Középszint

3.7: Aminosavból peptid; Fehérjék szerkezeti szintjei; Koaguláció és biuretpróba

3.7: Aminosavból peptid; Fehérjék szerkezeti szintjei; Koaguláció és biuretpróbaA tanulási sorrend: Aminosavból peptid; Fehérjék szerkezeti szintjei; Koaguláció és biuretpróba.Aminosavból peptidFehérjék szerkezetiszintjeiKoaguláció és biuretpróba
Adattáblázat megtekintése
SorrendRész
1Aminosavból peptid
2Fehérjék szerkezeti szintjei
3Koaguláció és biuretpróba

3.7: Aminosavból peptid; Fehérjék szerkezeti szintjei; Koaguláció és biuretpróba

3.7: Aminosavból peptid; Fehérjék szerkezeti szintjei; Koaguláció és biuretpróbaA tanulási sorrend: Aminosavból peptid; Fehérjék szerkezeti szintjei; Koaguláció és biuretpróba.Aminosavból peptidFehérjék szerkezeti szintjeiKoaguláció és biuretpróba
Adattáblázat megtekintése
SorrendRész
1Aminosavból peptid
2Fehérjék szerkezeti szintjei
3Koaguláció és biuretpróba
3.7: a témakör fő gondolati lépései.

Aminosavból peptid

Az α-aminosav általános képlete H2N–CH(R)–COOH. Két aminosav között a karboxil és aminocsoport vízkilépéssel –CO–NH– peptidkötést létesíthet. Dipeptidben egy, tripeptidben két peptidkötés van. A szekvencia, vagyis az aminosavak sorrendje meghatározza a fehérje elsődleges szerkezetét.

A polipeptidlánc gerince ismétlődik

A lánc gerincében az –NH–CH(R)–CO– részletek ismétlődnek. R jelöli az adott aminosav oldalláncát; az egymást követő egységek R-csoportjai különbözhetnek. A gerinc nitrogénje, α-szénatomja és karbonilszénje a lánc része, az oldallánc az α-szénatomhoz kapcsolódik.

A szekvenciát az N-végtől a C-vég felé írjuk. Az N-végen szabad aminocsoport, a C-végen szabad karboxilcsoport marad; töltésállapotuk a pH-tól függ. A fehérjében levő egységet aminosavmaradéknak nevezzük, mert az amidkapcsolat származtatásakor már nem a teljes szabad aminosav képletével szerepel.

A kondenzáció vízkilépéses mérlege a szerkezet származtatását mutatja. Két aminosav vizes oldatának egyszerű összekeverése nem épít magától fehérjét. A sejtben az aktivált építőegységek, az enzimek és a riboszóma biztosítják a rendezett láncképzést.

Nyílt polipeptidlánc, legalább két egységgel

H2N–CH(R1)–CO–[NH–CH(R)–CO]n-2–NH–CH(Rn)–COOH

Formális, töltés nélküli jelölés n≥2 esetén; a köztes R-csoport egységenként eltérhet. A szokásos általános α-aminosavvázat használjuk. A prolinmaradék gerincének nitrogénjéhez a gyűrű oldallánca is kapcsolódik, ezért az ilyen belső egységben nincs N–H.

Kidolgozott példa: Glicin–alanin moláris tömege

Feladat: M(glicin)=75 gmol, M(alanin)=89 gmol.
Mennyi a glicin–alanin dipeptid moláris tömege, és hány mol peptidkötés van 1,46 g tiszta dipeptidben?

Egyetlen peptidkötés származtatásakor egy vízmolekulával kevesebb szerepel: M(dipeptid)=75+89−18=146 gmol.

n(dipeptid)=1,46146=0,0100 mol.
Molekulánként egy peptidkötés van, ezért n(peptidkötés)=0,0100 mol.

A teljes hidrolízis formálisan 0,0100 mol, azaz 0,180 g vizet használ fel.
Az alanin–glicin moláris tömege ugyanennyi, de az aminosavsorrendje és a szerkezete eltér.

Fehérjék szerkezeti szintjei

Elsődleges szerkezet: aminosavsorrend. Másodlagos: a gerinc hidrogénkötéseivel stabilizált α-hélix vagy β-redő. Harmadlagos: egy polipeptidlánc teljes térszerkezete, amelyben oldallánc-kölcsönhatások is fontosak. A globuláris és fibrilláris fehérjék alakja és szerepe különbözhet. A szerkezet sérülése a működést is megváltoztatja.

Az α-hélix és az antiparallel β-redő hidrogénkötései

Az α-hélix és az antiparallel β-redő hidrogénkötéseiA spirál és a két cikkcakk szalag a polipeptidgerinc vázlatos vetülete, nem atomonkénti térmodell. Az α-hélix mellett kiemelt részlet az i-edik egység karboniloxigénje és az i+4-edik egység N–H-csoportja közötti hidrogénkötést mutatja; a csoportok többi kötését elhagytuk. A pontozott kapcsolat az O és H között van, az N–H kovalens kötés folytonos. A β-redőben szomszédos, kinyújtott láncszakaszok gerincének C=O és N–H-csoportjai kapcsolódnak hidrogénkötésekkel. A szaggatott vonalak ezek helyét csak sematikusan jelölik. A nyilak az N-végtől C-vég felé mutatnak. Ugyanannak a láncnak távoli szakaszai vagy külön láncok is részt vehetnek β-redőben.Hidrogénkötések a gerincbenα-hélix: felcsavarodott láncCOHNii + 4C=O···H–N kapcsolatβ-redő: szomszédos szakaszokNCCNItt ellentétes a láncirány.Párhuzamos β-redő is létezik.
Ábra szöveges leírása
LépésMagyarázat
α-hélixA gerinc felcsavarodik; az oldalláncok kifelé irányulnak.
β-redőA gerincszakaszok egymás mellett rendeződnek; az oldalláncok a redő két oldalára kerülnek.
HidrogénkötésA gerinc karboniloxigénje és egy másik peptidcsoport N–H-hidrogénje között.
A spirál és a két cikkcakk szalag a polipeptidgerinc vázlatos vetülete, nem atomonkénti térmodell. Az α-hélix mellett kiemelt részlet az i-edik egység karboniloxigénje és az i+4-edik egység N–H-csoportja közötti hidrogénkötést mutatja; a csoportok többi kötését elhagytuk. A pontozott kapcsolat az O és H között van, az N–H kovalens kötés folytonos. A β-redőben szomszédos, kinyújtott láncszakaszok gerincének C=O és N–H-csoportjai kapcsolódnak hidrogénkötésekkel. A szaggatott vonalak ezek helyét csak sematikusan jelölik. A nyilak az N-végtől C-vég felé mutatnak. Ugyanannak a láncnak távoli szakaszai vagy külön láncok is részt vehetnek β-redőben.

A szerkezeti szintek egymásba ágyazódnak

A másodlagos szerkezet a gerinc helyi, rendezett alakja. A hidrogénkötésben a peptidcsoport karboniloxigénje elektronpárt szolgáltat, a másik peptidcsoport N–H-hidrogénje pedig részt vesz a kapcsolatban. Ez nem újabb peptidkötés.

Az α-hélixben a gerinc csavarodik fel, az oldalláncok kifelé mutatnak. A β-redőben szomszédos, kinyújtott gerincszakaszok kapcsolódnak; az oldalláncok a redő két oldalára kerülnek. Azonos vagy ellentétes láncirány is lehetséges. Egyetlen lánc visszahajló részletei is alkothatnak β-redőt.

A harmadlagos szerkezet egy teljes lánc téralakja: hélixek, redők, kanyarok és más szakaszok együttese. Nem szükséges, hogy minden fehérjében mindkét rendezett forma szerepeljen. A globuláris fehérje tömör, közel gömbszerű alakú, a fibrilláris hosszú, szálas; az alakbesorolás nem azonos a másodlagos szerkezet nevével.

Koaguláció és biuretpróba

Hő, pH-változás vagy egyes anyagok a fehérje térszerkezetét megváltoztathatják; koaguláció lehet részben visszafordítható vagy tartós. Lúgos Cu(II)-oldatban a több peptidkötést tartalmazó anyag ibolyaszínű biuretpróbát adhat. Egyetlen aminosav nem fehérje és nem adja ugyanazt a próbát. Fehérjék szerkezeti anyagok, enzimek, hormonok, antitestek és szállítómolekulák is lehetnek.

Szerkezet és téralak

A peptidkötés –C(=O)–NH– kapcsolata síkhoz közeli; a részleges kettőskötés-jelleg korlátozza a forgást. Az α-szénatom konfigurációját külön kell jelölni, mert a térszerkezetet a szekvencia mellett a kiralitás is befolyásolja.

Fontos összefüggés

Denaturációnál rendszerint a másodlagos, harmadlagos vagy negyedleges szerkezet sérül; a peptidkötések hidrolízise külön kémiai folyamat. Enzimnél a működő aktív hely téralakja döntő.

Általános dipeptid: H_{2}N–CH(R)–C(=O)–NH–CH(R′)–COOH. A peptidkötés a karbonilszén és a következő nitrogén között van.Általános dipeptid: H_{2}N–CH(R)–C(=O)–NH–CH(R′)–COOH. A peptidkötés a karbonilszén és a következő nitrogén között van.H2NCH(R)CONHCH(R′)COOH
Általános dipeptid: H2N–CH(R)–C(=O)–NH–CH(R′)–COOH. A peptidkötés a karbonilszén és a következő nitrogén között van.

Az érettségin használható kapcsolatok

  • A fehérjék α-aminosavakból peptidkötésekkel felépülő polimerek. Az aminosavsorrend az elsődleges szerkezet, amely meghatározza a magasabb szerveződési szintek lehetőségét.
  • Másodlagos szerkezet például az α-hélix és β-redő, amelyet a peptidváz hidrogénkötései stabilizálnak. A harmadlagos szerkezet az egész polipeptidlánc térbeli alakja.
  • A térszerkezetet hidrogénkötés, ionos kölcsönhatás, diszperziós hatás, hidrofób kölcsönhatás és diszulfidhíd stabilizálhatja. Több lánc együtt negyedleges szerkezetet alkothat.
  • Denaturációkor a magasabb rendű szerkezet és a biológiai működés megváltozik, de a peptidkötések rendszerint nem hasadnak fel. Hő, szélsőséges pH, nehézfémion vagy szerves oldószer okozhatja.
  • A fehérjék kimutatására a biuretpróba peptidkötések jelenlétét jelzi ibolyaszínnel. A xantoprotein-próba aromás oldalláncokat mutathat ki.
  • Az itt tanult fehérjetermészetű enzimek biokatalizátorok; aktivitásuk a hőmérséklet, pH, szubsztrátkoncentráció és gátlók függvénye. A denaturáció az aktív centrum alakját is megváltoztathatja.

Az aktív hely alakja és kémiai csoportjai együtt számítanak

A szubsztrát az enzim által átalakított anyag. Az enzim–szubsztrát komplexben a megfelelő térbeli elhelyezkedés és kölcsönhatások elősegítik a reakciót. A fehérje nem mindig merev lakat: a kötődéshez alakváltozás is társulhat. A termék leválása után az enzim újabb átalakulásban vehet részt.

Az enzim kisebb aktiválási energiájú reakcióutat tesz lehetővé; az egyensúlyi állandót és a reakcióhőt ettől nem változtatja meg. Nem fogy el minden átalakított szubsztrátmolekulával együtt, de kedvezőtlen körülmények között elveszítheti működőképes szerkezetét.

Melegítéskor kezdetben nőhet a sebesség, nagyobb hőmérsékleten azonban a denaturáció miatt csökkenhet az aktivitás. A pH optimuma enzimenként különböző, ezért nincs minden enzimre igaz egyetlen optimális pH. Azonos enzimkoncentrációnál a szubsztrát mennyiségének növelése telítődéshez vezethet: a sebesség nem nő korlátlanul egyenes arányban.

A fejezet fehérjetermészetű enzimekre koncentrál. Katalitikus RNS-ek, vagyis ribozimek is léteznek; ezért a „minden biológiai katalizátor fehérje” állítás túl tág.

Az enzim a katalitikus ciklus végén ismét rendelkezésre áll

E + S ⇌ ES → E + P

Egyszerűsített reakcióvázlat: E az enzim, S a szubsztrát, ES a komplex, P a termék. A termékképződés több elemi lépésből is állhat; a vázlat nem minden enzim teljes mechanizmusa.

Felidéző gyakorlás

Melyik kapcsolat határozza meg a fehérje elsődleges szerkezetében az aminosavak sorrendjét?

Válaszolj a kérdésre, majd ellenőrizd a válaszod, és olvasd el a magyarázatot. Ebben a gyakorló nézetben a válaszokat nem mentjük.

Válassz egy választ
Középszintű követelmények · 3.7

Az Oktatási Hivatal követelményei

Az alfejezet fogalmainak, szerkezeteinek, reakcióinak és az ide tartozó egyszerű feladatoknak az értelmezése.

Középszintű érettségi mintafeladat

Egy dipeptid glicinből és alaninból épül fel. (8 pont)

  1. Melyik két funkciós csoport kapcsolódik össze? (2 pont)
  2. Mi a keletkező kötés neve és milyen kis molekula távozik? (2 pont)
  3. Hány peptidkötést tartalmaz a dipeptid, és melyik próba jelzi több peptidkötés jelenlétét? (4 pont)
Középszintű mintamegoldás és részletes pontozás
  1. Melyik két funkciós csoport kapcsolódik össze? (2 pont)Az egyik aminosav karboxilcsoportja és a másik aminocsoportja (1–1 pont).
  2. Mi a keletkező kötés neve és milyen kis molekula távozik? (2 pont)Peptidkötés (1 pont), víz (1 pont).
  3. Hány peptidkötést tartalmaz a dipeptid, és melyik próba jelzi több peptidkötés jelenlétét? (4 pont)Egyet (2 pont);
    a több peptidkötést a biuretpróba ibolyaszíne jelezheti (2 pont).

Összesen: 8 pont.

Glicin–alanin nem ugyanaz, mint alanin–glicin

Két különböző aminosavból két eltérő sorrendű dipeptid származtatható: H2N–CH2–CO–NH–CH(CH3)–COOH, illetve H2N–CH(CH3)–CO–NH–CH2–COOH. Az elsőben glicin a szabad aminocsoportot hordozó N-terminális egység, a másodikban alanin. A szekvenciát N-végtől C-vég felé közöljük.

Egy nyílt, elágazás nélküli láncban n aminosavegység között n−1 peptidkötés van. A dipeptid egyetlen amidkapcsolata nem elegendő a szokásos pozitív biuretpróbához; a próba több peptidkötés megfelelő elrendezését jelzi.

Kidolgozott példa: láncvégek és kilépő víz

Feladat: Öt glicinmolekulából egyetlen nyílt pentapeptidet származtatunk.
Mennyi víz lép ki, és mi a pentapeptid moláris tömege?
M(glicin)=75,0 gmol.

Öt egység között négy peptidkötés van: egy mol ilyen pentapeptid képződésekor 4 mol víz lép ki.

M=5·75,0−4·18,0=303 gmol.
Nem öt vízzel számolunk: a két láncvég szabadon marad.
A feladat a kondenzáció anyagmérlege, nem a sejtes fehérjeszintézis teljes mechanizmusa.

Mit változtat meg a denaturáció?

Mit változtat meg a denaturáció?A sorrendből kialakuló térszerkezet funkciót tesz lehetővé. Denaturációkor rendszerint a magasabb szerkezeti szintek változnak meg; ez nem szükségképpen peptidkötés-hidrolízis.Mit változtat meg adenaturáció?SzekvenciaPeptidkötések által rögzítettaminosavsorrend.Helyi rendeződésα-hélix vagy β-redő: a gerincC=O és N–H csoportjai közöttihidrogénkötések.Teljes téralakEgy lánc felgombolyodása:oldalláncok és a vízkölcsönhatása.MűködésAz aktív hely alakjánakváltozása a biológiai működéstmódosíthatja.
Ábra szöveges leírása
LépésMagyarázat
SzekvenciaPeptidkötések által rögzített aminosavsorrend.
Helyi rendeződésα-hélix vagy β-redő: a gerinc C=O és N–H csoportjai közötti hidrogénkötések.
Teljes téralakEgy lánc felgombolyodása: oldalláncok és a víz kölcsönhatása.
MűködésAz aktív hely alakjának változása a biológiai működést módosíthatja.
A sorrendből kialakuló térszerkezet funkciót tesz lehetővé. Denaturációkor rendszerint a magasabb szerkezeti szintek változnak meg; ez nem szükségképpen peptidkötés-hidrolízis.

Három különböző folyamat

FolyamatMi változik?Példa / következmény
Reverzibilis kisózásAz oldhatóság és a hidratációs környezet; a térszerkezet megmaradhat.Megfelelő só eltávolítása után a fehérje ismét oldódhat.
Denaturáció és gyakran koagulációA térszerkezet sérülhet, több lánc összetapadhat.Tojásfehérje melegítésekor tartós alvadék keletkezik.
HidrolízisA peptidkötés felhasad; rövidebb peptidek / aminosavak képződnek.Sav, lúg vagy megfelelő enzim hatására.

A téralak megváltozása és egy peptidkötés hidrolízise

A téralak megváltozása és egy peptidkötés hidrolíziseA számozott körök aminosavmaradékok; a köztük levő szakaszok a peptidlánc folytonosságát jelölik, nem teljes atommodellek. Denaturációkor a rendezett magasabb szerkezet változik meg: nem szükséges ehhez felhasítani a peptidkötéseket. A középső hullámos lánc ezért megőrizte az egységek sorrendjét és mind az öt peptidkötést. A külön bemutatott hidrolízisben a harmadik és negyedik egység közötti kötés egy vízmolekulával hasad, így két tripeptid keletkezik új végekkel. A rajz nem azt jelenti, hogy minden denaturációt hidrolízis követ. Lúgos közegben a létrejövő karboxilvég karboxilátionként, savas közegben az aminovég protonáltan lehet jelen.Alakváltozás vagy lánchasadás?Kiindulás: rendezett téralak123456Denaturáció: a lánc megmarad123456Ugyanaz a hat egység és öt kötés.Egy peptidkötés hidrolízise123456+ H2OÚj amino- és karboxilvég képződik.
Ábra szöveges leírása
LépésMagyarázat
DenaturációA térszerkezet és a működés megváltozhat, a szekvencia megmaradhat.
KoagulációA fehérjemolekulák összetapadhatnak, kicsapódhatnak.
HidrolízisPeptidkötés hasad: a lánc rövidebb részekre bomlik.
A számozott körök aminosavmaradékok; a köztük levő szakaszok a peptidlánc folytonosságát jelölik, nem teljes atommodellek. Denaturációkor a rendezett magasabb szerkezet változik meg: nem szükséges ehhez felhasítani a peptidkötéseket. A középső hullámos lánc ezért megőrizte az egységek sorrendjét és mind az öt peptidkötést. A külön bemutatott hidrolízisben a harmadik és negyedik egység közötti kötés egy vízmolekulával hasad, így két tripeptid keletkezik új végekkel. A rajz nem azt jelenti, hogy minden denaturációt hidrolízis követ. Lúgos közegben a létrejövő karboxilvég karboxilátionként, savas közegben az aminovég protonáltan lehet jelen.

A kicsapódás látványa és az oka külön kérdés

Kisózáskor megfelelő só nagy koncentrációja módosítja a fehérje vízzel való kapcsolatát és oldhatóságát. Ha a térszerkezet közben megmarad, a só eltávolítása vagy megfelelő hígítás után a fehérje ismét oldódhat. Nem minden só és koncentráció ugyanazt okozza.

A tojásfehérje melegítésekor a rendezett téralak felbomlik, és a molekulák összetapadása látható alvadékot ad. A lehűtés nem alakítja vissza folyékony tojásfehérjévé. Ez a denaturációval együtt járó, irreverzibilis koaguláció hétköznapi példája.

A pH-változás az ionizálható csoportok töltését és az ionos kölcsönhatásokat módosítja. Azonos pH más fehérjére eltérően hat: a gyomor egyes enzimei éppen savas közegben működnek. Nem helyes minden savanyítást automatikusan minden fehérje visszafordíthatatlan tönkremenetelével azonosítani.

A zavarosodás vagy csapadék önmagában nem bizonyít peptidkötés-hasítást. A hidrolízis a lánc kémiai felbontása; a koaguláció az összetapadás és kicsapódás jelensége. Kísérletben mindig a kezelésből, a visszaoldhatóságból és más megfigyelésekből együtt következtess.

Szerkezet és feladat néhány konkrét fehérjénél

PéldaSzerkezeti kapcsolatFeladat
Keratinα-hélixben gazdag láncrészletek; oldalláncok, köztük diszulfidhidak is stabilizálhatják.Szőr, haj és köröm mechanikai védelme.
Selyemfibroinβ-redők; a szomszéd láncrészletek gerince között hidrogénkötések.Szálas, nagy szakítószilárdságú szerkezeti anyag.
HemoglobinTöbb globuláris alegység együttese, hemcsoportokkal: negyedleges szerkezet.Oxigénszállítás; a hem vasat tartalmaz.
EnzimAz aktív hely a teljes felhajtogatott szerkezet része; többféle szerkezeti elem alkothatja.Adott reakció katalízise; a térszerkezet sérülése gátolhatja.

A fehérjék szerepeihez konkrét példát kapcsolj

SzerepPéldaSzerkezet és működés kapcsolata
Szerkezeti anyagKeratin, kollagén, selyemfibroinA szálas szerveződés mechanikai tulajdonságokat ad; a keratin hélixben, a fibroin β-redőben gazdag.
EnzimAmiláz, pepszinAz aktív hely meghatározott kémiai átalakulást katalizál; a megfelelő téralak és közeg szükséges.
HormonInzulinPeptidtermészetű jelzőanyag; nem minden hormon fehérje, például az adrenalin amin, több nemi hormon szteroid.
ImmunanyagAntitestA kötőhely téralakja és csoportjai meghatározott célpont felismerését teszik lehetővé.
TranszportmolekulaHemoglobinA hemcsoportokat tartalmazó fehérje az oxigén szállításában vesz részt.
Mozgásért felelős fonalakAktin és miozinRendezett fehérjeszerkezetek együttműködése hoz létre izommozgást.
Végső energiaforrásFehérjék aminosavainak lebontásaAz aminosavak szénváza energiát szolgáltathat. A fehérjéknek közben más nélkülözhetetlen feladataik vannak; nem kizárólag tárolóanyagok.

Felidéző gyakorlás

Melegítés után inaktív az enzim, de pozitív a biuretpróba. Mi magyarázhatja ezt?

Válaszolj a kérdésre, majd ellenőrizd a válaszod, és olvasd el a magyarázatot. Ebben a gyakorló nézetben a válaszokat nem mentjük.

Válassz egy választ

Tankönyvi kapcsolódás

Oktatási Hivatal: Kémia 9–10., II. kötet, 94–101. nyomtatott oldal; 64–65. lecke. A PDF-ben a nyomtatott oldalszámhoz 1-et adj hozzá.

A közép- és emelt szintű követelmények ellenőrzésének alapja az OH részletes követelményrendszere. A jegyzet magyarázatai, ábrái és feladatai önálló feldolgozások.

Források

A részletek ellenőrzési forrásai

A szerkezeti szintek: OpenStax, 26.9; a katalízis: 26.10. Az inzulin kapcsolatainak elsődleges leírása: Sanger Nobel-előadása; a katalitikus RNS-ek jelentősége: az 1989-es kémiai Nobel-díj ismertetése.

A gátlási modellek: NIH: Mechanism of Action Assays for Enzymes. A színpróbák összevetéséhez: King Saud University: fehérjék általános színpróbái.