17. tétel
Aminosavak, fehérjék

Aminosavak

Az aminosavak (más néven amino-karbonsavak) olyan szerves vegyületek, amelyek molekulájában aminocsoport (-NH2) és karboxilcsoport (-COOH) egyaránt előfordul.
Az α-aminosavak kiemelkedő jelentőségűek az élővilág számára, mivel a fehérjemolekulák (proteinek) építőkövei. (Az α-aminosavak közös szerkezeti jellemvonása, hogy molekuláikban egy aminocsoport és egy karboxilcsoport kapcsolódik ugyanahhoz a szénatomhoz.)

Az aminocsoportnak a karboxilcsoporthoz viszonyított helyzete alapján α-, β-, γ- stb. aminosavakról beszélünk. A fehérjék kizárólag α-aminosavakból épülnek fel. A többi biológiailag általában jelentéktelen. Az egyetlen élettani jelentőséggel bíró β-aminosav a β-alanin, ennek származékai a pantoténsav és a koenzim-A. Lényeges még az agy anyagcseréjének egyik eleme, a γ-aminovajsav (GABA), valamint a vitamin hatású p-amino-benzoesav.
Az élő szervezetekben 25-féle α-aminosav található, ezek közül 20 fehérjeépítő. Ezek kapcsolódási sorrendje az aminosav szekvencia, a fehérjék elsődleges szerkezete.
A szervezet fehérjéinek és egyéb nitrogéntartalmú alkotórészeinek felépítéséhez, és ezek újraképzéséhez szükséges aminosavakat a táplálék fehérjéi adják. A fehérjeszükséglet tehát aminosav szükségletet jelent. Az emberi szervezetben 14-16% a fehérje-, és hozzávetőlegesen 0,1% a szabad aminosavtartalom.

Fehérjeépítő aminosavak:

Röv.

Teljes név

Oldallánc típusa

Tömeg

pI

pK1
(α-COOH)

pK2
(α-+NH3)

pKr (R)

A

Ala

Alanin

hidrofób

89,09

6,11

2,35

9,87

C

Cys

Cisztein

hidrofób (Nagano, 1999)

121,16

5,05

1,92

10,70

8,37

D

Asp

Aszparaginsav

savas

133,10

2,85

1,99

9,90

3,90

E

Glu

Glutaminsav

savas

147,13

3,15

2,10

9,47

4,07

F

Phe

Fenil-alanin

hidrofób

165,19

5,49

2,20

9,31

G

Gly

Glicin

hidrofil

75,07

6,06

2,35

9,78

H

His

Hisztidin

bázikus

155,16

7,60

1,80

9,33

6,04

I

Ile

Izoleucin

hidrofób

131,17

6,05

2,32

9,76

K

Lys

Lizin

bázikus

146,19

9,60

2,16

9,06

10,54

L

Leu

Leucin

hidrofób

131,17

6,01

2,33

9,74

M

Met

Metionin

hidrofób

149,21

5,74

2,13

9,28

N

Asn

Aszparagin

hidrofil

132,12

5,41

2,14

8,72

P

Pro

Prolin

hidrofób

115,13

6,30

1,95

10,64

Q

Gln

Glutamin

hidrofil

146,15

5,65

2,17

9,13

R

Arg

Arginin

bázikus

174,20

10,76

1,82

8,99

12,48

S

Ser

Szerin

hidrofil

105,09

5,68

2,19

9,21

T

Thr

Treonin

hidrofil

119,12

5,60

2,09

9,10

V

Val

Valin

hidrofób

117,15

6,00

2,39

9,74

W

Trp

Triptofán

hidrofób

204,23

5,89

2,46

9,41

Y

Tyr

Tirozin

hidrofób

181,19

5,64

2,20

9,21

10,46

Az aminosavak ikerionos szerkezete:

Az aminosavak ikerionos szerkezetűek, azaz nem egyszerű aminocsoportot és karboxilcsoportot tartalmaznak (1. kép), hanem pozitív töltésű ammónium- és negatív töltésű karboxilátcsoportot, a savas karboxilcsoport és a bázikus aminocsoport kölcsönhatása következtében (2. kép). Tehát ikerionok szilárd halmazállapotban, és vizes oldatban egyaránt. Ezzel magyarázható az, hogy szilárd anyagok és nagyon magas az olvadáspontjuk. Sőt, meg sem olvadnak, hanem az olvadási hőmérsékleten bomlanak. Ugyanakkor jól oldódnak vízben (poláros oldószer), de nem oldódnak apoláros szerves oldószerekben.

Optikai aktivitás:

L-D-Alanin.jpg

A legtöbb α-aminosav optikailag aktív, két tükörképi izomerje (enantiomerje) lehetséges. A fehérjeépítő α-aminosavak a jobbra forgató, de L-sorozatbeli tejsavval azonos térszerkezetűek, tehát az L-sorozatba tartoznak. Kivétel a glicin, amely optikailag nem aktív.

Kémiai tulajdonságok:

Az aminosavak ún. amfoter tulajdonságú vegyületek, vagyis amfolitok: savakkal szemben gyenge bázisként, bázisokkal (lúgokkal) szemben gyenge savként viselkednek. Tehát vizes oldatban egyaránt semlegesítik az erős savak illetve erős bázisok kis mennyiségét, illetve lényegesen tompítják azokat. Az ilyen anyagokat puffernek nevezzük. (A vasúti kocsik ütközőjét hívják így németül.) Ennek óriási szerepe van az élő szervezetekben, mivel azok mind vizes oldatok. Kivédik azokban az elsavasodást, illetve lúgosodást.

Az aminosavakra egyaránt jellemzőek a karboxilcsoport és az aminocsoport reakciói.

Elektrokémiai tulajdonságok

Vizes oldatban, egy meghatározott pH értéken, az illető aminosav izoelektromos pontján (PI), egyenlő mértékben ionizált az aminosav mindkét csoportja: kifelé semleges, elektromos erőtérben ionmigrációt nem mutat. A legtöbb aminosav izoelektromos pontja közelítőleg semleges pH-nál van. A savas oldalláncú aminosavak izoelektromos pontja savas pH-nál van, a bázikus oldalláncúaké pedig bázikus pH-nál.

A karboxilcsoport K1 disszociációs állandója szám szerint megegyezik annak az oldatnak a hidrogénion-koncentrációjával (H1), amelynél az ionizálatlan és az ionizált karboxilcsoportok száma egyenlő: K1 = (H1), illetve pK1 = pH1 ( ahol a pK1 = -logK1, és pH1 = -logH1).

Hasonlóképpen egy pH2-érték rendelhető a bázikus aminocsoport ionizációjára jellemző K2 és a pK2 értékekhez.

Az izoelektromos pont hidrogénkitevőjét (PI) a következő képlettel számíthatjuk ki: PI = (pK1 + pK2 )/2

(Ezek az értékek megtalálhatóak a "Fehérjeépítő aminosavak" táblázatban.)

Peptidképződés

Az aminosavak peptidkötéssel kapcsolódnak egymáshoz, vízkilépés közben.
Két aminosavból dipeptid, háromból tripeptid, sokból polipeptidlánc képződik. A fehérjemolekulák tehát sok aminosavrészből felépülő polipeptidláncok.

R - COOH + R'NH_2 \Leftrightarrow R - CO - NHR' + H_2O

2-amino-acidsb.png

Két különböző aminosavból két különböző dipeptid épülhet fel aszerint, hogy melyik aminosavrész N-terminális és melyik C-terminális:

A glicil-alanin ( H-Gly-Ala-OH ) képlete:H2N − CH2 − CO − NH − CHCH3 − COOH (bal oldali molekulamodellek)

Az alanil-glicin (H-Ala-Gly-OH) képlete: H2N − CHCH3 − CO − NH − CH2 − COOH (jobb oldali molekulamodellek)

A két dipeptid - a glicil-alanin és az alanil-glicin - konstitúciós izomerje egymásnak; ezek különböző sajátságú anyagok.

Három különböző aminosavból már hat különböző szerkezetű tripeptid vezethető le. Következésképpen az egymáshoz kapcsolódó aminosavak számának növekedésével rohamosan nő a sorrendi lehetőségek száma. A kombinatorika szabályai szerint n számú különböző aminosav n! (1,2,3…,n)-féle sorrendben kapcsolódhat egymáshoz. Így tíz különböző aminosavból felépülő dekapeptid esetében már 3 628 800 szerkezeti lehetőséget jelent, pedig hol van az még a fehérjeláncok méretétől!

Ezzel magyarázható az élő szervezetekben előforduló fehérjék rendkívüli változatossága. A fehérjeláncokat az egymáshoz kapcsolódó aminosavak milyensége, száma és sorrendje jellemzi.

Hidrolízis

A fehérjék savas hidrolízisének eredményeként aminosavak (tömény sósavval főzve azok sósavas sói) keletkeznek.

Esszenciális aminosavak:

Alapvető fontosságú (esszenciális) aminosavaknak nevezzük azokat az aminosavakat, amelyeket az emberi vagy állati szervezet nem, vagy csak elégtelen mennyiségben képes előállítani.

Az emberi szervezet számára 9 aminosav esszenciális:

Minden állatfajta számára más-más aminosavak esszenciálisak.

Elsőrendű fehérjék

A fehérjék biológiai értékét esszenciális aminosav tartalmuk határozza meg. Az elsőrendű, (komplett) fehérjék valamennyi esszenciális aminosavat a megfelelő mennyiségben, arányban tartalmazzák, ezért egyedüli fehérjeforrásként is elegendőek. Ebbe a csoportba az állati eredetű fehérjék tartoznak, mint a tojás, tej, hal, vagy a húsfélék.

Másodrendű fehérjék

A másodrendű (inkomplett) fehérjék egyes esszenciális aminosavakban hiányosak, ezért önmagukban elégtelen fehérjeforrások. Azonban a komplett, vagy egy másik inkomplett fehérjével kiegészítve teljes értékűvé tehetők. A másodrendű fehérjék csoportját zömében a növényi fehérjék alkotják.

Fehérjeszükséglet

Abszolút fehérjeminimum

Az emberi szervezet megfelelő energiabevitel mellett fehérjementes étrendben is használ fel fehérjét. Ez az endogén fehérjeveszteség a vizeletben, székletben, a verejtékben, és más váladékokban (köröm, haj, hámló bőr) lévő nitrogén meghatározásával ki is mutatható. Pl: Egy 70 kg-os férfi endogén fehérje-vesztesége 24 g/nap. Ezt abszolút fehérjeminimumnak is nevezik.

Élettani fehérjeminimum

Az a legkisebb fehérjebevitel, amellyel a szervezet nitrogénegyensúlya éppen elérhető. Vagyis a bevitt fehérje nitrogéntartalma egyenlő a vizelettel, széklettel, verejtékkel, és egyéb módokon ürített nitrogén mennyiségével. Egy egészséges, 70 kg-os, fiatal férfi fehérjeminimuma 42 g/nap.

Ajánlott fehérjebevitel

Gyermekek fehérjeszükséglete A bevitt fehérjének fedeznie kell a növekedéshez szükséges mennyiséget, a növekedés viszont nem egyenletes, ezért a fehérjebevitelt úgy kell megállapítani, hogy mindenkor elegendő fehérje álljon rendelkezésre. Ez a mennyiség az életkor függvényében 32-75g/nap.

Felnőttek fehérjeszükséglete Vegyes táplálkozás mellett figyelembe kell venni a fehérjék emészthetőségét, valamint az aminosav-összetételt jelző biológiai értékeket, a hazai táplálkozási szokásokat, a fehérjék kölcsönös kiegészítő (komplettáló) hatását. Így a testtömegre számított fehérjebevitel, 1 g/ttkg javasolt aktívan nem sportoló személyeknek. Sportolóknak ennél többre is szükségük lehet (1.5-2g/ttkg).

Terhesek fehérjeszükséglete Vegyes táplálkozás mellett, a terhesség teljes időtartama alatt, 10 g/nappal több bevitelre van szükség, mint a terhességet megelőzően.

Szoptatás alatti fehérjeszükséglet Mivel az anyatej átlagos fehérjetartalma 1,2-1,3 g/100 g, ezért a 100 g elválasztott tejre 2,4 g fehérjét kell bevinni. Vagyis az első 6 hónapban napi 20 g, míg a hetedik hónaptól napi 15 g többlet fehérjebevitel ajánlott.

Az idősek fehérjeszükséglete Az életkor előrehaladtával változik a testösszetétel, az élettani funkciók, a fizikai aktivitás, az elfogyasztott táplálék mennyisége, de egyben csökken a fehérjék hasznosulása is, ezért a 60 évesnél idősebbek részére 1,2-1,5 g/ttkg bevitel ajánlott.

Az aminosavak víz-ammónia "szimmetriája":

Az aminosavak molekulájában előforduló aminocsoport (-NH2) és karboxilcsoport (-COOH) érdekes lehetőséget vet föl az életformáló aminosavak keletkezésére. Ezek olyan bolygófelszínek közelében keletkezhettek, ahol mindkét oldószer, az ammónia is és a víz is fontos szerepet játszott. Ha az aminosavak közül a 20 fehérjealkotót vizsgáljuk, sorba rendezhetjük őket a vizes jelleg és az ammóniás jelleg súlya szerint. A vizes oldalt képviseli az OH gyök és a COOH gyök, míg az ammóniás oldalt az (-NH2) gyök és a HNOOH gyök. Az ábra bal oldalán az elrendezés mintáját mutatjuk be a kis hatszögekkel. Az ábra jobb oldala az élet fehérjéit alkotó aminosavak víz-ammónia "szimmetriáját" szemlélteti.

Fehérjék

A fehérjék aminosavak lineáris polimereiből felépülő szerves makromolekulák. A fehérjék aminosav sorrendjét a gének nukleotid szekvenciája kódolja a genetikai kódszótárnak megfelelően. A fehérjék kialakításában a 20 féle "proteinogén" amiosav vesz részt, melyek szomszédos amino és karboxil csoportjaik között kialakuló peptidkötés révén kapcsolódnak egymáshoz, így kialakítva a fehérjék elsődleges szerkezetét, amit aminosav szekvenciának is nevezünk. A funkcióképesség megszerzéséhez, vagy a megfelelő szabályozás érdekében gyakran találkozunk az aminosav oldalláncok utólagos (poszt-transzlációs) módosításával. Egyes polipeptidek kialakításában több ezer aminosav is részt vehet, míg azokat, melyek kevesebb (<30) aminosavból épülnek fel, és nincs határozott harmadlagos szerkezetük szokás peptideknek nevezni, bár a peptid-fehérje megkülönböztetést elég lazán kezeli a tudományos nomenklatúra.

A fehérjék fontos biológiai szerepét jellemzi, hogy minden sejtben lejátszódó folyamatban részt vesznek. Számos fehérje enzimaktivitást mutat, azaz valamilyen biokémiai folyamat katalizátoraként segítik elő a sejt életben maradását. Fehérjék rendelkezhetnek stabilizáló, szerkezeti funkcióval is: sejt alakjának kialakítása (aktin, mikrotubuláris sejtváz, intermedier filamentum), sejten belüli transzportfolyamatok lebonyolítása (dinei, kinezin, miozin) mozgatás (akto-miozin rendszer). Más fehérjék a sejt és környezete közötti információ áramlás megvalósítása révén teszik lehetővé, hogy a sejt érzékelni tudja, és reagálni tudjon a külvilág ingereire.

Habár már Berzelius 1838-ban a fehérjéknek a görög eredetű protein nevet adta (melynek jelentése: „elsődleges fontosságú”), valódi szerepük felfedezéségig 1926-ig várni kellett, mikor Summer bebizonyította, hogy az ureáz nevű enzim egy fehérje. Az első fehérje, melynek aminosav szekvenciáját megismerhettük az inzulin volt. Ezért az eredményéért Frederich Sanager 1953-ban kémiai Nobel-díjat kapott. Max F. Perutz-t és John C. Kendrew-t 1962-ben kémiai Nobel díjjal jutalmazták a mioglobin szerkezetének röntgen krisztallográfiás módszerrel történő megoldásáért, mely az első megismert atomi szintű fehérje térszerkezet volt. Mára az ismert fehérje szekvenciák száma, a genomikai programoknak köszönhetően a milliós méretet is meghaladta, míg az ismert térszerkezetek száma megközelíti az ötvenezret.

Fehérjék biokémiája:

A természetes fehérjék 20 különféle L-α-aminosavból felépülő lineáris polimerek. Ezen „proteinogén” aminosavak számos tulajdonságban megegyeznek: rendelkeznek egy α-szénatommal, melyhez aminocsoport és karboxil csoport kapcsolódik, valamint egy hidrogén atom. Csak a prolin képez ez alól kivételt: amino csoportjának visszakapcsolódásával egy rendhagyó gyűrűs szerkezet alakul ki. A többi aminosav tetraéderes α-szénatomjának negyedik liganduma más és más, így különböző tulajdonságokkal tudnak a fehérje szerkezetének, funkciójának kialakításához hozzájárulni. Vannak savas (Glu, Asp), bázisos (Arg, Lys), apoláris (Phe, Tyr, Trp, Met, Ile, Leu, Val, Ala), poláris (Ser, Thr, Cys, His, Asn, Gln) oldalláncú aminosavak, illetve a glicin az egyetlen akirális aminosav, melynek oldallánca csupán egy hidrogén. Az aminosavak összekapcsolódása vízkilépéses reakció, ami egy transz, planáris jellegű peptidkötést hoz létre. A lehetséges rezonancia szerkezetek kettős kötés jelleget adnak a peptid síknak, ami a kötés mentén történő rotációt gátolja. A kötést kialakító atomok sorából, a polimer kialakulása során jön létre az összefüggő peptid gerinc. Az oldalláncok a peptidgerincről "lelógva" egymással és a gerinccel kölcsönhatva alakítják ki a fehérjékre jellemző térszerkezet.

A fehérjék a sejten belüli szintézist követően, az oldalláncokon található változatos funkciós csoportokon keresztül, számos poszt-transzlációs módosításon átmehetnek. A leggyakoribb módosítás a foszforiláció, mely során a fehérjére specifikus kináz enzim foszfát csoportot helyez egy meghatározott Ser, Thr, Tyr ritkábban His oldalláncra. A glikoziláció szintén gyakori jelenség, ebben az esetben oligo/mono-szacharid láncok kapcsolódnak Asn, Ser, Thr, Trp láncokhoz.

Itt kell megjegyezni, hogy amid és amino csoportot tartalmazó aminosav oldalláncok között, transzglutamináz reakció eredményeként kialakulhatnak peptidkötést tartalmazó kereszthidak, mint például véralvadás vagy a tej megalvása során.

A fehérje térszekezetének szintjei:

Elsődleges szerkezet

Az elsődleges vagy primer szerkezet a fehérje aminosavszekvenciája, tulajdonképpen a konstitúciója. Az aminosavakból felépülő fehérjék irányított polimerek a peptidkötés aszimmetrikus jellegének köszönhetően. A fehérjelánc szintézisekor a legutoljára beépült aminosav karboxilcsoportjához kapcsolódik a következő aminosav aminocsoportja és így tovább. Így megkülönböztetjük a fehérjelánc "elejét", a szabad aminocsoportot tartalmazó N-terminálist, valamint a "végét", a szabad karboxil csoportot tartalmazó C-terminálist. Mindezt a +H2(–HN–Cα–CO)n–O- képlettel lehet legtömörebben leírni.

Másodlagos szerkezet

A másodlagos vagy szekunder szerkezeten a peptidgerinc hidrogénkötések által stabilizált lokális (legalább négy aminosavra kiterjedő) rendezettségét értjük. Ezt a szerkezeti szintet a peptidsíkok egymáshoz képest történő elfordulásával jellemezhetjük, azaz a φ (fi; C–N–Cα–C), ψ (pszi; N–Cα–C–N) és az ω (ómega; Cα–C–N–Cα; szinte mindig ±180°) torziós szögekkel. E szerkezeti elemek legfőbb csoportjai a jobb- vagy balmenetes hélixek, a redők, a hurkok és a kanyarok; leggyakoribb az α-hélix, az antiparallel β-redő és a β-kanyar.

Harmadlagos szerkezet

A harmadlagos vagy tercier szerkezet egy polipeptidlánc teljes térbeli konformációja. Ezt a konformációt mindenekelőtt a hidrofób kölcsönhatások stabilizálják. Egy peptidlánc tartalmazhat egyetlen vagy többféle másodlagos szerkezeti elemet, melyek rendezetlen szakaszokkal váltakoznak, de ismertek olyan fehérjék is, melyekből teljesen hiányoznak a rendezett szerkezetek, ezeket natívan rendezetlen fehérjéknek nevezzük.

Negyedleges szerkezet

Bizonyos fehérjéket több peptidlánc alkot, melyeket ez esetben alegységekenek nevezünk. A peptidláncok lehetnek azonosak vagy eltérőek, számuk általában nem haladja meg a nyolcat, de ismertek fontos kivételek: pl. egyes vírusok kapszidja hatvan polipeptidből áll.

Csoportosításuk:

Összetételük szerint

Funkciójuk szerint

A fehérjék sokféle funkciót töltenek be a szervezetben, ezek közül a fontosabbak: