1
Vizsgakövetelmények Ismerje a fehérjék biológiai szerepét (enzimek, összehúzékony fehérje-rendszerek aktin és miozin -, vázanyagok, receptorok, szállítófehérjék, tartalék tápanyagok, antitestek, jelölő fehérjék, véralvadás, szabályozó fehérjék). Mondjon példát ezek előfordulására. Lásd még később szövetek, vér, hormonális rendszer. Ismerje az aminosavak általános képletét, az oldalláncok kölcsönhatásainak típusait és értse, hogy ezeknek szerepük van a fehérjék térszerkezetének kialakulásában. Értse a fehérjék elsődleges, másodlagos, harmadlagos és negyedleges szerkezetét. Értse a peptidkötés kialakulását és a fehérjék térszerkezetében betöltött szerepét. Ismerje a fehérjék általános szerkezetét (peptidlánc). Tudjon példákat mondani a mindennapi életből a fehérjék szerkezetének megváltozására (tojás- és hússütés). Tudjon elvégezni és értelmezni fehérjék kicsapódását bemutató kísérleteket (hő, nehézfémsók, mechanikai hatás). Magyarázza, miért elengedhetetlen alkotói étrendünknek az esszenciális aminosavak. Mondjon példákat a mindennapi életből a fehérjék szerkezetének megváltozására (tojás- és hússütés). 2
Fehérjék Szerkesztette: Vizkievicz András A fehérjék - proteinek - az élő szervezetek számára a legfontosabb vegyületek. Az élet bármilyen megnyilvánulási formája fehérjékkel kapcsolatos. A sejtek szárazanyagának minimum 50 %-át adják. Csoportosításuk biológiai feladataik alapján történik, lehetnek: vázanyagok, szerkezeti fehérjék: tartó, szilárdító feladatokat látnak el, pl. a legtöbb állati kötőszövetben, a csontban a kollagén, keratin az elszarusodott hámokban, hajban, tollban, hüllők pikkelyeiben. összehúzékony fehérjék: ilyen az aktin, miozin, pl. az izmokban, (lásd izomszövetek) transzportfehérjék: szállító feladatokat látnak el, pl. a hemoglobin oxigént szállít, ill. a vérben a globinok zsírokat, vasat, hormonokat szállítanak, védőfehérjék, immunfehérjék (antitestek): fertőzésekkel szembeni védekezésben közreműködnek, pl. az immunoglobulinok a vérben, (lásd vér, immunitás), véralvadásban közreműködő fehérjék, pl. trombin, fibrin, stb. (lásd vér), szabályozó fehérjék, mint pl. a hormonok: kémiai jelek, szervek, szövetek működését befolyásolják, pl. inzulin, (lásd hormonrendszer), receptorok a sejtek felszínén, melyek különféle anyagokat pl. hormonokat - képesek megkötni, (lásd biológiai membránok), jelölőfehérjék (markerek) a sejtek felszínén elhelyezkedő egyed-, szövet-, ill. fajspecifikus molekulák (MHC), melyeknek a sejtfelismerésben (saját-idegen), így az immunrendszer működésében van alapvető szerepük, (lásd vér, immunrendszer), tartalék tápanyagok egyes növényi magvakban, termésekben, pl. gabonafélék szemtermésében ilyen az aleuron vagy a sikér, enzimek: biokatalizátorok, a sejtekben zajló kémiai folyamatok aktiválási energiáját csökkentik, aminek következtében az átalakulások reakciósebessége megnő. Az emberi szervezet működési körülményei között, katalizátorok nélkül az életfolyamatok végtelen lassú sebességgel zajlanának. A szerves anyagok zöme 37 fokon gyakorlatilag nem alakul át le katalizátorok nélkül (lásd asszimiláció). Az aminosavak A fehérjék makromolekulák, monomerjeiket aminosavaknak nevezzük. Az aminosavaknak alapvetően két csoportjuk van: nem fehérjeeredetű, fehérjeeredetű aminosavak. A nem fehérjeeredetű aminosavak nem vesznek részt a fehérjék felépítésében, hanem az anyagcserében fontos előanyagként vagy köztes termékként szerepelnek, ill. egyéb feladatokat láthatnak el. Legalább 150 típusuk van, ilyen pl. a gamma-amino-vajsav, amely fontos ingerület átvivő vegyület, 3
A fehérjeeredetű aminosavak szabad állapotban csak kis mennyiségben találhatók meg a sejtekben, főleg fehérjék felépítésében vesznek részt. Kémiailag amino-karbonsavak, azaz a molekulában két eltérő jellegű funkciós csoport is megtalálható: bázisos amino-csoport, savas karboxil-csoport. E kettős jelleg sajátos tulajdonságokat ikerionos szerkezet, amfoter jelleg - kölcsönöz az aminosavaknak. Minden aminosav egy azonos, és egy eltérő molekula részletből áll: az azonos rész tartalmazza az amino-, és a karboxilcsoportokat, az eltérő rész az ún. oldallánc, amely szerkezetileg 20 (21) féle lehet. Az aminosavakat az eltérő oldallánc alapján 4 nagy csoportba osztjuk: 1. Apoláris oldalláncú aminosavak. glicin (Gly) -H alanin (Ala) -CH3 2. Poláris oldalláncú aminosavak szerin (Ser) -CH2OH cisztein (Cys) -CH2SH 3. Savas oldalláncú aminosavak aszparaginsav (Asp) - CH2COOH glutaminsav (Glu) -CH2CH2COOH 4. Bázisos oldalláncú aminosavak Lizin (Lys) -CH2CH2CH2CH2NH2 A fehérjeeredetű aminosavak ún. alfa aminosavak, mivel a bázisos aminocsoport a karboxilcsoport melletti, ún. alfa szénatomhoz kapcsolódik. Ismertek béta-, ill. gamma aminosavak is, mint pl. a gamma-amino-vajsav (GABA). Az aminosavak egy részét a szervezet nem, vagy csak elégtelen mennyiségben képes előállítani, ezeket esszenciális aminosavaknak nevezzük, melyeket a táplálékkal kell felvenni. Emberben 9 ilyen aminosav ismert, mint pl. a fenil-alanin, lizin, metionin, valin stb. 4
Az aminosavak királis vegyületek, mivel az alfa C-atomhoz - a glicin kivételével - 4 különböző ligandum kapcsolódik. A természetben mindenhol - a baktériumok sejtfal anyagát a mureint kivéve - az aminosavaknak a balra forgató L (laevus= bal, lat.) izomerje (enantiomerje) fordul elő. Az aminosavak tulajdonságai Az aminosavak jellegzetes tulajdonságai különös szerkezetükre vezethetők vissza, amelyet döntően a jelenlévő funkciós csoportok határoznak meg. Szerkezet Az élő sejtek citoplazmájának megfelelő ph értéken - kb. 7.1 - a molekulában megtalálható két ellentétes funkciós csoport egyaránt megnyilvánul: a bázisos -NH2 csoport H + -t felvéve (+) töltésűvé, a savas -COOH csoport H + -t leadva (-) töltésűvé alakul. Ennek eredményeképpen a molekulában egyszerre van jelen a két ellentétes töltés. Az ilyen képződményeket ikerionnak nevezzük. A fizikai tulajdonságaik ionrácsos szerkezetükre vezethetők vissza: magas olvadáspontú, szilárd vegyületek, vízben általában jól oldódnak, vizes oldatuk az áramot jól vezeti. Kémiai tulajdonságok Amfoter vegyületek, azaz savként és bázisként egyaránt viselkedhetnek a reakciópartnertől függően, azonban sav-bázis sajátságaikat az oldallánc kémiai természete is befolyásolja. Biológiai szempontból legfontosabb reakciójuk a kondenzáció, melynek során az egyik aminosav amino-csoportja, és a másik aminosav karboxil-csoportja között víz kilépéssel, ún. peptidkötés jön létre. A reakció eredményeként a két aminosavat egy amidcsoport köti össze. 2,3,4 aminosav összekapcsolódásakor di-, tri-, tetrapeptidek jönnek létre, néhány 10 aminosav összekapcsolódásakor oligopeptidek jönnek létre, néhány 100 aminosav összekapcsolódásakor polipeptidek, fehérjék jönnek létre. 5
Az aminosavak összekapcsolódásából kialakuló polipeptidlánc: (majdnem (kiv. izopeptidek)) mindig elágazásmentes, C-atomokon keresztül összekapcsolódott amidcsoportok láncolata, a lánc -NH2 csoportot viselő része az N-terminális, a -COOH csoportot hordozó része a C-terminális, a polipeptidlánc aminosavsorrendjét szekvenciának nevezzük. A lánc aminosavsorrendjének felírásánál a felsorolást mindig az N-terminálisnál kezdjük a jobb oldalon, az aminosavsorrend felírásánál az aminosavak nemzetközi rövidítését használjuk: Gly-Ala-Ser-Cys-..., Szekvencia 2 aminosav kétféleképpen kapcsolódhat egymáshoz, attól függően, hogy melyik helyezkedik el az N-terminálison. 3 aminosavat már 6 féle sorrendben kapcsolhatunk össze. 100 db- 20 féle- aminosavból már 20 100 féle polipeptid alkotható. A szekvencia döntően meghatározza a fehérjék tulajdonságait, ezért az aminosavsorrendet a fehérjék elsődleges szerkezetének nevezzük. Akár egyetlen aminosav helyének megváltoztatása az egész fehérje működésére hatással lehet. Sarlósejtes vérszegénység A rendellenesség nevét onnan kapta, hogy a betegek vérében - az egyébként korong alakú - vörösvértestek sarló formájúak. A hibás vörösvértesteket az immunrendszer folyamatosan eltávolítja, aminek következtében csökken a vörösvértest szám (vérszegénység). A betegség oka az, hogy a vörösvértesteket kitöltő hemoglobin egyik polipeptidláncában az egyik aminosav kicserélődik egy másikra (az egyik béta-láncban a 6. helyen levő Glu helyet Val található). Ennek következtében a hemoglobin oldékonysága megszűnik, kikristályosodik, megváltozik a sejt alakja és oxigénszállítása jelentősen romlik. Genetikai betegség. A polipeptidek térszerkezete, a konformáció A polipeptidlánc C-atomokon keresztül kapcsolódó amid-csoportok láncolata. Az amidcsoportok szerkezete merev, sík alakú. Elmozdulás csak az amidsíkokat összekapcsoló C-atomok mentén lehetséges. Az elmozdulási pontokon az amidsíkok egymáshoz képest különféle szögben elcsavarodhatnak. 6
Az elcsavarodás mértékét tekintve elvileg végtelen sok konformációs izomer vezethető le, azonban a természetben csak két stabil forma létezik: béta-szalag, alfa-hélix. Béta-szalag (redő) A béta-konformációban az amidsíkok összetolt háztetőkhöz hasonló felületet hoznak létre. A szerkezet azáltal stabilizálódik, hogy a láncok egymás mellé rendeződnek és az amid-csoportok között H-kötés alakul ki. Alfa-hélix Az alfa-hélixben a polipeptidlánc csavarvonalszerűen tekeredik. A spirál szerkezetét a láncon belül az amid-csoportok között kialakuló H-kötések stabilizálják, amelyek a közel függőlegesen és egymással párhuzamosan elhelyezkedő C=O és NH csoportok között jönnek létre. Az alfa-hélix a polipeptidlánc legkedvezőbb konformációja. Egy menetre kb. 3.6 aminosavrész jut. Az L-aminosavakból felépülő alfahélix jobb csavarodású. A polipeptidlánc konformációját - alfa-hélix vagy bétaredő - a fehérjék másodlagos szerkezetének nevezzük. A másodlagos szerkezetet alapvetően az aminosavak minősége és sorrendje határozza meg. Fibrilláris fehérjék Azokat a fehérjéket, amelyek végig azonos másodlagos szerkezettel jellemezhetők - végig alfa-hélix vagy béta-szalag -, fibrilláris fehérjéknek nevezzük. A fibrilláris fehérjék hosszú, elnyúlt, szálas szerkezetűek, igen stabilak, vízben nem oldódnak. Általában a szerkezeti fehérjék ilyenek. Fibrilláris fehérje pl.: fibroin: a selyem fehérjéje, keratin: a haj fehérjéje. A fibroin A fibroin a selyemhernyó bebábozódásakor a lárva által termelt fehérje. Másodlagos szerkezete béta-szalag. Mindössze 3 féle aminosav építi fel, Gly, Ala, Ser 3:2:1 arányban (Gly-Ala-Gly-Ala-Gly-Ser)n. A selyemszál az egyes béta-szalagok további rendeződésével jön létre: A polipeptidláncok erős H-kötésekkel összekapcsolódva, párhuzamosan rendeződve, rétegekké állnak össze. Az rétegek egymás alá és fölé rendeződve az oldalláncok között fellépő másodrendű kötéssekkel kapcsolódnak össze. 7
A keratin Az elszarusodó hámszövetekben termelődő szerkezeti fehérje. Fő összetevője a szőrnek, hajnak, tollnak, szarupikkelynek. Szekunder szerkezete alfa-hélix. Felépítésében az összes aminosav részt vesz. A hajszál az egyes alfa-hélixek további rendeződésével jön létre. A hajszál rendkívül erős, ami annak köszönhető, hogy az egyes molekulák különböző erősségű kötésekkel összekapcsolódnak. Az egyik jelentős kötés a cisztein oldalláncok között kialakuló diszulfid-híd. A diszulfid-hidak felbontásával, a mikrofilamentumok elcsúszásával, majd újra a szálak összekapcsolódásával magyarázható a dauerolás. A fibrilláris fehérjék közé tartozik még: a kollagén, a miozin, és a fibrin. A globuláris fehérjék A fehérjék harmadlagos szerkezetét a polipeptidlánc további térbeli elrendeződése határozza meg. A globuláris fehérjékben a polipeptidlánc konformációja szakaszonként váltakozik, ezért a molekula egésze gömb alakú. Az eltérő konformációjú részeket ún. rendezetlen szakaszok kapcsolják össze, ahol az alfa-hélix és a béta-szalag közötti átmeneti konformáció alakul ki. A harmadlagos szerkezet stabilitását a molekulán belül az egyes oldalláncok közötti különféle kötések biztosítják: hidrogén-kötés, pl. a szerin oldalláncok között, van der Waals kötés, pl. az apoláris alanin oldalláncok között, ionos kötés, pl. a savas glutaminsav és a bázisos lizin között található, kovalens kötés, pl. ilyen két cisztein közötti diszulfid-híd. Az egyes másodlagos szerkezettel rendelkező szakaszok egymáshoz viszonyított térbeli helyzete, tehát a harmadlagos szerkezettel jellemezhető. A globuláris fehérjék jól oldódnak vízben, kolloid állapotot hozva létre. Ez annak köszönhető, hogy a poláris, hidrofil oldalláncok a gombolyag felületén, míg az apoláris hidrofób oldalláncok a molekula közepén helyezkednek el. A felszínen levő hidrofil aminosav részek jól hidratálódnak, az apoláris részek egy hidrofób belső magot hoznak létre. A belső hidrofób mag, ill. a külső hidrátburok nagymértékben hozzájárul a fehérjék stabilitásához. 8
Ugyanakkor nagyon fontos tény, hogy a fehérjék térszerkezete rendkívül bonyolult, ebből következően igen érzékenyen válaszol térszerkezetének megváltozásával a környezet hatásaira. A fehérjék harmadlagos szerkezetét befolyásoló környezeti tényezők: A hőmérséklet, könnyűfémsó koncentráció, a közeg hidrogénion koncentrációja, mechanikai hatások, a nehézfémsók. A hőmérséklet emelésekor a molekularészek hőmozgása egyre intenzívebb lesz, aminek következtében az oldalláncok közötti stabilizáló kötések felszakadnak. A változás hatására a molekula elveszti jellegzetes térszerkezetét, letekeredik, azaz denaturálódik. A letekeredett láncok összeakadva térhálót alkotnak, melynek hézagaiban vízmolekulák helyezkednek el. A rendszer kolloid állapota megszűnik, durva diszperz rendszerré alakul, azaz a fehérjék kicsapódnak, koagulálnak. A folyamat visszafordíthatatlan, azaz irreverzibilis. (Kisméretű peptidek esetén lehet reverzibilis.) Irreverzibilis denaturáció zajlik le tojás főzéskor is, minek hatására a molekulák véglegesen elvesztik harmadlagos szerkezetüket, biológiai aktivitásuk megszűnik. Az élő sejtek ph-ja 7.1 körül van, a sejtekben a fehérjék működése, szerkezete ekkor optimális. Amennyiben változik a ph - azaz megváltozik a H+-ion koncentráció -, a bevitt ionok hatására megváltoznak a fehérjemolekulák töltésviszonyai. Az aminosav oldalláncok töltésének megváltozásakor a molekulát stabilizáló kötések felszakadnak, a molekula gombolyag letekeredik, a fehérje irreverzibilisen denaturálódik. A nehézfémsók - pl. Pb, Hg, - hatására a fehérjék irreverzibilisen denaturálódnak. A nehézfém ionok hozzákapcsolódnak a polipeptidlánchoz, felszakítják a láncot stabilizáló kötéseket. https://drive.google.com/file/d/0b1bzotldajajwdgzqkpzewlvwgs/view?usp=sharing https://drive.google.com/file/d/0b1bzotldajajz3favhjllta5vuu/view?usp=sharing Ugyancsak denaturálódást eredményezhet a fehérjeoldatok erős mechanikai igénybevétele, pl. ultrahanggal való kezelése, erős rázása. A könnyűfémsók koncentrációjának emelésekor az oldatba kerülő ionok hidratálódnak és nagy koncentrációjuk esetén saját hidrátburkuk kialakításához a vízmolekulákat a fehérjék hidrátburkából vonják el. A fehérjemolekulák, mivel hidrátburkukat elvesztik, összecsapódnak, azaz koagulálnak (denaturáció nem történik). 9
Kiválva az oldatból megszűnik a kolloid állapotuk. A folyamat reverzibilis, azaz megfordítható, mivel ha a kicsapódott fehérjékhez feleslegben vizet adunk, a molekulák hidrátburka helyreáll, ismét kolloid állapotba kerülnek. A folyamatot kisózásnak is nevezzük, amely pl. (NH4)2SO4 hatására következhet be. https://drive.google.com/file/d/0b1bzotldajajnzdpm3jflvrbd0e/view?usp=sharing Ismertek olyan fehérjék, amelyek nem egy, hanem több polipeptidláncból épülnek fel. Ilyen fehérje pl. a hemoglobin. A fehérjét felépítő egyes polipeptidláncokat alegységnek nevezzük. Az alegységek egymáshoz viszonyított térbeli helyzetét a negyedleges szerkezettel jellemezzük. Pl. a hemoglobin négy alegysége egy tetraéder 4 csúcsának megfelelően helyezkedik el, melyeket másodrendű kötések tartanak egybe. Fehérjék kicsapódása - kísérlet Három kémcsőbe öntsünk 2 2 cm 3 tojásfehérje-oldatot! Egyikhez adjunk réz-szulfát kristályt (Cu 2+ nehézfém-ion)! A másikat enyhén melegítsük! A harmadikhoz adjunk tömény salétromsav-oldatot! A kicsapódás eredményeképpen a fehérje oldatban pelyhes csapadék jelent meg. A fehérjék kimutatási reakciói Biuret-próba, https://drive.google.com/file/d/0b1bzotldajajtutswnflbef5qzq/view?usp=sharing xantoprotein reakció. https://drive.google.com/file/d/0b1bzotldajajvg0xdklmewfydfu/view?usp=sharing A Biuret-próbával a fehérjékben jelenlévő amid-csoportot lehet kimutatni. Pozitív próba esetén ibolya színeződést tapasztalunk, mivel a reagensben található réz-ionok komplexet képeznek az amid-csoporttal. Egy kevés fehérje oldathoz adjunk néhány csepp 40%-os nátriumhidroxid oldatot, majd 1-2 csepp réz II-szulfát reagenst. https://drive.google.com/file/d/0b1bzotldajajoe84bgxxmmtvnjg/view?usp=sharing A xantoprotein reakcióval a fehérjékben jelenlévő, aromás oldalláncot tartalmazó - fenilalanin, tirozin, triptofán - aminosavakat lehet kimutatni. A reakció lényege, hogy tömény salétromsav hatására az aromás benzolgyűrű nitrálódik és sárga színű nitrovegyületek jönnek létre. Pozitív próba esetén sárga színeződést tapasztalunk. Kevés fehérje oldathoz óvatosan adjunk 1 csepp cc. salétromsavat, majd enyhén melegítsük. https://drive.google.com/file/d/0b1bzotldajajy3dozxzewlpolws/view?usp=sharing https://drive.google.com/file/d/0b1bzotldajajthvzx3f0azh5ag8/view?usp=sharing 10
A fehérjék csoportosítása összetételük szerint is történhet. 1. Proteidek vagy összetett fehérjék valamilyen nem fehérje természetű, ún. prosztetikus csoportot is tartalmaznak. A prosztetikus csoport erősen kötődik a polipeptidlánchoz, eltávolítása a fehérje térszerkezetének megváltozását eredményezi, ami a biológiai funkció megszűnését jelenti. glükoproteidek: prosztetikus csoportjuk szénhidrát, mucin a nyálban, globulinok a vérben, lipoproteidek: prosztetikus csoportjuk lipid, sejthártya fehérjéi, nukleoproteidek: prosztetikus csoportjuk nukleinsav, hisztonok, foszfoproteidek: prosztetikus csoportjuk foszforsav, kazein, a tej fehérjéje, metalloproteidek: prosztetikus csoportjuk fémion, hemoglobin, Hemoglobin citokrómok, kromoproteidek: prosztetikus csoportjuk valamilyen színanyag, opszin a retinában a retinallal. 2. Proteinek vagy egyszerű fehérjék. Csak aminosavakból állnak: albuminok a vérben, kollagén, inzulin, stb. 11