Skripta_strukturni_biochemie

gurace a konformace hraj´ı d˚uleˇzitou roli v rozd´ılech ch´ap´an´ı pojmu urˇcen´ı struktury v kontextu
mal´ych a velk´ych molekul. Pokud izolujeme z pˇr´ırodn´ıho zdroje nˇejakou n´ızkomolekul´arn´ı l´atku (tedy
l´atku, jej´ıˇz molekuly se skl´adaj´ı z des´ıtek atom˚u), napˇr´ıklad antibiotikum, mus´ıme pˇredevˇs´ım urˇcit
konfiguraci t´eto l´atky. Urˇcov´an´ı konformace je v takov´em pˇr´ıpadˇe okrajov´a z´aleˇzitost. U mal´ych mole-
kul, jako je kyselina m´aseln´a, jsou rotace kolem vazeb tak snadn´e a rychl´e, ˇze nem´a vˇetˇsinou smyslu
o jednotliv´ych konformerech mluvit. Sloˇzitˇejˇs´ı molekuly se sice vyskytuj´ı v jedn´e ˇci v´ıce z nˇekolika
jasnˇe definovan´ych konformac´ı, urˇcen´ı tˇechto konformac´ı ale st´ale pˇredstavuje jednoduˇsˇs´ı ˇc´ast urˇcov´an´ı
struktury. Urˇcov´an´ım struktury mal´ych molekul se tedy mysl´ı pˇredevˇs´ım urˇcov´an´ı konfigurace.
Situace je zcela odliˇsn´a, pokud izolujeme z pˇr´ırodn´ıho zdroje makromolekulu, napˇr´ıklad protein.
Biomakromolekuly se skl´adaj´ı z nˇekolika m´alo druh˚u monomern´ıch jednotek, jejichˇz konfigurace je
dobˇre zn´am´a. Staˇc´ı tedy urˇcit poˇrad´ı (sekvenci) tˇechto stavebn´ıch jednotek, a budeme zn´at konfiguraci
cel´e makromolekuly. Urˇcov´an´ı sekvence je dnes pomˇernˇe snadn´e, zvl´aˇst’ u nukleov´ych kyselin a protein˚u.
U velk´ych molekul je ale velmi d˚uleˇzit´e urˇcit konformaci. Ot´aˇcen´ı kolem nˇekter´ych vazeb je totiˇz velmi
zt´ıˇzeno, ba t´emˇeˇr znemoˇznˇeno, zbytkem makromolekuly. K tomu, abychom z´ıskali pˇredstavu o tvaru
molekuly, mus´ıme zjistit, v kter´e konformaci jsou uvˇeznˇeny ty vazby, kolem kter´ych nem˚uˇzeme ot´aˇcet.
Urˇcov´an´ım struktury biomakromolekul se proto mysl´ı pˇredevˇs´ım urˇcov´an´ı konformace. A to je ´ukol
obt´ıˇzn´y.
1.1.2 Geometrick´y popis molekul
Z matematick´eho pohledu k urˇcen´ı propojen´ı atom˚u staˇc´ı zn´at topologii4 molekuly, zat´ımco urˇcen´ı kon-
formace vyˇzaduje znalost pˇresn´e geometrie. Pokud jsme si v pˇredchoz´ım odstavci ˇrekli, ˇze urˇcov´an´ı
struktury biomakromolekul je vlastnˇe popis jejich konformace, mus´ıme se nejprve sezn´amit s geomet-
rick´ym popisem molekul.
Geometrie n´am umoˇzˇnuje vytvoˇrit zjednoduˇsen´y obraz molekul, tedy jejich model (zde slovo ,,model“
znamen´a opravdu to, co si pod n´ım zpravidla pˇredstav´ıme). Pro potˇreby strukturn´ı biochemie vetˇsinou
staˇc´ı povaˇzovat atomy za body v prostoru a chemick´e vazby za ´useˇcky, kter´e body spojuj´ı. Uvˇedomme
si, ˇze k vytvoˇren´ı modelu nestaˇc´ı zn´at pouze polohy vˇsech atom˚u, ale mus´ıme tak´e vˇedˇet, mezi kter´ymi
atomy je kovalentn´ı vazba (mus´ıme urˇcit topologii molekuly).
Polohu atom˚u v prostoru m˚uˇzeme urˇcit nˇekolika zp˚usoby. Prvn´ım zp˚usobem, kter´y n´as asi napadne,
je udat souˇradnice x, y, z kaˇzd´eho atomu v obvykl´e kart´ezsk´e souˇradn´e soustavˇe5 (obr´azek 1.1). Tento
zp˚usob pouˇz´ıv´a napˇr´ıklad datab´aze struktur PDB (Protein Data Bank), jak ukazuje pˇr´ıklad na obr´azku
1.2. Pro popis modelu molekuly, kter´a je tvoˇrena N atomy, potˇrebujeme 3N souˇradnic.
V´yhoda kart´ezsk´ych souˇradnic je v tom, ˇze je m˚uˇzeme pˇr´ımo a jednoduˇse pouˇz´ıt k zobrazen´ı modelu
molekuly. Kart´ezsk´e souˇradnice maj´ı ale tak´e sv´e nev´yhody. Pˇredstavme si, ˇze molekulu definovanou na
obr´azku 1.2 otoˇc´ıme o 90◦ kolem osy x. Polohy atom˚u pak budou ud´any souˇradnicemi uveden´ymi na
obr´azku 1.3. Jak je vidˇet, hodnoty dvou souˇradnic kaˇzd´eho atomu se podstatnˇe zmˇenily – pˇritom jde
st´ale o tut´eˇz molekulu vody, kter´a m´a naprosto stejn´y tvar. Proto se ˇcasto polohy atom˚u ud´avaj´ı jin´ym
zp˚usobem. Pro molekulu skl´adaj´ıc´ı se z N atom˚u opˇet potˇrebujeme 3N ´udaj˚u. Z tˇechto 3N hodnot
budou tˇri ud´avat polohu tˇeˇziˇstˇe molekuly, dalˇs´ı tˇri natoˇcen´ı molekuly jako celku vzhledem k souˇradn´e
4 Topologie popisuje vlastnosti geometrick´ych ´utvar˚u, kter´e se nemˇen´ı, kdyˇz geometrick´y ´utvar vystav´ıme pruˇzn´e defor-
maci (nataˇzen´ı nebo zkroucen´ı), kter´a je homeomorfn´ı (kaˇzd´emu bodu ´utvaru pˇred deformac´ı odpov´ıd´a jeden bod ´utvaru
po deformaci). Zjednoduˇsenˇe ˇreˇceno, topologie popisuje kvalitativn´ı vlastnosti, zat´ımco geometrie ud´av´a kvantitativn´ı
m´ıry. Obl´ıben´ym pˇr´ıkladem rozd´ılu mezi topologi´ı a geometri´ı je probl´em lajnov´an´ı tenisov´eho hˇriˇstˇe. Topologie n´am
pom˚uˇze vyˇreˇsit ot´azku, jestli lze hˇriˇstˇe nalajnovat jedn´ım tahem, a pokud ne, kolikr´at budeme muset lajnovaˇcku pˇren´est.
Geometrie n´am ˇrekne, jak dlouh´e mus´ı jednotliv´e ˇc´ary b´yt a ˇze spolu mus´ı sv´ırat ´uhel 90◦.
5 Soustava souˇradn´a mus´ı b´yt definov´ana tak, jak ukazuje obr´azek 1.1. Kdybychom otoˇcili smˇer jedn´e osy, popisovali
bychom opaˇcn´y enantiomer.
1.1. CHEMICK´A STRUKTURA A GEOMETRIE 5
x
y
z
Obr´azek 1.1: Kart´ezsk´a souˇradn´a soustava. Osa x m´ıˇr´ı k n´am, osa y doprava, osa z nahoru.
ATOM 1 O WAT 0 -0.267 0.269 0.096
ATOM 2 H1 WAT 0 0.021 0.014 -0.781
ATOM 3 H2 WAT 0 0.245 -0.283 0.686
Obr´azek 1.2: Soubor popisuj´ıc´ı polohy atom˚u vody ve form´atu, kter´y pouˇz´ıv´a PDB (souˇradnice jsou
uvedeny v posledn´ıch tˇrech sloupc´ıch v jednotk´ach˚angstr¨om, coˇz je desetina nanometru).
soustavˇe a zb´yvaj´ıc´ı ´udaje (kter´ych je pochopitelnˇe 3N−6) vz´ajemnou polohu atom˚u uvnitˇr molekuly6.
Prvn´ıch ˇsest ´udaj˚u n´as zpravidla nezaj´ım´a, nebot’ se mˇen´ı, jak se molekula pohybuje Brownov´ym po-
hybem. Zaj´ım´a n´as pouze posledn´ıch 3N − 6 ´udaj˚u, kter´e jsou pro danou molekulu stejn´e, at’ uˇz je
jej´ı poloha v souˇradn´e soustavˇe jak´akoli. Tyto ´udaje se proto naz´yvaj´ı vnitˇrn´ı souˇradnice molekuly.
Jako vnitˇrn´ı souˇradnice je zvykem ud´avat vzd´alenosti mezi atomy, kter´e jsou v´az´any kovalentn´ı vazbou
(vazebn´e vzd´alenosti) a ´uhly, kter´e kovalentn´ı vazby sv´ıraj´ı (vazebn´e ´uhly). Model molekuly vody, kter´y
jsme si uvedli jako pˇr´ıklad, je urˇcen dvˇema vazebn´ymi vzd´alenostmi |O–H1| a |O–H2|, kter´e jsou obˇe
rovny 95,7pm a jedn´ım vazebn´ym ´uhlem negationslash H1–O–H2, kter´y je roven 104,5◦.
ATOM 1 O WAT 0 -0.267 -0.096 0.269
ATOM 2 H1 WAT 0 0.021 0.781 -0.014
ATOM 3 H2 WAT 0 0.245 -0.686 -0.283
Obr´azek 1.3: Soubor popisuj´ıc´ı polohy atom˚u molekuly vody, kter´a je otoˇcena o 90◦ vzhledem k molekule
definovan´e v souboru na obr´azku 1.2.
Vazebn´e vzd´alenosti a vazebn´e ´uhly postaˇcuj´ı k popisu tˇr´ıatomov´ych molekul, jejichˇz atomy leˇz´ı v
jedn´e rovinˇe. Co se ale stane, m´a-li molekula atom˚u v´ıce? Zkusme se pod´ıvat na jednoduch´y pˇr´ıklad –
molekulu peroxidu vod´ıku. Tato molekula se skl´ad´a ze ˇctyˇr atom˚u, pro jej´ı popis tedy potˇrebujeme 12
souˇradnic. ˇSest z nich popisuje polohu molekuly jako celku, ty n´as nezaj´ımaj´ı. Z vnitˇrn´ıch souˇradnic
m˚uˇzeme urˇcit tˇri vazebn´e vzd´alenosti, |O1–H1| a |O2–H2|, kter´e jsou dlouh´e 95,0pm a |O1–O2|, kter´a
je dlouh´a 147,5pm. D´ale m˚uˇzeme urˇcit dva vazebn´e ´uhly, negationslash H1–O1–O2 a negationslash O1–O2–H2, oba jsou rovny
6 Uveden´e poˇcty plat´ı pouze pro molekulu, kter´a nen´ı line´arn´ı. Line´arn´ı biomakromolekuly se ovˇsem nevyskytuj´ı, takˇze
se jimi nemus´ıme zab´yvat.
6 KAPITOLA 1. STRUKTURA V CHEMII A BIOCHEMII
94,8◦. Tˇemito pˇeti souˇradnicemi nen´ı jeˇstˇe poloha ˇctyˇr atom˚u peroxidu vod´ıku v prostoru jednoznaˇcnˇe
d´ana, st´ale m˚uˇzeme toˇcit modelem kolem vazby O–O, aniˇz bychom mˇenili vazebn´e ´uhly a vzd´alenosti.
ˇSestou vnitˇrn´ı souˇradnic´ı, kterou mus´ıme urˇcit, je tedy torzn´ı ´uhel (´uhel otoˇcen´ı7 kolem vazby O–O).
Tato posledn´ı souˇradnice je pro definici struktury biomakromolekul nejd˚uleˇzitˇejˇs´ı. Vazebn´e d´elky a
vzd´alenosti jsou totiˇz t´emˇeˇr stejn´e ve vˇsech monomern´ıch jednotk´ach, torzn´ı ´uhly se ale mohou znaˇcnˇe
liˇsit. M˚uˇzeme tedy ˇr´ıci, ˇze konformace biomakromolekul je d´ana hodnotami torzn´ıch ´uhl˚u.
Vazebn´a d´elka jednoznaˇcnˇe popisuje dvojici atom˚u. Protoˇze dvojice bod˚u mus´ı leˇzet v jedn´e pˇr´ımce,
jde z principu o jednorozmˇern´y pˇr´ıpad. Podobnˇe vazebn´y ´uhel popisuje trojici atom˚u, kter´a vˇzdy leˇz´ı v
jedn´e rovinˇe (dvourozmˇern´y pˇr´ıpad). Koneˇcnˇe torzn´ı ´uhel definuje ˇctveˇrici atom˚u a rozˇsiˇruje popis na
trojrozmˇern´y prostor. Protoˇze je naˇs´ım c´ılem postavit trojrozmˇern´y model molekuly, s ˇz´adn´ym dalˇs´ım
typem vnitˇrn´ıch souˇradnic se uˇz nesetk´ame, i kdyˇz budeme d´ale zvˇetˇsovat poˇcet atom˚u.
Stavbu modelu molekuly si tedy m˚uˇzeme popsat n´asleduj´ıc´ım zp˚usobem:
• Polohu prvn´ıho atomu (oznaˇcme si jej A) ud´avaj´ı tˇri souˇradnice, kter´e t´ımto definuj´ı polohu cel´e
molekuly v souˇradn´e soustavˇe. Jsou to souˇradnice vnˇejˇs´ı, kter´e n´as vˇetˇsinou nezaj´ımaj´ı, v pˇr´ıpadˇe
jedin´eho atomu nem´a smysl mluvit o vnitˇrn´ıch souˇradnic´ıch molekuly.
• Polohu druh´eho atomu (B) ud´av´a jedna vnitˇrn´ı souˇradnice, vazebn´a d´elka |A–B|, a dvˇe vnˇejˇs´ı
souˇradnice, kter´e definuj´ı natoˇcen´ı prvn´ı vazby v˚uˇci souˇradn´e soustavˇe.
• Polohu tˇret´ıho atomu (C) ud´avaj´ı dvˇe vnitˇrn´ı souˇradnice, vazebn´a d´elka |B–C| a vazebn´y ´uhel
negationslash A–B–C, a jedna vnˇejˇs´ı souˇradnice, kter´a ud´av´a natoˇcen´ı druh´e vazby v˚uˇci souˇradn´e soustavˇe
(teprve t´ım je definov´ano natoˇcen´ı cel´e molekuly v soustavˇe souˇradnic).
• Polohu ˇctvrt´eho atomu (D) ud´avaj´ı tˇri vnitˇrn´ı souˇradnice. Pokud jej pˇripoj´ıme k atomu C, bude
to vazebn´a d´elka |C–D|, vazebn´y ´uhel negationslash B–C–D8 a torzn´ı ´uhel popisuj´ıc´ı rotaci kolem vazby B–C.
• Polohu vˇsech dalˇs´ıch atom˚u ud´avaj´ı vˇzdy tˇri vnitˇrn´ı souˇradnice, v pˇr´ıpadˇe nevˇetven´eho ˇretˇezce
(line´arn´ıho nebo cyklick´eho) d´elka vazby s pˇredchoz´ım atomem, ´uhel mezi dvˇema pˇredchoz´ımi
vazbami a torzn´ı ´uhel popisuj´ıc´ı rotaci kolem pˇredposledn´ı vazby.
1.1.3 Definice torzn´ıho ´uhlu
Zat´ımco definice vazebn´e d´elky a vazebn´eho ´uhlu jsou asi kaˇzd´emu zˇrejm´e, definice torzn´ıho ´uhlu si
zaslouˇz´ı peˇclivou pozornost. Pro kaˇzdou kovalentn´ı vazbu, kter´a nen´ı koncov´a, definujeme torzn´ı ´uhel
(popisuj´ıc´ı rotaci kolem t´eto vazby) n´asleduj´ıc´ım zp˚usobem:
1. Nalezneme ˇretˇezec atom˚u A–B–C–D, kter´y definuje rotaci kolem vazby B–C. Pokud jsou na atom
B nebo C (nebo oba) nav´az´any v´ıce neˇz dva atomy, urˇc´ıme atomy A a D podle n´asleduj´ıc´ıch
pravidel:
• Je-li vazba B–C souˇc´ast´ı hlavn´ıhoˇretˇezce (p´ateˇre) makromolekuly, zvol´ıme atomy A a D tak,
aby byly tak´e souˇc´ast´ı hlavn´ıho ˇretˇezce (p´ateˇre).
7 Jin´a moˇznost, jak tento ´uhel popsat, je urˇcit ´uhel, kter´y sv´ıraj´ı roviny, ve kter´ych leˇz´ı atomy H1,O1,O2 a O1,O2,H2.
Jako vnitˇrn´ı souˇradnici bychom mohli stejnˇe dobˇre pouˇz´ıt dihedr´aln´ı ´uhel, tedy doslova ´uhel mezi dvˇema stˇenami.
8 Z pouh´eho geometrick´eho popisu poloh atom˚u ale jeˇstˇe nevypl´yv´a, jestli atomy A, B, C, D tvoˇr´ı line´arn´ıˇretˇezec, nebo
uzavˇren´y ˇctyˇrˇclenn´y kruh. Nav´ıc m˚uˇzeme geometricky popsat polohu atom˚u pomoc´ı vzd´alenost´ı mezi atomy, kter´e nejsou
spojeny chemickou vazbou (a podobnˇe tak´e pomoc´ı ´uhl˚u mezi ´useˇckami spojuj´ıc´ımi atomy, kter´e nejsou v´az´any a pomoc´ı
torzn´ıch ´uhl˚u popisuj´ıc´ıch rotaci kolem takov´ych ´useˇcek. Je-li tomu tak, atomy mohou tvoˇrit rozvˇetvenou molekulu nebo
trojˇclenn´y kruh s jedn´ım boˇcn´ım atomem. Pokud jsme si ˇrekli, ˇze k stavbˇe modelu nestaˇc´ı topologie, ale mus´ıme zn´at
geometrii, mus´ıme dodat, ˇze geometrie sama tak´e nedefinuje jednoznaˇcnˇe strukturu a vyˇzaduje tak´e znalost topologie –
tedy schema propojen´ı atom˚u vazbami).
1.1. CHEMICK´A STRUKTURA A GEOMETRIE 7
−90◦
+120◦
+150◦
+sp−sp
+sc
+sc
+ac
+ac
+ap
−sc
−sc
−ac
−ac
−ap
cis
trans±180
◦
−150◦
−120◦
gauche(−)−60◦
−30◦
gauche(+) A
B C
D
A
B
0◦
+30◦
+60◦
+90◦
Obr´azek 1.4: Definice torzn´ıch ´uhl˚u. Atom B je um´ıstˇen ve stˇredu kruhu, atom C je v z´akrytu za n´ım
(vazba B–C je kolm´a na rovinu kruhu). Pr˚umˇet vazby A–B do roviny kruhu je vyznaˇcen. Torzn´ı ´uhel
je definov´an podle toho, do kter´e ˇc´asti kruhu dopadne pr˚umˇet vazby C–D (ˇz´adn´y konkr´etn´ı pˇr´ıklad
vyznaˇcen nen´ı). Na obr´azku jsou uvedeny ˇc´ıseln´e hodnoty i symbolick´a oznaˇcen´ı moˇzn´ych torzn´ıch
´uhl˚u. V prav´e ˇc´asti obr´azku je pohled kolmo na rovinu kruhu. Rovina kruhu je vyznaˇcena ˇc´arkovanˇe,
ˇsipka ukazuje smˇer, kter´ym se d´ıv´ame, kdyˇz definujeme torzn´ı ´uhel.
• Je-li vazba B–C souˇc´ast´ı postrann´ıho ˇretˇezce makromolekuly, zvol´ıme atomy A a D tak, aby
mˇely nejvyˇsˇs´ı prioritu podle pravidel pouˇz´ıvan´ych v organick´e chemii (zaveden´ych Cahnem,
Ingoldem a Prelogem).
2. Um´ıst´ıme molekulu v prostoru tak, aby vazba B–C byla kolm´a na rovinu pap´ıru. Pod´ıv´ame se na
molekulu ve smˇeru vazby B–C (atom B je bl´ıˇze k n´am a atom C je v z´akrytu za n´ım) a prom´ıtneme
vazby A–B a C–D do roviny pap´ıru.
3. Zmˇeˇr´ıme ´uhel mezi pr˚umˇety vazeb A–B a C–D. Hodnoty ´uhlu ud´av´ame v rozsahu od −180◦ do
+180◦, kladn´e hodnoty nab´yv´a torzn´ı ´uhel v pˇr´ıpadˇe, ˇze vazba C–D je pootoˇcena oproti vazbˇe
A–B po smˇeru hodinov´ych ruˇciˇcek (obr´azek 1.4).
Kromˇe ud´an´ı ˇc´ıseln´ych hodnot lze pˇribliˇznou hodnotu torzn´ıho ´uhlu popsat slovnˇe. Pouˇz´ıvaj´ı se
k tomu r˚uzn´a n´azvoslov´ı, kter´a jsou tak´e uk´az´ana na obr´azku 1.4. Prvn´ı z nich zav´ad´ı oznaˇcen´ı pro
nejv´yhodnˇejˇs´ı konformace. Tak jako v pˇr´ıpadˇe dvojn´e vazby C=C jsou v´yraznˇe nejv´yhodnˇejˇs´ı hodnoty
torzn´ıho ´uhlu 0 a +180◦ (izomery cis a trans), v pˇr´ıpadˇe jednoduch´e vazby C–C mezi dvˇema sp3
uhl´ıky jsou nejv´yhodnˇejˇs´ı tˇri torzn´ı ´uhly, kter´e se oznaˇcuj´ı gauche(+) (+60◦), gauche(−) (−60◦) a
trans (180◦).
Druh´e n´azvoslov´ı vych´az´ı z rozdˇelen´ı konformac´ı na dvˇe skupiny. Prvn´ı skupina, oznaˇcovan´a syn,
zahrnuje konformace, ve kter´ych jsou pr˚umˇety vazeb A–B a C–D vz´ajemnˇe pootoˇceny o m´enˇe neˇz 90◦
jedn´ım ˇci druh´ym smˇerem (leˇz´ı tedy ve stejn´e polovinˇe kruhu). Naopak druh´a skupina, oznaˇcovan´a anti,
zahrnuje konformace, ve kter´ych jsou pr˚umˇety vazeb A–B a C–D vz´ajemnˇe pootoˇceny o v´ıce neˇz 90◦
(leˇz´ı tedy ve opaˇcn´e polovinˇe kruhu). Tyto dvˇe skupiny lze kombinovat o ´udaj popisuj´ıc´ı, zda ˇctveˇrice
atom˚u leˇz´ı sp´ıˇse v jedn´e rovinˇe (periplan´arn´ı konformace) nebo ve dvou r˚uzn´ych rovin´ach (klin´aln´ı
konformace). Podle tohoto n´azvoslov´ı tedy hovoˇr´ıme napˇr´ıklad o kladn´em synperiplan´arn´ım ´uhlu (0 aˇz
+30◦, zkratka +sp), nebo o z´aporn´em antiklin´aln´ım ´uhlu (−150 aˇz −90◦, zkratka −ac).
8 KAPITOLA 1. STRUKTURA V CHEMII A BIOCHEMII
1.2 Konformace a energie
1.2.1 Energie a entropie
Naˇs´ım hlavn´ım c´ılem je popsat strukturu (tedy konformaci) biomakromolekul. V´ysledn´y statick´y geo-
metrick´y model je d˚uleˇzit´ym z´akladem pro pochopen´ı dynamiky a funkce biologicky zaj´ımav´ych molekul
na atom´arn´ı ´urovni. V cel´e t´eto kn´ıˇzce se tedy budeme zamˇeˇrovat na popisnou str´anku biochemie.
Hned v ´uvodu bychom si mˇeli zd˚uraznit, ˇze snaha o pochopoen´ı z´akladn´ıch princip˚u stavby molekul
n´as vede k velmi zjednoduˇsen´emu pohledu na molekuly. A nejen n´as, stejn´a zjednoduˇsen´ı pouˇz´ıv´a (a
ˇcasto si to ani neuvˇedomuje) kaˇzd´y chemik, kter´y kresl´ı na pap´ır vzorce a montuje z kuliˇcek a trubiˇcek
modely molekul. Prvn´ım zjednoduˇsen´ım je jiˇz to, ˇze ve vzorc´ıch spojujeme nˇekter´e atomy ˇc´arkami.
ˇR´ık´ame, ˇze mezi tˇemito atomy existuje kovalentn´ı vazba. Chceme zd˚uraznit, ˇze mezi atomy spojen´ymi
ˇc´arkami p˚usob´ı s´ıly, kter´e zasluhuj´ı zvl´aˇstn´ı pozornost. Jenˇze i mezi ostatn´ımi atomy p˚usob´ı s´ıly, a to
s´ıly, kter´e jsou pops´any stejn´ymi fyzik´aln´ımi z´akony. Silov´e p˚usoben´ı mezi atomy, kter´e nejsou spojeny
kovalentn´ı vazbou, m˚uˇze b´yt dodkonce silnˇejˇs´ı neˇz nˇekter´e kovalentn´ı vazby.
V sekci 1.1.1 jsme na kovalentn´ı vazbˇe zaloˇzili rozliˇsov´an´ı mezi konfigurac´ı a konformac´ı. V pˇr´ıprodˇe
ale mezi konfigurac´ı a konformac´ı ˇz´adn´a jasn´a hranice nen´ı – ot´aˇcen´ı kolem nˇekter´e dvojn´e vazby m˚uˇze
b´yt snazˇs´ı, neˇz ot´aˇcen´ı kolem urˇcit´e jednoduch´e vazby. Znamen´a to, ˇze m´ame strukturn´ı vzorce zaloˇzen´e
na konfiguraci a modely zaloˇzen´e na konformaci odhodit jako zbyteˇcn´e a matouc´ı? Urˇcitˇe ne, vzorce a
modely jsou velmi uˇziteˇcn´e pom˚ucky, kter´e pom´ahaj´ı ch´apat z´akladn´ı pravidla a souvislosti v´ystavby
molekul. Mus´ıme si ale uvˇedomit, ˇze pomoc´ı nich m˚uˇzeme z´akladn´ı principy ilustrovat, ne vˇsak fyzik´alnˇe
vysvˇetlit. Proto bychom se mˇeli v ´uvodu zamyslet nad fyzik´aln´ımi z´akony, kter´e stavby molekul urˇcuj´ı.
Tedy nad t´ım, proˇc se zkouman´a molekula vyskytuje v urˇcit´e konformaci.
V´yhodnost konformac´ı lze popsat jedinou veliˇcinou – energi´ı. Energie m´a jednu zvl´aˇstnost, nen´ı
moˇzn´e urˇcit jej´ı absolutn´ı hodnotu. Nem´a proto smysl pt´at se, jak´a je energie urˇcit´e konformace. Vˇzdy
m˚uˇzeme pouze porovn´avat energie r˚uzn´ych konformac´ı mezi sebou.
Molekuly se ani v buˇnk´ach ani ve zkumavce nevyskytuj´ı v jedin´e, energeticky nejv´yhodnˇejˇs´ı kon-
formaci. Energetick´ym popisem soubor˚u molekul v r˚uzn´ych konformac´ıch se zab´yv´a termodynamika.
Termodynamika obvykle popisuje soubor molekul ve stavu, kdy jsou jednotliv´e konformace v rovnov´aze.
Zab´yv´a se celkov´ymi poˇcty molekul v jednotliv´ych konformac´ıch, aniˇz by se starala o to, ˇze kaˇzd´a z
molekul st´ale pˇrech´az´ı z jedn´e konformace do druh´e. Z pohledu termodynamiky je n´aˇs model struk-
tury obr´azkem jedn´e, reprezentativn´ı, nejl´epe nejv´yhodnˇejˇs´ı, konformace z mnoha, ve kter´ych m˚uˇzeme
molekulu nal´ezt.
Zastoupen´ı konformac´ı v souboru molekul nen´ı d´ano jen energetickou v´yhodnost´ı jednotliv´ych kon-
formac´ı. Termodynamicky je tak´e v´yhodn´e m´ıt urˇcitou konformaˇcn´ı pestrost. Tu popisuje termodyna-
mika veliˇcinou entropie9. Veliˇcina, kter´a zahrnuje oba zm´ınˇen´e pˇr´ıspˇevky, energii jednotliv´ych konfor-
mac´ı i jejich pestrost, se naz´yv´a voln´a energie10.
1.2.2 S´ıly p˚usob´ıc´ı v biomakromolekul´ach
Energie souvisej´ıc´ı se strukturou molekul je t´emˇeˇr v´yhradnˇe elektrick´eho p˚uvodu. Z praktick´ych d˚uvod˚u
seˇcastovyjadˇruj´ıjednotliv´epˇr´ıspˇevkykcelkov´eenergii.Ztˇechtopˇr´ıspˇevk˚uzmiˇnmealespoˇnnejd˚uleˇzitˇejˇs´ı.
• Kovalentn´ı vazby urˇcuj´ıkonfiguracimolekuly.Tytovazbypopisuj´ınejv´yhodnˇejˇs´ıprostorov´erozm´ıstˇen´ı
elektron˚u z pohledu jejich vz´ajemn´ych interakc´ı a jejich interakc´ı s j´adry atom˚u. Popis kovalentn´ıch
9 Na rozd´ıl od energie je moˇzn´e urˇcit entropii v absolutn´ıch ˇc´ıslech. Napˇr´ıklad entropie dokonale uspoˇr´adan´ych molekul
je rovna nule.
10 Pouˇz´ıvaj´ı se dvˇe definice voln´e energie. Obˇe zahrnuj´ı entropii stejn´ym zp˚usobem, ale liˇs´ı se v zahrnut´ı pr´ace spojen´e
se zmˇenami objemu do popisu energie. Helmholtzova voln´a energie zahrnuje vnitˇrn´ı energii vyj´adˇrenou za pˇredpokladu,
ˇze se objem, ve kter´em jsou molekuly uzavˇreny, nem˚uˇze mˇenit. Naopak Gibbsova voln´a energie vych´az´ı z pˇredpokladu,
ˇze se objem m˚uˇze neomezenˇe mˇenit tak, aby nedoch´azelo k tlakov´ym zmˇen´am. M´ısto vnitˇrn´ı energie se proto pouˇz´ıv´a
veliˇcina entalpie, do kter´e je zahrnuta i pr´ace spojen´a s objemov´ymi zmˇenami.
1.2. KONFORMACE A ENERGIE 9
vazeb je pomˇernˇe sloˇzit´y, vyˇzaduj´ıc´ı kvantov´y pˇr´ıstup. V´ıce si o kovalentn´ıch vazb´ach ˇrekneme v
kapitole 6.
• Vod´ıkov´e vazby se tvoˇr´ı mezi vod´ıkem v´azan´ym velmi pol´arn´ı vazbou na atom zvan´y donor
(nejˇcastˇeji na kysl´ık, dus´ık, s´ıru) a atomem zvan´ym akceptor, kter´y m˚uˇze poskytnout elektrony
pro vytvoˇren´ı vazby (opˇet nejˇcastˇeji kysl´ık, dus´ık, s´ıra). Vod´ıkov´e vazby se podobaj´ı kovalentn´ım
vazb´am a jejich popis je velmi sloˇzit´y (vyˇzaduj´ıc´ı kvantov´y pˇr´ıstup). Vod´ıkov´e vazby jsou ale
slabˇs´ı neˇz vazby kovalentn´ı a proto se nepovaˇzuj´ı za vazby urˇcuj´ıc´ı konfiguraci. Velmi v´yraznˇe
vˇsak zv´yhodˇnuj´ı urˇcitou konformaci.
• Sterick´e odpuzov´a