Aminosavak, peptidek, fehérjék

Aminosavak Az emberi szervezet fehérjéi gyakorlatilag 20 L,-aminosavból képződnek. A variációs lehetőségek és a változatos molekulatömegek bőven elégségesek a természetben előforduló 1012 fehérjeféleség megvalósulásához.

Szerkezetük aminocsoport (a prolin kivételével) karboxilcsoport R- oldalláncban különböznek egymástól (→eltérő a méretük, töltésük, fizikokémiai tulajdonságaik)

R Az aminosavak csoportosítása (-) (+) töltés-nélküli poláros bázikus savas töltés-nélküli poláros apoláros hidrofob R

Néhány aminosav térszerkezete Alanin izoleucin fenilalanin szerin glutamin aszpartát lizin

Az aminosavak elektrokémiai tulajdonságai Neutrális vizes oldatban amino- és karboxilcsoportok ionizált állapotban vannak (ikerion). (a –COOH csoportok disszociációja visszaszorul, az –NH2 csoport protont vesz fel) (a –COOH csoportok disszociációja teljes)

Az aminosavak optikai sajátsága A glicin kivételével aszimmetriás C-atomot tartalmaznak, optikailag aktív molekulák. A fehérjéket L-konfigurációjú aminosavak alkotják. (A szubsztituensek az óramutató járásával ellentétes irányban követik egymást)

Az aminosavak fényelnyelése Az aromás gyűrűt tartalmazó aminosavak (fenil-alanin, tirozin, triptofán) ultraibolya tartományban fényelnyelést mutatnak. A Lambert-Beer törvény szerint a fényelnyelés mértéke alkalmas a koncentráció meghatározására: E (A)= Lg I0/I=  * ℓ =  * c * ℓ

Aminosavak legfontosabb reakciói Legfontosabb a ninhidrin-reakció : → A konjugált kettőskötés- rendszer miatt ibolyáskék színű végtermék keletkezik (kivéve a prolint, mely sárgás színű). A lizin -aminocsoportja ninhidrinnel nem reagál.

A peptidek Az amino- és karboxilcsoport biológiai szempontból legfontosabb reakciója az, hogy vízkilépéssel peptidkötést alakítanak ki. A peptidkötés jellemzői mezoméria (A szén és nitrogén közötti kötés az egyszeres és kétszeres kovalens kötés közötti erősségű)→ a kötés merev → szabad rotáció nem lehetséges. Energetikailag a transz izoméria a kedvezőbb.

Biológiailag fontos, nem fehérjefelépítő aminosavak és származékaik Hidroxi- prolin, hidroxi- lizin – kötőszövet fehérjéiben (kollagén) Posztszintetikusan jönnek létre. -alanin –koA-ban (az aminocsoport a -C atomhoz kapcsolódik) -aminovajsav (GABA) (glutaminszármazék) – neurotranszmitter dopamin (tirozin származék) – neurotranszmitter tiroxin (tirozin származék) – pajzsmirigy jód tartalmú hormonja hisztamin (hisztidin származék) – az allergiás reakciók mediátora

Biológiai jelentőségű peptidek glutation peptidhormonok ACTH (Adrenokortikotrop hormon) parathormon (mellékpajzsmirigy), kalcitonin (pajzsmirigy) -endorfin inzulin

Glutation (Tripeptid, melyben a glutaminsav -aminocsoportja vesz részt a peptidkötésben) A redoxirendszerekben fontos.

Peptidhormonok Az oxitocint (neve:gyors szülés) és vazopresszint a hipotalamusz termeli és a hipofízis hátulsó lebenye tárolja. Az oxitocin simaizomösszehúzó hatású, míg a vazopresszin a vízháztartás szabályozásában játszik fontos szerepet.

ACTH (Adrenokortikotrop hormon) A hipofízis elülső lebenye termeli és a mellékvesekéregre hat. parathormon (mellékpajzsmirigy), kalcitonin (pajzsmirigy) A hipofízis által termelt lipotropin származéka a -endorfin, amely fájdalomcsillapító hatású. Az enkefalinokkal együtt a morfinhoz hasonló a hatásuk. Az inzulin a szénhidrátanyagcsere szabályozásában fontos hormon, melyet a hasnyálmirigy Langerhans-szigetei termelnek.

A fehérjék csoportosítása Biológiai aktivitás alapján Enzimek (pepszin, glükóz-foszfát-izomeráz) Védőfehérjék(immunglobulinok) Transzportfehérjék (hemoglobin, mioglobin, transzferrin (vas szállítás) szérumalbumin(zsírsavak)) Tartalékfehérjék (ovalbumin (tojásfehérje) kazein (tejfehérje) ferritin (vas) gliadin (búza) zein (kukorica) ) Hormonok (inzulin, ACTH) Szerkezeti fehérjék (kollagén, elasztin, keratin) Kontraktilis fehérjék (aktin, miozin) Toxinok (kígyómérgek, diftériatoxin) a sejthártya lipidjeinek bontásával hemolízist idéznek elő.

A fehérjeszerkezet különböző szintjei A. elsődleges (primer) szerkezet B. másodlagos (szekunder) szerkezet C. harmadlagos szerkezet D. negyedleges szerkezet

Elsődleges (primer) szerkezet Az elsődleges (primer) szerkezetet az aminosavak kapcsolódási sorrendje határozza meg, de következtetni lehet belőle a további szerkezeti szintekre. Az inzulin volt az első fehérje, amelynek az aminosavszekvenciája ismertté vált (Sanger) Két polipeptidláncból áll: A-lánc 21, B-lánc 30 aminosavat tartalmaz. A két láncot két diszulfid híd kapcsolja össze, és az A-láncban található még egy diszulfid híd. Inaktív előalakban termelődik (proinzulin), és a lánc közepéről egy kb. 30 tagú polipeptidrészlet kihasadásával jön létre. A proinzulinnak is van egy előfutára, a pre-proinzulin, mely egy 19 aminosavból álló szignál-peptidet tartalmaz az N-terminális végen.

Az elsődleges szerkezet alapvető jelentőségét bizonyítja a sarlósejtes anémia, mely Afrika közép-nyugati részén fordul elő. A betegségben szenvedők vörösvértestjei sarló alakúak. A vörösvértestekben a hemoglobin kristályosodásra hajlamos, melynek következtében az oxigénszállító funkció csökken. A sarló alakú vörösvértestek aggregálódnak és trombotikus tüneteket okoznak. A két hemoglobin két -lánca mindössze egyetlen aminosavban különbözik. A normális hemoglobinban (HLA) levő glutaminsav (savas aminosav) helyett valin (neutrális aminosav) található, aminek következtében a HbS oldékonysága csökken.

Az azonos funkciót betöltő fehérjékben levő aminosav-sorrendből a rokonságra is lehet következtetni. (Pl. citokróm-c törzsfa) Megállapították, hogy az aminosavcserék száma és a fajok fejlődésében mutatkozó fejlődéstörténeti, időbeli távolság között egyenes arányosság van. • •

A fehérjék másodlagos szerkezete (szekunder struktúra) Röntgendiffrakciós vizsgálatok azt mutatják, hogy a fehérjékben periodikusan rendezett szerkezetek találhatók. Ennek két fajtája az -hélix és a -redőzött lemez. Egy fehérjében nemcsak -hélix vagy -redő fordulhat elő, hanem ezek más szabályos (-turn(görbület)) vagy szabálytalan struktúrákkal (random coil) keveredhetnek.

Az -hélix Az -hélix úgy alakul ki, hogy a peptidsíkok a N-C-C=0 -kötések, mint tengelyek körül olyan szöggel fordulnak el, hogy egy hidrogénkötések által stabilizált helikális alakzat jön létre. A hidrogénkötések két, egymástól 4 peptidkötés-távolságra lévő amid N-atomja és a karbonil oxigén atomja között alakulnak ki. • A hidrogénhidak a hélix hossztengelyével majdnem párhuzamosak. Egy csavarmenet magassága 0,54 nm, mely 3,6 aminosavrészt alkot és a csavar jobb menetes (az óramutató járásával megegyező). Az R oldalláncok a hélix külső felszínén helyezkednek el. Néhány aminosav (pl. prolin) nem hélixképző.

-redőzött lemez -redőzött lemezben (-pleated sheet) az egymást követő peptidsíkok kinyújtott, ún. cikkcakk szerkezetet alakítanak ki. A peptidkötések úgy kerülnek közel egymáshoz, hogy két polipeptidlánc egymás mellett helyezkedik el, vagy egy polipeptidlánc különböző szakaszai kerülnek egymás közelségébe. /paralel- antiparalel/ A hidrogénhidak a hossztengelyre merőlegesen helyezkednek el. A glutaminsav megtöri a -szerkezetet. Animáció (-redő)

A fehérjék harmadlagos szerkezete A szekunder szerkezeti egységeket is tartalmazó polipeptidláncban további kölcsönhatások révén egymástól távol eső aminosavak egymáshoz közel kerülhetnek→ 3 dimenziós, globuláris formát alakíthatnak ki. A fehérjék ezen három dimenziós, specifikus funkcióra alkalmas alakját natív konformációnak nevezzük. A szerkezet stabilizálásában a következő nem kovalens kötések vesznek részt: 1. Hidrogénkötések 2. Elektrosztatikus kötések (ionos kötések, sókötés, sóhíd) 3. Apoláros kölcsönhatások Ezeket kiegészíti még egy kovalens kötés (diszulfidhidak).

A fehérjék a hidroxil-, amino-, karboxil csoportjaik révén nagy mennyiségű vizet képesek megkötni hidrogénkötések kialakításával. Vizes fázisban a fehérjék nagy része globuláris formába tekeredik fel (folding), a poláros oldalláncok befelé orientálódnak. A fehérjék ionos karaktere (+ és – töltések száma) pH függő. Amikor a + és – töltések száma megegyezik, a hidrátburok szétesik, a fehérje oldékonysága minimumra csökken. Azt a pH értéket, ahol ez bekövetkezik izoelektromos pontnak nevezzük (IP). Egy láncból felépülő fehérjén belül különböző funkciókat ellátó nagyobb struktúrelemek (domének) képződhetnek.

A fehérjék negyedleges szerkezete (kvaterner struktúra) Több globuláris fehérje kapcsolódik össze /dimer, tetramer, stb./ → alegységek („subunit”) Ha azonos szerkezetű fehérjék kapcsolódnak össze homomernek, ha különböző szerkezetűek, heteromernek nevezzük. Animáció

Röntgendiffrakciós vizsgálattal először a mioglobin térszerkezetét J.C. Kendrew állapította meg. Moltömege 16.900, mely kb. 1 hemoglobin alegységnek felel meg, 152 aminosavat tartalmaz. A hemoglobin 4 alegységből áll (tetramer): a 2 (1, 2) alegység 141, a 2 (1 , 2) alegység 146 aminosavból épül fel.

Felépítésük: HEM (4 pirrol gyűrűből álló porfirinváz) melynek közepén Fe van. A vas négy koordinációs kötéssel a pirrol gyűrűhöz, kettővel a globin 1-1 hisztidil- oldallánchoz kötődik. (E7 és F8) →Lehetővé teszi, hogy a vas két vegyértékű (Fe2+) állapotban maradjon. Az egyik His a proximális (F8 helyzetű), másik a disztális His (E7 helyzetű). Az előzővel a Fe szoros, utóbbival laza kapcsolatot alakít ki.

Az O2 kötődéskor a Tyr oldallánc elmozdul és a Fe behúzódik a hem síkjába

A mioglobin és hemoglobin oxigén telítési görbéje. A mioglobin már alacsony O2 nyomáson képes az O2-t felvenni → telítési görbéje hiperbola. /csak egy alegységből áll/ A hemoglobin O2 telítési görbéje szigmoid (S alakú). /4 alegységből áll, és az alegységek között pozitív kooperativitás van: Az első alegység térszerkezete az O2 kötés után megváltozik, ez kedvez a második alegység O2 megkötésének/