A sejtek élete 5. Robotoló törpék és óriások Az aminosavak és fehérjék e csak nézd! Milyen protonátmenetes reakcióra képes egy aminosav? R 2 5.1. A fehérjeépítőaminosavak általános képlete 5.2. A legegyszerűbb aminosav, a glicin modellje R 2 L-forma tükörsík 2 D-forma 5.3. Az aminosavak optikai izomériája R A sejtek és a szervezet legfontosabb anyagai a fehérjék. Feladataik, szerepeik felsorolása igen hosszú lenne, így a teljesség igénye nélkül nézzünk néhányat: sejtépítők, a biokémiai reakciók katalizátorai (enzimek), szállító molekulák, jelző molekulák, immunfehérjék, mozgást biztosító izomfehérjék, membránokban ionáteresztő csatornák, javító molekulák, hozzájuk kötődnek a színanyagok stb. Ez tényleg egy igen hosszú lista, még ha nem is teljes. ogyan képesek ennyi feladat ellátására a fehérjék? A sok szerep azt is jelenti, hogy nem egyformák a molekulák? a pedig nem egyformák, mi bennük a közös? A fehérjék abból a szempontból hasonlítanak a poliszacharidokra, hogy több kisméretű molekula összekapcsolódásával keletkeznek, de míg a poliszacharidokban az építőkövek azonosak (a glükózmolekulák), addig a fehérjékben már az építőkövek sem egyformák. Ez lehet a magyarázata a rendkívüli változatosságnak. Az élő szervezetben betöltött szerepük fontosságát jelzi az is, hogy Berzelius ezeket az anyagokat az elsődleges jelentésű görög eredetű protein szóval nevezte el. Az aminosavak A fehérjék aminosavakból felépülő makromolekulák. Az aminosavak olyan szerves vegyületek, amelyekben karboxilcsoport ( ) és aminocsoport ( 2 ) is található. Aminosavak nemcsak a fehérjékben, hanem pl. az idegi átvivő anyagok között is előfordulhatnak (pl. GABA = g-amino-vajsav). Az élőlények fehérjéinek lebontásakor húszféle aminosavat különböztettek meg egymástól. Ezek közös tulajdonságai a következők: B legalább egy aminocsoport mindegyik molekulában a karboxilcsoportot követő 2. szénatomhoz kapcsolódik; B a savas karboxilcsoport + -iont ad át a bázikus aminocsoportnak, miközben a molekula ikerionná alakul át: 2 R + 3 R (ikerion); B az aminosavak 2. szénatomját amelyik a karbotilcsoport közvetlen szomszédja α-val jelölik, amit a molekulák nevében az aminocsoport helyének megjelölésekor is feltüntetnek (5.1. ábra); B a legegyszerűbb fehérjeépítő aminosav, a glicin (5.2. ábra) kivételével minden molekulában van legalább egy királis szénatom, emiatt jellemzőjük az optikai izoméria (5.3. ábra); B az élőlényekben az aminosavak optikai izomerei közül csak az L-konfigurációjú fordul elő; 30
A fehérjéket felépítő aminosavakat az általános képletben R-rel jelölt atom vagy atomcsoport tulajdonságai alapján csoportosíthatjuk (5.4., 5.5. a), b) és c) ábrák). 2 R aminocsoport karboxilcsoport oldallánc apoláris pl. 5.4. Az aminosavak csoportosításának lehetőségei 3 3 3 2 3 glicin (Gly) izoleucin (Ile) 3 3 3 2 alanin (Ala) fenilalanin (Phe) 5.5. b) Apoláris oldalláncú aminosavak 3 2 2 S 3 3 3 semleges pl. 2 savas pl. 2 bázikus pl. ( 2 ) 4 2 3 3 metonin (Met) 3 2 3 3 valin (Val) leucin (Leu) 3 2 2 2 triptofán (Trp) 2 2 prolin (Pro) allottam, hogy vannak esszenciális aminosavak is. Ezek nem azonosak a fehérjealkotó aminosavakkal? Részben azonosak velük. Az esszenciális kifejezés jelentése létfontosságú. Azokat az aminosavakat nevezik így, amelyeket a szervezet nem képes szintetizálni, ezért csak táplálkozás útján juthat hozzá. Az emberi szervezet nyolcféle aminosavat nem tud szintetizálni. 100%-os vagy teljes értékű fehérjéknek nevezik azokat a fehérjéket, amelyek tartalmazzák az összes esszenciális aminosavat. A különböző élelmiszerek eltérő mennyiségben tartalmazzák az egyes aminosavakat, így az eszenciális aminosavakat is. Ezért is fontos a kiegyensúlyozott táplálkozás. A legtöbb fehérje 100 és 300 közötti aminosavegységből áll, de vannak ennél kevesebből és jóval több aminosavból felépülők is. (Pl. az izom nehéz fehérjéje, a miozin 1800 aminosavból áll.) 3 2 S cisztein (ys) 3 2 2 3 aszparagin (Asn) 3 2 5.5. a) Poláris, semleges oldalláncú aminosavak 3 3 3 2 3 2 szerin (Ser) hisztidin (is) 2 2 glutaminsav (Glu) 2 2 2 2 3 3 treonin (Thr) 2 2 glutamin (Gln) 3 2 lizin (Lys) 3 3 2 2 2 2 2 2 tirozin (Tyr) aszparaginsav (Asp) arginin (Arg) 5.5. c) Poláris, savas, illetve bázisos oldalláncú aminosavak 31
A sejtek élete R 1 R 2 + R 1 R 2 + 2 5.6. A peptidkötés kialakulása onnan tudja a sejt, hogy éppen melyik fehérjét termelje, és hogy az mennyi és milyen aminosavakból épüljön fel? A fehérjék változatossága nemcsak attól függ, hogy hány darab aminosavból épülnek fel, hanem attól is, hogy ezek milyen aminosavak, és milyen sorrendben követik egymást. Az aminosavak összekapcsolódásának sorrendjéről az információt a gének tartalmazzák. A sejt bonyolult szabályozó folyamatok sorozatán keresztül értesül arról, hogy éppen melyik fehérje előállítására van szükség. A fehérjék keletkezése és szerkezete Az aminosavak mindkét funkciós csoportja képes kondenzációval öszszekapcsolódni egy másik molekulával. Két aminosav kondenzációja során kialakuló új -kötést peptidkötésnek, a keletkezett molekulát pedig dipeptidnek nevezik (5.6. ábra). Több aminosav kondenzációját polikondenzációnak, a keletkezett termékeket a monomerek számától függően oligo- (három-tíz amonisavból álló) vagy polipeptidnek (tíznél több aminosavból álló) nevezik (5.7. ábra). Akkor polipeptidnek, proteinnek vagy fehérjének kell nevezni ezeket az anyagokat? ogyan kapcsolódnak ezek egymáshoz? A fehérje, a protein és a polipeptid ugyanannak az anyagnak a különböző szempontok szerinti elnevezései. Úgy is szokták a fehérjéket meghatározni, hogy jellegzetes térszerkezetű polipeptidek. Bizonyos tekintetben a fehérjéket poliamidoknak is hívhatjuk, ugyanis a peptidkötések a polikondenzáció során létrejövő amidcsoportokban találhatók meg. peptid kötés S peptid kötés peptid kötés S 2 2 2 2 2 2 2 2 2 amino végzôdés (-vég) karboxil végzôdés (-vég) 5.7. Tripeptidek keletkezése 32
Két különböző aminosavból kétféle dipeptid, több aminosav polikondenzációjakor többféle termék jöhet létre. Éppen ezért egy aminosavakból álló lánc pontos összetételének meghatározásakor fontos tudni, hogy melyik a molekula eleje. A megállapodás szerint az az aminosav lesz az első monomer, amelyiknek az aminocsoportja, míg az utolsó, amelyiknek a karboxilcsoportja maradt ki a kondenzációs reakcióból. Leegyszerűsítve az aminocsoport -jéről és a karboxilcsoport -jéről nevezték el a polipeptidláncok kezdetét -végnek, zárását pedig -végnek. Egy fehérje pontos összetétele az aminosavak -végtől kezdődő felsorolásával adható meg. Az aminosavak kapcsolódási sorrendjét (szekvenciáját) a fehérjék elsődleges szerkezetének nevezik. Egy polipeptid tulajdonságait döntő módon határozza meg az aminosavainak szekvenciája. Már egyetlen sav hiánya vagy sorrendbeli cseréje is súlyos megbetegedéshez vezethet (pl. sarlósejtes vérszegénység). A fehérjék aminosavsorrendjének meghatározására Frederick Sanger angol biokémikus (5.8. ábra) dolgozott ki hatékony módszert. Kitartó munkával 10 év alatt sikerült meghatároznia az 51 aminosavból álló inzulinmolekula pontos összetételét. Eredményét 1958-ban kémiai obeldíjjal ismerték el. Később kidolgozta a DS-molekula összetételének meghatározási módszerét is, amiért 1980-ban szintén kémiai obel-díjat kapott. A fehérjemolekulák mérete lehetővé teszi másodlagos és harmadlagos szerkezet kialakulását is. A polipeptid láncokban a peptidkötés mentén nem, de az α-szénatomokhoz kapcsolódó kötések mentén lehetséges a molekularészek elfordulása (szabad rotációja) (5.9. ábra), így felveheti a legkedvezőbb energiájú konformációt. a az egymást követő aminosavak R-csoportja kicsi (pl. Gly, Ala, Ser), akkor b-redős térszerkezet (5.10. ábra), ha nagy (pl. Arg, Lys, Glu), akkor α-hélixes (5.11. ábra) térszerkezet kialakulása kedvezőbb. Az a-hélixet és a b-redőt a fehérjék másodlagos szerkezetének nevezik. A másodlagos szerkezetet az amidcsoportok között kialakuló hidrogénkötések stabilizálják. Ezek az α-hélixben láncon belül, az egymás melletti csavarmenetek között, a b-redős térszerkezetnél az egymásra simuló láncrészek között alakulhatnak ki. A harmadlagos szerkezetet a másodlagos szerkezetű részek térbeli elrendeződése jelenti. a a fehérjemolekula teljes egészében egyféle másodlagos szerkezetet vesz fel, akkor a spirálok vagy a redők hosszan elnyúló szálas szerkezetet hoznak létre. Ilyen szerkezetű pl. a pókfonal (5.12. ábra) vagy a selyemhernyó által termelt selyemszál. A szálas, rostos fehérjéket fibrilláris szerkezetűnek nevezik a selyemszál tudományos neve, a fibroin után. Sokkal gyakoribb az olyan fehérje, amelyben a különböző másodlagos szerkezetű láncrészletek hosszabb-rövidebb szakaszokon rendezetlen részekkel összekapcsolva követik egymást. Ilyenkor nem alakulhat ki szá- 5.8. Frederick Sanger (1918 ) R R 5.9. Kötések forgási lehetőségei a peptidekben 5.10. A b-redős szerkezet 5.11. Az a-hélix szerkezet 33
A sejtek élete 5.12. Pókháló 5.13. Globuláris fehérjemolekula modellje 2 2 3 3 3 3 2 S S 2 ( 3 ) 4 3 2 5.14. armadlagos szerkezetet rögzítő kötések hemcsoport vasion 5.16. A hemoglobin-molekula las szerkezet, a fehérjelánc összegabalyodik és gömbölyded alakot vesz fel (5.13. ábra). Az ilyen molekulákat globulárisnak (gömbszerűnek) nevezik. Globuláris fehérje pl. a növekedési hormon. A fibrilláris vagy globuláris térszerkezet jelenti a fehérjék harmadlagos szerkezetét. A harmadlagos szerkezetet az R-csoportok között kialakuló másodrendű (Van der Waals- és hidrogén-), valamint elsőrendű (ionos- és a cisztein R-csoportjai közötti diszulfid-hidakban kovalens) kötések stabilizálják (5.14. ábra). Az élő szervezetben gyakran egy adott feladatot több, egymáshoz képest meghatározott térbeli elhelyezkedésű polipeptidlánc lát el. Ezeknek az összekapcsolódott molekuláknak az egymáshoz viszonyított térbeli helyzetét nevezik a fehérjék negyedleges szerkezetének pl. a hemoglobin szerkezete (5.15. és 5.16. ábrák). + 3 -vég Elsődleges szerkezet 15 20 25 armadlagos szerkezet globuláris 5.15. A fehérjék szerkezetei A fehérjék csoportosítása és tulajdonságai Másodlagos szerkezet ß-redő α-hélix egyedleges szerkezet Az egyszerű fehérjék vagy proteinek hidrolízise során aminosavak keletkeznek. Összetett fehérjének vagy proteidnek nevezik azokat a molekulákat, amelyek hidrolízise során nemcsak aminosavak, hanem más vegyületek is keletkeznek. A proteid neve arra utal, hogy hidrolízisekor az aminosavak mellett milyen vegyületcsoportba tartozó egyéb anyag keletkezik, pl. glükoproteid (glükóz), lipoproteid (lipid), metalloproteid (fémvegyület). A proteidek csoportjába tartozik a vörösvértestek oxigénszállító molekulája, a hemoglobin (5.16. ábra), amelyben a fehérjékhez vastartalmú porfinvázas vegyület, más névenn hemcsoport kapcsolódik. 34
Bámulatos, hogy mennyire bonyolultak ezek a molekulák! Így már nem véletlen, hogy ezek ennyi feladatnak képesek megfelelni. De ha ilyen összetett felépítésűek, nem sérülhetnek nagyon könnyen? A fehérjék a sejtekben többnyire vizes kolloid rendszerben vannak jelen. A többszörösen összetett szerkezet igen érzékennyé teszi ezeket a molekulákat. Külső hatásra fokozatosan elveszítik természetes szerkezetüket, amely a biológiai aktivitásuk csökkenésével, akár megszűnésével jár (denaturáció). A szerkezetváltozást kísérheti a kolloid rendszerből való kicsapódás (koaguláció). Mindkét folyamat lehet reverzibilis (pl. hidrátburok elveszítése) vagy irreverzibilis (mélyreható szerkezeti változás). Reverzibilis koagulációt eredményezhetnek a könnyűfémsók (pl.: a +, K +, a 2+ sói) (húsok tartósítása sózással), enyhe melegítés, alkohol, gyenge szerves vagy szervetlen savak. Irreverzibilis kicsapódás jön létre a nehézfémsók (pl.: u 2+, Pb 2+, Sn 2+ sói), az erős savak és lúgok, a főzés hatására (5.18. ábra). Az erős mechanikai hatások is eredményezhetnek denaturálódást pl. amikor a tojásfehérjét habbá verjük. A fehérjék kimutatása A proteinek peptidkötései biuret-próbával mutathatók ki. A próba elvégzésekor a fehérjeoldathoz a-oldattal lúgosított us 4 -oldatot öntenek, majd óvatosan melegítik. A peptidkötések jelenlétét csapadék képződése mellett ibolya szín megjelenése jelzi. Az aromás oldalláncú aminosavat tartalmazó fehérjék kimutatására a xantoprotein-reakció alkalmas. A próba elvégzésekor a fehérjeoldatot tömény 3 -oldattal elegyítik és hevítik. A reakció során a fehérje kicsapódik és az aromás gyűrűt tartalmazó oldalláncok nitrálódnak, amit sárga elszíneződés jelez. Kromatográfiával a fehérjealkotó aminosavak szétválaszthatók egymástól. Az eljárás során először a fehérjét aminosavakra hidrolizálják, majd a kapott elegyet valamilyen porózus szerkezetű (pl. papír) vagy zselés állagú anyagra cseppentik és a hordozót oldószerbe merítik. Rövid idő elteltével a papíron vagy zselén egymástól távolodó foltok jelennek meg. A foltok a különböző tömegű, méretű és szerkezetű aminosavakat tartalmazzák (5. 19. ábra). Különleges fehérjék A hősokkfehérjék (stresszfehérjék, dajkafehérjék vagy chaperonok) akkor termelődnek nagyobb mennyiségben a szervezetben, ha a sejteket stresszhatás (pl. láz, átmeneti oxigénhiány, éhezés) éri. Ilyen hatásokra a sejtek fehérjéinek szerkezete megváltozik és elveszti eredeti tulajdonságát. A stresszfehérjék a sérült fehérjeláncok szerkezetének visszaállítását végzik el. a ez a folyamat eredménytelen, akkor a sérült fehérje lebomlik, vagy a sejt a programozott sejthalál (apoptózis) során megsemmisül. e csak nézd! Mi a feltétele, hogy a reakció megfordítható legyen? ogyan alakulhat ki dinamikus egyensúly? 5.17. Fehérjék denaturációja 5.18. A főtt tojásban már irreverzibilisen kicsapódott a fehérje futtatás előtt 1 2 3 4 oldószer vizsgálandó oldat startvonal (pl. aminosavak oldata) futtatás után 1 2 3 4 oldószer startvonal 5.19. Fehérjealkotó aminosavak szétválasztása kromatográfiával 35
A sejtek élete 5.20. Stanley B. Prusiner (1942 ) e csak nézd! Keress szempontokat a vírusok és a prionok összehasonlítására! Stanley Ben Prusiner amerikai neurológus és biokémikus (5.20. ábra) 1997-ben kapott orvosi és fiziológiai obel-díjat a prionok felfedezésért. Ez a kórokozó felelős számos betegség pl. a szarvasmarhákban megfigyelt szivacsos agyvelőgyulladás vagy a reutzfeldt Jakob-szindróma kialakulásáért. Egy fehérjének általában egy biológiailag aktív térszerkezete van. Egyes fehérjéknek azonban hibás térszerkezetű formája is biológiai hatással rendelkezhet. Az ilyen fehérjék egyik különös csoportját alkotják a prion fehérjék. Egy prion kb. 250 aminosavból álló rendellenes szerkezetű fehérje (5.21. és 5.22. ábrák). Különleges tulajdonsága abban áll, hogy annak ellenére képes a sejtek egészséges fehérjéinek térszerkezetét a magáéhoz hasonló rendellenes szerkezetűre változtatni. A szervezetben véletlenszerűen is kialakulhat, de táplálék útján is bekerülhet. Felhalmozódva a sejtek tömeges pusztulását idézi elő. Az elpusztult sejtek helyén üregek jönnek létre, és a szövetek szivacsos állagúvá válnak. 5.21. Prionfehérje 5.22. Modellrajz a hibás szerkezetű prionfehérjéről A fehérjék sok feladatot látnak el az élő sejtekben. Szövetes élőlényekben a sejtközötti állományokban is megtaláljuk őket. A sokféle feladatnak csak bonyolult felépítésük által tudnak megfelelni. Építőik vagy monomerjeik az a-aminosavak, melyek peptidkötéssel kapcsolódnak egymáshoz. úszféle fehérjeépítő aminosavat ismerünk, melyből nyolc esszenciális. A fehérjék elsődleges szerkezete az aminosavszekvencia. A másodlagos szerkezet lehet α-hélix és β-redő, mindkettőt -kötések stabilizálják. A harmadlagos szerkezet a legtöbb fehérje esetén globuláris, de lehet fibrilláris is. egyedleges szerkezete csak a több fehérjealegységből álló fehérjéknek van. A fehérjék kimutatására nagyfokú érzékenységük miatt számos lehetőség van. Ezért kell vigyáznunk szervezetünk belső egyensúlyának, a homeosztázisnak megtartására! 36
1. a egy fehérje 100 db aminosavból áll, és felépítésében mind a húsz tetszőlegesen szerepelhet, hányféle variációban állhat össze a poli peptid? 2. Mely aminosav-oldalláncok között alakulhatnak ki az alábbi kötések: a) -kötés, ionos kötés, b) kovalens kötés, c) Van der Waals-kötés? Írj fel aminosavpárokat! 3. Mire vonatkoznak az alábbi kijelentések? Rendeld a megfelelő betűt a számozott mondatokhoz! A) aminosav B) fehérje ) mindkettő D) egyik sem 1. Monomer lehet. 2. Monomerekből felépülő makromolekula. 3. Adja a biuret-próbát. 4. úszféle is alkothat egy molekulát. 5. Vizes oldatában ikerionos jellegű. 6. Rendkívül érzékeny a környezeti hatások megváltozására. 7. Lehet enzim. 8. p-kiegyenlítőként is szerepelhet pl. az emberi vérben. 9. ehézfémek irreverzibilisen kicsapják. 10. Egyik esszenciális típusa a fenil-alanin. 1. Tanári felügyelet mellett végezd el az alábbi kísérleteket fehérjeoldattal! a) Biuret-próba. b) Xantoprotein-reakció. c) Mérjétek meg, hány percig kell melegíteni fél kémcsőnyi oldatot, hogy a fehérje irreverzibilisen kicsapódjon! d) Kb. egyharmad kémcsőnyi oldatokhoz adjatok a következő anyagokból egy fél vegyszereskanálnyit: réz-szulfát, konyhasó, higanyklorid, vas-klorid. Jól rázzátok össze a kémcsövek tartalmát, majd hígítsátok fel vízzel! Tapasztalataitokról készítsetek jegyzőkönyvet! 2. Az internet segítségével keress olyan kutatókat, akik aminosavak és 5.23. A pozitív biuret-próba fehérjék kutatásával foglalkoztak, illetve foglalkoznak! Készíts kiselőadást! 3. Keress 100%-os aminosav-forrásként szolgáló élelmiszereket! ézz utána, hogy mennyi energiát nyer a szervezetünk 100 g fehérje elégetésével! 4. Mennyi lehet a tej fehérjetartalma, ha ezt a kolloid oldatot fehérnek látjuk? Először tippeld meg a választ 1 liter egységre vonatkoztatva, majd nézz utána! 37