.

Тумачење огледа. – Брзина с�он�ано� ра­ злагања водоник­пероксида уз издвајање кисе­ оника веома је мала на собној температури (из­ двојена епрувета). Реакцију разлагања H2O2 поспешује неоргански катализатор манган(IV)­ оксид (прва епрувета). Брзина ослобађања ки­ сеоника знатно је већа у присуству ензима ката­ лазе, којом су богати јетра и кртоле (плод) кромпира (редом, друга и трећа епрувета).

› Издвајање мехурића кисеоника доказ је каталитичког деловања ензима каталазе (2H2O2 � O2 + 2H2O).

5.4. ОГЛЕД СА НУКЛЕИНСКИМ КИСЕЛИНАМА

Н

уклеинске киселине кључни су биомолекули за трајање и непрекидност живота. Оне носе генетски нацрт и упутства за функционисање наших ћелија. Две главне врсте нуклеинских киселина у живим системима јесу дезоксирибонуклеинска киселина (ДНК) и рибонуклеинска киселина (РНК). Речи Мета Ридлија (Matt Ridley), из књиге Геном – ау�обио�рафија врс�е у 23 �о�лавља, лепо описује чудесан молекул ДНК: „Kада бих Вам осам сати дневно читао геном, брзином од једне речи у секунди, то би трајало стотину година. Kада бих написао људски геном, једно слово на милиметар, мој текст би био дугачак као река Дунав. То је џиновски документ, једна огромна књига, рецепт изузетне дужине, а цео стаје у микроскопско једро мајушне ћелије, која се лако може сместити у главу чиоде.” У наредном огледу видећете како може да се дође до молекула ДНК „сакривених” у плодовима воћа.

ХЕМИЈА 4 191

5.4.1. Изоловање дезоксирибонуклеинске киселине из воћа Припремите: аван с тучком, термометар, нож, маказе, водено купатило, вагу, чашу од 200 mL, стаклени штапић, сталак с већим епруветама, мензуру, филтер­папир, левак, ку­ хињску со, детергент за судове, сок од ананаса (из продавнице), 96%­ни алкохол, воће по избору (киви, јагоде или банане). Извођење огледа

1. Исеците на ситне комаде 50 g одабраног воћа и уситните га у авану тучком.

2. Уситњено воће пребаците у чашу од 200 mL, па додајте 10 mL детергента за судове и 80 mL раствора кухињске соли. Рас�вор кухињске соли �ри�реми�е рас�варањем 8 g кухињске соли у 100 mL �ес�иловане во�е. Добијени садржај про­ мешајте стакленим штапићем.

3. Добијену смешу загревајте у воденом купатилу, 15 минута на око 60 °C.

4. Смешу лагано охладите до собне температуре и у (исту) чашу додајте 10 mL сока од ананаса.

5. У ову смешу додајте 20 mL дестиловане воде, садржај добро измешајте стакле­ ним штапићем и профилтрирајте.

6. Око 10 mL филтрата ставите у епрувету и пажљиво (низ зидове суда) додајте 5 mL алкохола, тако да се слој алкохола одвоји од водене фазе.

7. После неколико минута требало би да буду видљиве беле нити ДНК. Покушајте да те нити намотате на стаклени штапић.

Тумачење огледа. – Детергент за судове се додаје да раствори фосфолипидне мем­ бране, што омогућава ослобађање молекула ДНК из ћелија. Задатак кухињске соли је да неутралише наелектрисање киселих фосфата у молекулу ДНК, тако да полинуклеоти­ дни ланци (�елови појединачних молекула ДНК) могу да се групишу у нити. Температура ће расплести ланце двоструке завојнице ДНК, а сок од ананаса, богат протеазама, ра­ зградиће хистоне око којих је организована ДНК у ћелији.

› Разнолико воће служи за упознавање с принципима изоловања влакана ДНК, наследног материјала у нашем телу.

192 Практикум – огледи са биолошки важним једињењима

5.5. ОГЛЕДИ СА СЕКУНДАРНИМ МЕТАБОЛИТИМА БИЉАКА

С

екундарни метаболити органска су једињења мање молекулске масе која непосредно не учес�вују у расту, развићу или размножавању организама у којима настају. Уло­ га и допринос многих таквих молекула у биљном организму нису у потпуности позна­ ти. Неки секундарни метаболити су неопходни за правилан рад организма човека (као витамини), док друге вековима (зло)употребљавамо као лекове, зачине или дроге за уживање.

У наредна два огледа упознаћете: 1. принципе изоловања алкалоида, у природи нај­ заступљенијих секундарних метаболита, на примеру кофеина, једињења јединствених физичко­хемијских карактеристика; 2. оксидационо­редукујућа својства аскорбинске киселине.1

5.5.1. Изоловање кофеина из листова зеленог чаја Зелени чај је изузетно богат корисним састојцима. Најважнији су флавоноли, кофе­ ин, фенолне киселине, непротеинска амино­киселина теанин, ароматична једињења, витамини (В групе, С и Е) и минерали (K, Ca, P и Mg). После кафе, зелени чај је најко­ ришћеније пиће богато кофеином. Једна шоља зеленог чаја садржи 50–100 mg кофеина. Доказано је да је развој малигних болести и инфекција мањи код људи који свакога дана пију зелени чај. Зелени чај не би требало да користе особе које пате од алергија, анемије и хроничне несанице. Препоручена дневна доза је три шољице зеленог чаја; прекомерно уношење може да изазове здравствене проблеме.

Припремите: суве листиће зеленог чаја, калцијум­карбонат (CaCO3), хлороформ (CHCl3) или метилен­хлорид (CH2Cl2), 96%­ни етанол, балоне од 100 mL и 250 mL, сталак са хва­ таљком, мензуру, пламеник, Бихнеров левак, левак за одвајање, рефлукс кондензатор, апаратуру за дестилацију, филтер­папир, маказе и вагу. Извођење огледа

1. У балону од 250 mL одмерите 6 g зеленог чаја, 5 g CaCO3 и 60 mL воде. Загревајте пламеником ову смешу, уз рефлукс кондензатор, око 20 минута.

2. Профилтрирајте врућ раствор преко Бихнеровог левка.

3. Филтрат охладите на собну температуру, пребаците у левак за одвајање и екстра­ хујте садржај три пута са по 15 mL органског растварача (метилен­хлорид или хлороформ).

1

Лајнус Полинг (Linus Pauling), један од најчувенијих научника 20. века, сматрао је да би одрастао човек требало да узима најмање 3 g аскорбинске киселине (витамина С) свакога дана. Полинг је двоструки добитник Нобелове награде: за хемију 1954. (за радове о природи хемијских веза) и за мир 1962. (залагао се за забрану нуклеарних проба).

ХЕМИЈА 4 193

4. Пребаците органске слојеве у претходно одмерен балон од 100 mL. Уклоните органски ра­ стварач дестилацијом, па упарите садржај до сува помоћу аспиратора (водене сисаљке).

5. Поново измерите балон и израчунајте масу сировог кофеина. Прекристализацију кофеина урадите из етанола.

Тумачење огледа. – Кофеин је алкалоид који се раствара у води, за разлику од целу­ лозе, калцијумових соли танина и галне киселине, других главних састојака чаја. Из во­ деног екстракта, готово чисти кофеин се издваја метилен­хлоридом или хлороформом.

Напомена. – Екстракцију хлороформом урадите благо (без снажног мућкања), да не бисте добили емулзију која се у левку за одвајање не раздваја у слојеве.

5.5.2. Испитивање хемијских својстава аскорбинске киселине

L­аскорбинска киселина (витамин С) безбојна је кристална супстанца одлично растворна у води (330 g/L на 25°C). Стабилна је на ниским температурама, али своју би­ олошку активност губи већ на 60°C. Таблете витамина С купују се у апотеци. Аскорбин­ ска киселина у нашем телу делује као снажан антиоксиданс (редукујуће средство), што ћете и сами да утврдите у овом огледу.

Припремите: четири епрувете, сталак за епрувете, капалицу или пластичну Пастеро­ ву пипету, 2%­ни витамин С, 2%­ни гвожђе(III)­хлорид (FeCl3), 2%­ни сребро­нитрат (AgNO3), Фелингов реагенс (из огледа 5.1.2), 2%­ни калијум­перманганат (KMnО4) и во­ дено купатило. Извођење огледа 1. У четири епрувете одмерите по 4 mL раствора витамина С.

2. У прву епрувету додајте пар капи раствора KMnO4: нестаје љубичаста боја перманганата.

3. У другу епрувету додајте пар капи раствора FeCl3: нестаје жута боја ове соли гвожђа.

4. У трећу епрувету додајте 1 mL Фелинговог реагенса: јавља се жути талог бакар(I)­хидрок­ сида (CuOH). Загревајте ову смешу и посматрајте: жута боја прелази у црвену.

5. У четврту епрувету додајте 1 mL раствора AgNO3. Загревајте добијену смешу на воденом купатилу: на зидовима епрувете издваја се елементарно сребро. Тумачење резултата огледа. – Аскорбинска киселина јако је редукујуће средство, које се у редокс­реакцијама оксидује у дехидроаскорбинску киселину. У првој епрувети последицa je губитак боје, услед редукције MnO4– јона у Mn2+; у другој аскорбинска кисе­ лина редукује Fe3+ (фери) у Fe2+ (феро) јоне. Црвена боја у Фелинговом тесту резултат је настајања бакар(I)­оксида (Cu2О). Аскорбинска киселина редукује и јоне сребра (четврта епрувета), тако да настаје „сребрно огледало” (оглед 5.1.1). Напомена. – Моћна антиоксидативна активност витамина С потиче од његових ре­ дукционих својстава; он „чисти” биолошке системе од оксидујућих слободних радикала и других штетних хемијских врста пореклом од молекулског кисеоника.

194 Практикум – огледи са биолошки важним једињењима

У ФОКУСУ. – Значај огледа у настави хемије Хемијска знања су небројено пута употребљена на штету човечанства. Швеђанин Алфред Нобел (Аlfred Bernhard Nobel) тестаментом је оставио готово све своје огромно богатство у фонд за доделу награда за изванредна достиг­ нућа из пет области (физике, хемије, медицине, књижевно­ сти и мира)2, с намером да надомести зло учињено динами­ том који је изумео. Данас је Нобелова награда најугледније признање у свету науке. Велики број природних и вештачких супстанци је и у ма­ лим количинама изузетно опасан по здравље човека, других живих система, као и за животну средину. Многи (био)хе­ мијски концепти и феномени су изузетно сложени и ап­ страктни, што отежава њихово разумевање. Практичан рад у школским лабораторијама зато је не само пожељан већ и не­ опходан за олакшавање обраде и усвајања програмских садржаја не само хемије већ свих експерименталних наука – учење с разумевањем.

› Медаља коју добија сваки лауреат Нобелове награде. Пре 1980. године, медаља Нобелове награде била је искована од 23-каратног злата; новије су направљене од 18-каратног зеленог злата, пресвученим 24-каратним златом.

2

Извођење огледа требало би да помогне и да ученици (додатно) заволе хемију и да у слободно време и сами поста­ ну „мали хемичари”. Садржаји обрађени у овом делу уџбени­ ка посебно су погодни за остваривање те намере, с обзиром на то да је полазни материјал за огледе свима добро познат из свакодневног живота. Отуда и назив „кућна хемија” (енгл.

Kitchen chemistry) за једноставне, шарене и забавне огледе које свако са основним хемијским знањима може да уради.

Од 1969. додељује се и Нобелова награда за економију. Управни одбор Нобелове фондације тада је одлучио да увођење додатних награда неће бити дозвољено.

ХЕМИЈА 4 195

Огледи за радознале и оне који желе да знају више У договору с предметним наставником, сами осмислите шта вам је све потребно (хемикалије и прибор за рад) да изведете два наведена додатна огледа са шећерима.

1. Молишева проба за угљене хидрате Названа по аустријском ботаничару Хансу Молишу (Hans Molisch), Молишева проба је осетљив хемијски тест на присуство угљених хидрата (већих од тетроза) у испитиваном узорку. Принцип реакције. − Молишев реагенс дехидрира пентозе до фурфурала, а хексозе до 5-хидроксиметил-фурфурала. Фурфурали (алдехиди) у реакцији са α-нафтолом (присутним у тест реагенсу) дају производ љубичасте боје. Протокол. − 2 mL узорка (1%-ни раствор шећера по избору) одмерите у епрувети или кивети. Додајте две капи Молишевог реагенса (5%-ни раствор α-нафтола у 95%-ном етанолу). У добијени раствор, низ зид епрувете, у капима додајте 2 mL концентроване сумпорне киселине (опрез!). Позитивни резултат: настајање љубичастог производа на додирној површини два слоја доказ је присуства угљених хидрата у анализираном узорку.

› Негативни (лево) и позитивни (десно) резултат Молишевог теста за угљене хидрате

Напомена. − Моносахариди брзо дају позитиван тест; дисахариди и полисахариди реагују спорије. Позитивну реакцију дају и нуклеинске киселине и гликопротеини (зашто?).

2. Ниландерова проба за угљене хидрате Ова варијанта тестa за редукујуће шећере користи Ниландеров (Nylander) реагенс: базни раствор бизмут-нитрата. Овај тест се још увек користи у медицини за откривање присуства глукозе у урину (урин здравих особа не садржи глукозу!). Принцип реакције. − У алкалној средини, у присуству шећера хексоза, бизмут(III)-јони редукују се до елементарног бизмута. Протокол. − У епрувету сипајте 3 mL 5%-ног раствора глукозе. У овај раствор додајте 1 mL 5%-ног раствора натријум-хидроксида и мало (на врх шпатуле или кашичице) бизмут(III)-нитрата. Промешајте садржај и пажљиво загревајте епрувету у пламену шпиритусне лампе, или 10 минута у воденом купатилу на око 90°C. Позитивни резултат: образовање црног талога металног бизмута у епрувети доказ je да анализирани узорак садржи редукујуће шећере.

› Позитиван резултат Ниландеровог теста (црни талог елементарног бизмута)

РЕШЕЊА ЗАДАТАКА У овом одељку налазе се решења проблемских и рачунских задатака из прве четири целине уџбеника Хемија, датих у оквиру делова „Питања и задаци за утврђивање и проверу знања”. У тражењу одговора на постављена питања и решења елементарних задатака ученици се упућују на одговарајуће делове текста уџбеника.

1. УВОД У ХЕМИЈУ ЖИВОТА Задатак 3 (страна 39)

хистамин

мокраћна киселина

2. МАКРОМОЛЕКУЛИ ЖИВОТА 2.0. УВОДНА ЗНАЊА Задатак 5 (страна 48)

енантиомери

дијастереомери (мезо-једињења)

Задатак 7 (страна 48)

(а)

(б)

(в)

Задатак 8 (страна 48) Енантиомери окрећу раван поларизоване светлости једнако (иста апсолутна вредност), али у супротним смеровима. Према томе, угао окретања светлости за једињење Б био би 60°. Смеша једнаких количина А и Б не би била оптички активна (0°), јер долази до међусобног поништавања утицаја на поларизовану светлост.

ХЕМИЈА 4 197

2.1. УГЉЕНИ ХИДРАТИ Задатак 2 (страна 66) (A) D-кетотетроза; (Б) D-алдопентоза; (В) L-алдотетроза; (Г) D-кетопентоза. Према томе, сви ови молекули су (редукујући) моносахариди. Задатак 3 (страна 66) Структуре A и Б су енантиомери пошто је конфигурација у сваком хиралном центру у Б супротна од одговарајућих центара у А. Структуре А и В су дијастереомери. Оба молекула су D-моносахариди који се разликују само по конфигурацији на C-2, зато су и епимери. Задатак 4 (страна 66)

хирални молекул

два ахирална (мезо) молекула

хирални молекул

Задатак 5 (страна 67)

L-арабиноза

C-3 епимер D-рибулозе

Задатак 6 (страна 67) Молекул је фуранозни облик моносахарида јер има четири атома угљеника и један атом кисеоника у петочланом прстену. Атом угљеника десно у прстену је ацетални центар јер су за њега, уз један атом водоника, везане две –OR групе. Ацетал je α конфигурацијe, а етанол је алкохол искоришћен за формирање ацетала. Рибоза је (на основу распореда –OH групa) угљенохидратна компонента једињења. Назив овог молекула је етил α-D-рибофуранозид. Задатак 7 (страна 67)

α-D-галактопираноза

β-D-манопираноза

ацетални центар (аномерни угљеник)

198 Решења задатака

Задатак 8 (страна 67)

C-2 епимер L-еритрозе L-галактоза

Задатак 9 (страна 67) Молекул D-глукозе садржи 16 могућих стереоизомера (24), а молекул 2-дезокси-D-глукозе 8 (23); 3 или 4 је број стереоцентара у молекулу. Задатак 10 (страна 67) Дихидроксиацетон и D-глицералдехид су структурни изомери, с обзиром на то да имају исту молекулску формулу (C3H6О3). Задатак 12 (страна 67)

сахароза β-целобиоза

Задатак 14 (страна 67) Једињење А. Мутаротацију показују шећери са слободном хидроксилном групом на аномерном атому угљеника. Задатак 15 (страна 67) Алдарна киселина добијена из D-еритрозе има раван симетрије у молекулу (слика десно) и зато је она оптички неактивно једињење. Задатак 16 (страна 67) У реакцији редукције шећера кетозе настаје нови хирални центар, што доводи до формирања два изомерна алкохола који су дијастереомери и епимери. Производи редукције D-фруктозе са NaBH4 јесу D-манитол и D-сорбитол (C-2 епимери). Задатак 17 (страна 67) Угљенохидратни производ хидролизе салицина јесте молекул D-глукозе.

ХЕМИЈА 4 199

Задатак 18 (страна 67)

4-О-β-D-гликозид

2.2. ЛИПИДИ Задатак 4 (страна 83) Молекули са слике су следеће полинезасићене масне киселине: ω-3 еикозапентаеноинска киселина (EPA), ω-3 докозапентаенска киселина (DPA) и ω-6 линолна киселина (LA).

Задатак 7 (страна 84)

олеинска киселина (у присуству катализатора)

стеаринска киселина

Задатак 8 (страна 84) Стеаринска киселина је октадеканска киселина; линолна киселина је cis-9-cis-12-октадекадиенска киселина.

200 Решења задатака

2.3. АМИНО-КИСЕЛИНЕ И ПРОТЕИНИ Задатак 1 (страна 107) Изолеуцин и треонин су две протеинске амино-киселине које у бочном остатку садрже хирални центар. Задатак 2 (страна 107) Према IUPAC номенклатури аланин је 2-амино-пропанска киселина, фенилаланин је 2-амино-3-фенилпропанска киселина, а лизин је 2,6-диамино-хексанска киселина. Задатак 3 (страна 107) MILAN = Met–Ile–Leu–Ala–Asn. IVAN = Ile–Val–Ala–Asn Задатак 4 (страна 107)

L-цистеин

D-цистеин

Задатак 5 (страна 107)

Задатак 6 (страна 107) Глутатион je молекул састављен од глутаминске киселине, цистеина и глицина. Он има необичну структуру, у којој карбоксилна група из бочног ланца глутаминске киселине образује пептидну везу са α-аминогрупом из цистеина (γ-Gly-Cys-Gly). Задатак 7 (страна 107)

Назив овог тетрапептида је: глицил–глутамил–аланил–цистеин.

ХЕМИЈА 4 201

2.4. НУКЛЕИНСКЕ КИСЕЛИНЕ Задатак 4 (страна 122)

Задатак 5 (страна 122) а) 3’ ...TCGGTGAAG... 5’; б) 3’ ...CTAATGT... 5’ Задатак 9 (страна 122) AUGUAUCUUAGGCCAUUCGAUUAG = Met–Tyr–Leu–Arg–Pro–Phe–Asp 3. ОСНОВИ ЕНЕРГЕТСКОГ МЕТАБОЛИЗМА Задатак 4 (страна 147) У процесу гликолизе долази до превођења алдехидне групе глукозе (тачније глицералдехид-3-фосфата) у карбоксилну групу пирувата – реакција оксидације.

пирогрожђана киселина

D-глукоза

Задатак 6 (страна 147)

(изоалоксазин)

рибитол рибофлавин

202 Решења задатака

Задатак 7 (страна 147) пантотенска киселина

β­меткаптоетиламин (β­тиоетиламин)

Задатак 8 (страна 147)

4. СЕКУНДАРНИ МЕТАБОЛИТИ ЖИВИХ СИСТЕМА 4.1. АЛКАЛОИДИ Задатак 4 (страна 156)

ХЕМИЈА 4 203

ЛИТЕРАТУРА • •

• •

• •

• • •

• • • •

David Nelson, Michael Cox (2021) Lehninger Principles of Biochemistry. W. H. Freeman.

Donald Voet, Judith G. Voet, Charlotte W. Pratt (2016) Fundamentals of Biochemistry: Life at the Molecular Level. John Wiley & Sons.

Jan Koolman, Klaus­Heinrich Röhm (2012) Color Atlas of Biochemistry. Thieme.

John T. Moore, Richard H. Langley (2022). Biochemistry For Dummies. John Wiley & Sons.

Kevin Ahern (2019). Biochemistry and Molecular Biology: How Life Works. The Teaching Company.

Lubert Stryer, Jeremy M. Berg, John L. Tymoczko, Gregory J. Gatto Jr. (2019) Biochemistry.

W.H. Freeman.

Shinji Funayama, Geoffrey A. Cordell (2015) Alkaloids: A Treasury of Poisons and Medicines. Academic Press. Весна Никетић (1995) Принци�и с�рук�уре и ак�ивнос�и �ро�еина. Хемијски фа­ култет Универзитета у Београду.

Весна Никетић (2007) Упу�с�ва за вежбе из Биохемије за с�у�ен�е хемије смера ис�раживање и развој (ин�ерна скри��а). Хемијски факултет Универзитета у Београду.

Весна Никетић, Милан Николић (2008) У�у�с�ва за вежбе из Биохемије �ро�еина и нуклеинских киселина (ин�ерна скри��а). Хемијски факултет Универзитета у Београду. Живорад Чековић и сарадници (2001) Хемијска чи�анка. Завод за уџбенике и на­ ставна средства, Београд.

Јелена Петровић, Радомир Црквењаков, Милка Којић, Ана Савић (1985) Биохемија и молекуларна биоло�ија - са �рак�икумом (за IV разре� усмерено� образовања). Научна књига, Београд.

Јован Вучетић (1985) Микробиолошке син�езе ан�ибио�ика. Kњижевно издавач­ ка задруга Центар, Београд.

•

Јован Вучетић, Гордана Гојгић­Цвијовић, Снежана Спасић (2002) Ви�амини молекули з�равља. Веларта.

•

Ратко М. Јанков, Наталија Половић, Тања Ћирковић Величковић (2006) Прак�икум - Хемија �риро�них �роизво�а, Хемијски факултет Универзитета у Београду.

•

Ратко М. Јанков, Иван Јуранић, Марјетка Kидрич (1988) Хемија са биохемијом (за IV разре� усмерено� образовања за з�равс�вену с�руку). Научна књига, Београд.

др Милан Николић • др Иван Николић ХЕМИЈА за четврти разред гимназије општи тип и природно-математички смер Прво издање, 2024. година Издавач ЗАВОД ЗА УЏБЕНИКЕ Београд, Обилићев венац 5 www.zavod.co.rs Лектор Ирена Канкараш Ликовни уредник Бранислав Николић Графички уредник Зорана Марић Коректор Ковиљка Жугић Фотографије Shutterstock Архива Завода за уџбенике и аутора Обим: 25 ½ штампарских табака Формат: 20,5 × 26,5 cm Тираж: 2.500 примерака Рукопис предат у штампу новембра 2024. године Штампање завршено новембра 2024. године Штампа Дунав, Београд

KB 24183 www.zavod.co.rs

8 600262

066343