3.7: Aminosavból peptid; Fehérjék szerkezeti szintjei; Koaguláció és biuretpróba
Adattáblázat megtekintése
| Sorrend | Rész |
|---|---|
| 1 | Aminosavból peptid |
| 2 | Fehérjék szerkezeti szintjei |
| 3 | Koaguláció és biuretpróba |
3.7: Aminosavból peptid; Fehérjék szerkezeti szintjei; Koaguláció és biuretpróba
Adattáblázat megtekintése
| Sorrend | Rész |
|---|---|
| 1 | Aminosavból peptid |
| 2 | Fehérjék szerkezeti szintjei |
| 3 | Koaguláció és biuretpróba |
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
Ábra szöveges leírása
| Lépés | Magyarázat |
|---|---|
| α-hélix | A gerinc felcsavarodik; az oldalláncok kifelé irányulnak. |
| β-redő | A gerincszakaszok egymás mellett rendeződnek; az oldalláncok a redő két oldalára kerülnek. |
| Hidrogénkötés | A gerinc karboniloxigénje és egy másik peptidcsoport N–H-hidrogénje között. |
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.
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.
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)
- Melyik két funkciós csoport kapcsolódik össze? (2 pont)
- Mi a keletkező kötés neve és milyen kis molekula távozik? (2 pont)
- Hány peptidkötést tartalmaz a dipeptid, és melyik próba jelzi több peptidkötés jelenlétét? (4 pont)
Középszintű mintamegoldás és részletes pontozás
- Melyik két funkciós csoport kapcsolódik össze? (2 pont)Az egyik aminosav karboxilcsoportja és a másik aminocsoportja (1–1 pont).
- Mi a keletkező kötés neve és milyen kis molekula távozik? (2 pont)Peptidkötés (1 pont), víz (1 pont).
- 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?
Ábra szöveges leírása
| Lépés | Magyarázat |
|---|---|
| Szekvencia | Peptidkötések által rögzített aminosavsorrend. |
| Helyi rendeződés | α-hélix vagy β-redő: a gerinc C=O és N–H csoportjai közötti hidrogénkötések. |
| Teljes téralak | Egy lánc felgombolyodása: oldalláncok és a víz kölcsönhatása. |
| Működés | Az aktív hely alakjának változása a biológiai működést módosíthatja. |
Három különböző folyamat
| Folyamat | Mi változik? | Példa / következmény |
|---|---|---|
| Reverzibilis kisózás | Az oldhatóság és a hidratációs környezet; a térszerkezet megmaradhat. | Megfelelő só eltávolítása után a fehérje ismét oldódhat. |
| Denaturáció és gyakran koaguláció | A térszerkezet sérülhet, több lánc összetapadhat. | Tojásfehérje melegítésekor tartós alvadék keletkezik. |
| Hidrolízis | A peptidkötés felhasad; rövidebb peptidek / aminosavak képződnek. | Sav, lúg vagy megfelelő enzim hatására. |
A téralak megváltozása és egy peptidkötés hidrolízise
Ábra szöveges leírása
| Lépés | Magyarázat |
|---|---|
| Denaturáció | A térszerkezet és a működés megváltozhat, a szekvencia megmaradhat. |
| Koaguláció | A fehérjemolekulák összetapadhatnak, kicsapódhatnak. |
| Hidrolízis | Peptidkötés hasad: a lánc rövidebb részekre bomlik. |
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
| Példa | Szerkezeti kapcsolat | Feladat |
|---|---|---|
| Keratin | α-hélixben gazdag láncrészletek; oldalláncok, köztük diszulfidhidak is stabilizálhatják. | Szőr, haj és köröm mechanikai védelme. |
| Selyemfibroin | β-redők; a szomszéd láncrészletek gerince között hidrogénkötések. | Szálas, nagy szakítószilárdságú szerkezeti anyag. |
| Hemoglobin | Több globuláris alegység együttese, hemcsoportokkal: negyedleges szerkezet. | Oxigénszállítás; a hem vasat tartalmaz. |
| Enzim | Az aktív hely a teljes felhajtogatott szerkezet része; többféle szerkezeti elem alkothatja. | Adott reakció katalízise; a térszerkezet sérülése gátolhatja. |
A fehérjék szerepeihez konkrét példát kapcsolj
| Szerep | Példa | Szerkezet és működés kapcsolata |
|---|---|---|
| Szerkezeti anyag | Keratin, kollagén, selyemfibroin | A szálas szerveződés mechanikai tulajdonságokat ad; a keratin hélixben, a fibroin β-redőben gazdag. |
| Enzim | Amiláz, pepszin | Az aktív hely meghatározott kémiai átalakulást katalizál; a megfelelő téralak és közeg szükséges. |
| Hormon | Inzulin | Peptidtermészetű jelzőanyag; nem minden hormon fehérje, például az adrenalin amin, több nemi hormon szteroid. |
| Immunanyag | Antitest | A kötőhely téralakja és csoportjai meghatározott célpont felismerését teszik lehetővé. |
| Transzportmolekula | Hemoglobin | A hemcsoportokat tartalmazó fehérje az oxigén szállításában vesz részt. |
| Mozgásért felelős fonalak | Aktin és miozin | Rendezett fehérjeszerkezetek együttműködése hoz létre izommozgást. |
| Végső energiaforrás | Fehérjék aminosavainak lebontása | Az 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.
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.