Kemiajegyzet (Chemistry Notes): Fehérjék. Nukleinsavak (N)

Aminosavak

Fehérjékből savas hidrolízis hatására aminokarbonsavak, röviden aminosavak keletkeznek.
Az aminosavak olyan vegyületek, amelyek molekulájában aminocsoport és karboxilcsoport egyaránt előfordul. Biológiai jelentőségüknél fogva ehelyett csak a fehérjeeredetű aminosavakkal foglalkozunk.

A fehérjék építőkövei az a-aminosavak! Általános szerkezetük:

Az aminocsoport a 2., azaz az α szénatomon helyezkedik el. Az α szénatom királis, kivéve, ha R=H! A természetes aminosavak L-konfigurációjúak, azaz konfigurációjuk analóg az L-glicerinaldehid konfigurációjával (ls. Sztereokémia c. fejezet). A természetes aminosavak közül mintegy 20, különböző alkilcsoportot (R-csoport) tartalmazó molekula a legelterjedtebb.

Csoportosítás

Az oldallánc jellege szerint történhet.

APOLÁROS

POLÁROS

Vízmolekulákkal hidrogénkötést tud létesíteni.
Vizes oldatban az oldalláncban lévő karboxilcsoport disszociált formában vagy anion alakban, az erősen bázisos csoport pedig protonált formában vagy kation alakban van jelen.

Eszerint a természetes aminosavak "R"-lánca:

Semleges, apoláros

Példa:

R = H amino-ecetsav: H₂N-CH₂-COOH GLICIN

R = CH₃ 2-amino-propánsav vagy ALANIN

R = CH₂-C₆H₅ FENILALANIN
Semleges, poláros

Példa:

R = CH₂-OH SZERIN

R = CH₂-SH CISZTEIN

R = CH₂-CO-NH₂ ASZPARAGIN
Poláros, gyengén savas

Példa:

R = CH₂-C₆H₄-OH TIROZIN
Poláros, erősen savas vagy bázikus

Amino-dikarbonsavak és diamino-karbonsavak tartoznak ide:

Példa:

R = CH₂-COOH ASZPARAGINSAV

R = (CH₂)₄-NH₂ LIZIN

Más megfontolás alapján a fehérjéket felépítő aminosavak feloszthatók három nagy csoportra, de még ezeken a csoportokon belül is kisebb alcsoportok különböztethetők meg.

1.) MONOAMINO-MONOKARBONSAVAK

Egyetlen bázisos aminocsoportot és egyetlen savas karboxilcsoportot tartalmaznak. Neutrális aminosavaknak is tekinthetők, mert bennük azonos a savas és bázisos csoportok száma.

Apoláros oldalláncú aminosavak

Ebbe az alcsoportba olyan aminosavak tartoznak, amelyek oldalláncként alkilcsoportot tartalmaznak. Ide sorolhatók: glicin (Gly) [az oldallánc helyén hidrogénatomot tartalmaz, az egyetlen akirális aminosav!], alanin (Ala), valin (Val), leucin (Leu), izoleucin (Ile).
Alkoholos oldalláncot tartalmazó aminosavak

Ide két aminosav sorolható: szerin (Ser), treonin (Thr).
Kéntartalmú aminosavak

Ide szintén két aminosav tartozik: cisztein (Cys), metionin (Met).
Aromás oldalláncot tartalmazó aminosavak

Ide három aminosavat sorolhatunk: fenilalanin (Phe), tirozin (Tyr), triptofán (Trp).
Prolin (Pro), amely gyűrűvé záródik, és a szekunder aminokra jellemző iminocsoportot tartalmaz.
Aszparagin (Asn), glutamin (Gln), amelyek amidok.

2. MONOAMINO-DIKARBONSAVAK

Egy bázisos aminocsoport és két savas karboxilcsoport fordul elő! Ezeket savas aminosavaknak nevezzük. Ide tartozik az aszparaginsav (Asp) [a második karboxilcsoport a béta szénatomhoz kapcsolódik] és a glutaminsav (Glu) [a második karboxilcsoport a gamma szénatomhoz kapcsolódik].

3. BÁZISOS AMINOSAVAK

Jellemző ezen molekulákra, hogy egy második bázikus csoportot is tartalmaznak, ilyen a lizin (Lys), ahol a második bázikus csoport aminocsoport; a hisztidin (His), itt gyengén bázisos 4-imidazolilcsoport található; valamint az arginin (Arg), melyben igen erős bázisos sajátságú guanidino-csoport található.

Az aminosavak halmazszerkezete

Minden aminosav tartalmaz legalább egy bázikus amino- és egy savas jellegű karboxilcsoportot. Vizes oldatban, de kristályosítva, szilárd állapotban is az aminocsoport protonált, a karboxilcsoport protonálatlan állapotban van: ikerionos szerkezetű!

Az aminosavak ezért standardállapotban szilárd halmazállapotúak, a rács ionos jellegű.

Tulajdonságaik

Amfoterek, tehát a vízben rosszul oldódó (nagy, apoláros jellegű láncot tartalmazó) típusaik is feloldhatók sav-, illetve lúgoldatban (savoldatban a karboxilátion protonálódik, lúgoldatban az alkil-ammóniumion ad le egy protont).
A vízoldékony aminosavak vizes oldatának kémhatása a karboxil- és az aminocsoportok, valamint az egyes csoportok sav-bázis erősségétől (K_s, K_b) függ. Az amino-dikarbonsavak savas, a diamino-karbonsavak lúgos kémhatást okoznak a vízben, de az egyetlen amino- és egyetlen karboxilcsoportot hordozó aminosavak sem feltétlenül semlegesek. Példa erre, hogy a glicin vizes oldata gyengén savas kémhatású, mivel a K_s= 4,5·10^-3, a K_b= 2,5·10^-10.
A természetes eredetű aminosavak a fehérjékben amidkötéssel, biológiai értelemben peptidkötéssel kapcsolódnak.

Fehérjék

Alapszerkezet

Egy vagy több, aminosavakból összekapcsolódó polipeptidláncból és esetenként szervetlen vagy szerves, nem polipeptid típusú részből álló makromolekulák.

Jellemzők

Specifikus makromolekulák, melyben az építőegységek (aminosavak) sorrendje egyediséget kölcsönöz az adott molekulának!

Szerkezet

a.) Elsődleges szerkezet (primer struktúra)

aminosavszekvencia (aminosavsorrend)
az egyediséget a polipeptidláncban oldalláncként jelentkező R-csoportok sorrendje biztosítja.
A polipeptidlánc a peptidkötés körül nem foroghat (az oxocsoport pi-kötése és a nitrogén atom nemkötő elektronpárja delokalizálódik, ezzel rögzül a peptidkötés! /ls. ábra/).
A merev, síkalkatú peptidkötések közötti (az alfa-szénatom körül!) részlet mindkét oldalon elfordulhat (az ún. amidsíkok az alfa szénatom körül elforoghatnak). Az elvileg végtelen lehetőség közül az R-oldalláncok nagysága és töltése miatt jó néhány nem valósulhat meg.
Mégis a természetben egy adott fehérje csak egy vagy néhány konformációban fordul elő. Ennek oka a környezet (pH, ionkoncentráció, hőmérséklet stb.) viszonylagos állandóságában keresendő.

A fehérjék természetes lánckonformációja

b.) Másodlagos szerkezet (szekunder struktúra)

A lánckonformáció viszonylag monoton ismétlődő egységekből kialakuló szerkezete, mely leggyakrabban az α-hélix, illetve a β-redő.
A lánckonformációt a peptidkötések atomjai között kialakuló másodrendű kötések (pl. hidrogénkötések) tartják fenn, melyek a spirális szerkezetben az egymás feletti struktúrákat (α-hélix), a β-redőben az egymás mellé, hullámpapírszerűen rendeződött láncrészeket tartják össze.

c.) Harmadlagos szerkezet (tercier struktúra)

A másodlagos szerkezeti elemek - az α-hélix, β-redő - egymáshoz viszonyított elrendeződését jelenti, beleértve az azokat egymástól esetleg elválasztó rendezetlen, ún. random szerkezeti részeket is!
A lánckonformációt a másodrendű kötések mellett az oldalláncok közötti ionos kötések (pl. a karboxilátion és az alkil-ammóniumion között), illetve kovalenskötések (diszulfidhíd két cisztein molekula között) tartják fenn.

d.) Negyedleges szerkezet (kvaterner struktúra)

A több polipeptidláncból álló fehérjemolekulákra jellemző, és a polipeptidláncok egymáshoz való viszonyát jelenti.
A különböző alegységek (polipeptidláncok) közötti kapcsolatot a tercier struktúrát fenntartó erőkhöz hasonló kötések biztosítják.

A fehérjék típusai

1.) Konformáció szerint

FIBRILLÁLIS FEHÉRJÉK, melyeknek tercier struktúrájára az jellemző, hogy a molekuláknak csaknem teljes hosszában egyféle szekunder szerkezeti elem van jelen, így a hajat α-hélix, míg a selymet b-redő szerkezeti elemek építik fel.
GLOBULÁRIS FEHÉRJÉK, amelyek harmadlagos szerkezetére random (rendezetlen) szakaszok is jellemzők, míg más szakaszok β-redőzött vagy α-hélix struktúrát vesznek fel. Ilyenek az immunglobulinok, a hemoglobin, az albuminok. Molekuláik nagyjából gömb alakúak.

2.) Vegyi összetételük szerint

Egyszerű fehérjék (proteinek), amelyek csak aminosavakra hidrolizálhatók.
Összetett fehérjék (proteidek), amelyek aminosavakon kívül más, szerves vagy szervetlen, ún. nem fehérjerészt is tartalmaznak. Ilyen a hemoglobinban a hem, ami vastartalmú porfirinvázas vegyület; a tejben a kazein, ami foszfátcsoportot tartalmaz. A név utal a nem fehérje rész milyenségére: lipoproteid (a nem fehérje rész lipid), glükoproteid (a nem fehérje rész szénhidrát) stb.

3.) Funkció szerint

Struktúrfehérjék, az élőlények szerkezetét meghatározó fehérjék (szaru).
Enzimek, vagyis biokatalizátorok.
A sejtek kommunikációjában fontos fehérjék (hormonok, receptormolekulák).
Transzportmolekulák.
A mozgásban jelentős fehérjék (aktin, miozin, mikrotubulosok fehérjéi).
Immunfehérjék (immunglobulinok).
(Energiahordozók)

Nem megfelelő körülmények között a természetes lánckonformáció megszűnhet, ennek okai:

az ionkoncentráció megváltozása
pH-változás (a töltéssel rendelkező csoportok töltése megszűnhet, az oldalláncok ennek következtében elmozdulhatnak egymástól, és más oldalláncok között jöhetnek létre kötések)
hőmérsékletváltozás (a hőmozgás hatására előbb a gyengébb, majd magasabb hőmérsékleten akár a kovalens diszulfidhidak is felszakadhatnak)
sugárzások, amelyek képesek a kovalenskötések felszakítására.

Következményei:

Denaturálódás: az eredeti funkció megszűnése.
Koaguláció: a kolloid állapot megszűnése (kicsapódás).
Mind a denaturáció mind a koaguláció lehet megfordítható - reverzibilis -, vagy visszafordíthatatlan - irreverzibilis -.

A fehérjék kimutatása

1.) Biuret-reakció

NaOH-val meglúgosított oldatban néhány csepp CuSO₄ hozzáadásakor, fehérjék jelenlétében ibolya színreakció tapasztalható. A folyamat feltétele, hogy a vegyület legalább két peptidkötést tartalmazzon! A folyamat során lúgos közegben a réz(II.)-ionok komplexet alkotnak valószínűleg a peptidkötés oxigénatomjaival, ez okozza a színváltozást miközben ammónia szabadul fel, a peptidkötés reakciójáról van tehát szó.

2.) Xantoprotein-reakció

Tömény cc.HNO₃ hatására sárga színreakciót kapunk. Az aromás oldalláncokat a cc.HNO₃ nitrálja, s az így keletkező vegyület sárga színű. Csak az aromás oldalláncú aminosavakat tartalmazó fehérjék adják a próbát (tirozin, fenilalanin)!

Nukleinsavak

Az élő szervezet minden biológiai tulajdonságának átörökítéséért felelős makromolekulák!

Savval főzve hidrolizálnak, és a hidrolizátum:

foszforsavat,
ötszénatomos cukrot,
és nitrogéntartalmú heterociklusos vegyületet tartalmaz.

Építőegységeik a NUKLEOTIDOK!

A nukleotidok felépítése:

PENTÓZ: D-ribóz (RNS) vagy 2-dezoxi-D-ribóz (DNS).
A pentóz 1'-szénatomjához kapcsolódó nitrogéntartalmú heteroaromás bázis:
- PURINVÁZAS bázisok: adenin, guanin
- PIRIMIDINVÁZAS bázisok: citozin, uracil, timin
A pentóz 5'-szénatomján lévő hidroxilcsoportját észteresítve foszforsav.

A nukleotidok szerepe

Tri- és difoszfátjai a szervezet energiahordozói: ATP, ADP!
Koenzimek alkotórészei: NAD, NADP, KoA!
A sejtek kommunikációs kapcsolataiban játszanak szerepet: cAMP!
A nukleinsavak alkotórészei!

A nukleinsavak felépülése

A nukleinsavak nukleotidokból épülnek fel. A polinukleotidlánc tulajdonképpen poliészterlánc, melyben a nukleotid pentózának 5' szénatomjával észterkötésben lévő foszfátcsoport a másik nukleotid pentózának 3' szénatomján lévő hidroxilcsoporttal kondenzációs reakcióban (vízkilépés) hoz létre észterkötést.

A nukleisavak fajlagossága

A cukor-foszfát-lánc egységei monoton ismétlődnek, ezek tehát nem specifikusak! A molekula egyediségét a nukleotidok bázisai, azok szekvenciája (sorrendje) szabja meg!

A nukleinsavak konformációja

A cukor-foszfát-lánc különböző pontjai között hidrogénkötések jöhetnek létre. Egy-egy lánc különböző szakaszai - RNS esetén -, kettős polinukleotidláncnál - DNS esetén - a két lánc bázisai között jöhetnek létre hidrogénkötések, de csak meghatározott formában! Az adenin két hidrogénkötéssel csak timinhez (DNS) illetve uracilhoz (RNS), míg a guanin három hidrogénkötéssel csak citozinhoz kapcsolódhat!

	RNS	DNS
PENTÓZ	ribóz	dezoxiribóz
BÁZISOK	adenin, citozin, guanin
BÁZISOK	uracil	timin
KONFORMÁCIÓ	egyszálú	- kettős szálú - a cukor-foszfát-lánc lefutási iránya ellentétes
	Helyenként az egymást követő szakaszok hidrogénkötésekkel kapcsolódnak a bázisok révén úgy, hogy ezáltal a polinukleotidlánc hurokszerűen visszakanyarodik.	- A két lánc végig a bázisok közötti hidrogénkötések révén kapcsolódik össze (a két lánc bázissorrendje nem azonos, hanem a bázispárosodás szabályai szerint egymást kiegészítő, komplementer! - Kettős spirál alakul ki!
A bázisok mennyiségére vonatkozó összefüggések	-	purinbázisok = pirimidinbázisok adenin = timin guanin = citozin A komplementaritás miatt!
Funkció	- messenger-RNS (m-RNS) a fehérje aminosavsorrendjére vonatkozó információ szállítása (hírvivő RNS) - transfer RNS (t-RNS) az aktivált aminosav szállítása a riboszómára, a fehérjeszintézis helyére (szállító RNS) - riboszómális RNS	- Az anyagcsere szabályozása (az RNS-eken, mint végrehajtókon keresztül). - Átörökítés

Kemiajegyzet (Chemistry Notes)

Blogarchívum

2013. április 11., csütörtök

Fehérjék. Nukleinsavak (N)