fehérjék elsődleges és másodlagos szerkezete
4.1. A 20 (+2) fehérjealkotó aminosav
A 20 (+2)-féle fehérjealkotó aminosav teljes készletének azonosítása meglepően hosszú időt vett igénybe. Az elsőként azonosított aszparagint a spárga (Asparagus) növényből izolálták (innen ered az elnevezése is) 1807-ben, míg utolsóként a treonint azonosították 1938-ban. Érdemes megjegyezni, hogy az összes fehérjealkotó aminosav elnevezése fantázianév. A glutaminsav a búza „glutén” fehérjéjéről (melyben a latin eredetűglutenszó ragasztót jelent) kapta a nevét, míg a glicin elnevezése a görög „glykos”, édes szóból, a tiroziné pedig a görög „tyros” sajt szóból ered.
A fehérjealkotó aminosavak mind α-amino-karbonsavak. Ez azt jelenti, hogy olyan, aminocsoportot és karboxilcsoportot egyaránt tartalmazó vegyületek, amelyek aminocsoportja és karboxilcsoportja ugyanahhoz a szénatomhoz, nevezetesen az α-val jelölt szénatomhoz kapcsolódik (lásd4.1. ábra).
4.1. ábra: Az amino-karbonsavak általános képlete
Ehhez az α-szénatomhoz tartozik az oldallánc csoport is. A 20-féle fehérjealkotó aminosav az oldalláncok tekintetében különbözik egymástól. Röviden jegyezzük csak meg, hogy létezik egy 21. és 22. fehérjealkotó aminosav is. Az élővilág minden kategóriájában, bár nem túl sok fehérjében fordul elő aszeleoncisztein, amely a cisztein származéka (az oldallánc kénatomot egy szelénatom helyettesíti). Egyes metanogén archeákban levő fehérjékben pirrollizintalálható, amely a lizin származéka (az oldallánc aminocsoporthoz egy pirrol-csoport kapcsolódik). Ez a két aminosav speciális módon épül be a fehérjékbe a transzláció során. A fehérjékből sok más aminosav is azonosítható, de ezek mindegyike poszttranszlációs úton, a fehérje oldalláncok utólagos kémiai módosulásával keletkezik.
Az aminosavak egyes szénatomjainak jelölésére illetve számozására (sajnos) egyszerre kétféle nevezéktan is használatos. A szénatomok hagyományos, görög betűkkel történő jelölése a legmagasabb rendű funkciós csoporttól
indul. Az ahhoz kapcsolódó első szénatom kapja az a, az azután következő a b, stb. elnevezést. Az adott szénatomhoz közvetlenül kapcsolódó funkciós csoport „örökli” a szénatom görög jelölését. Ennek megfelelően minden fehérjealkotó aminosavban van például a-karboxil és a-aminocsoport, míg például a lizin aminosavban ezeken kívül van egy e-aminocsoport is.
A szerves kémiában elfogadott számozás a fentitől eltérő logikát követ, mivel a karboxilcsoportban szereplő szénatom kapja az 1. sorszámot, és a sorban egymáshoz kapcsolódó szénatomok rendre növekvő sorszámot kapnak.
A két eltérő jelölési sémát a lizin aminosav példáján keresztül a4.2. ábraillusztrálja.
4.2. ábra: Az amino-karbonsavak szénatomjainak jelölése két eltérő egyezményes rendszer szerint Egyetlen kivétellel minden fehérjealkotó aminosavban négy eltérő csoporthoz kapcsolódik az a-szénatomhoz, ez a szénatom tehát királis centrumot alkot. Az egyetlenkivétel a glicin, hiszen ennek oldallánc csoportja egy hidrogénatom, így itt az a C-atomhoz két hidrogénatom kapcsolódik. A glicin esetében tehát az a C-atomhoz nem négyféle, hanem csak háromféle funkciós csoport kapcsolódik.
A többi 19 aminosav az optikai izoméria miattkétfélekonfigurációban létezhet, amelyek egymás tükörképei, más névenenantiomerpárjai.A fehérjékbenugyanakkor a kétféle enantiomerbőlkizárólag az egyikvan jelen, a most ismertetendő Fischer-féle nevezéktan szerinti L-enantiomer.
(Az optikai izomériánál ismertetett hivatalos R/S nevezéktan szerint egy kivétellel minden királis szénatomot tartalmazó aminosav „S” konfigurációjú. Az egyetlen kivétel a cisztein, mivel a hivatalos nevezéktanban használt eljárás szerint a királis szénatomhoz kapcsolódó -CH2SH csoport magasabb rendű, mint a –COOH karboxilcsoport.
Emiatt a cisztein R beosztást kap. A hivatalos nevezéktanhoz tartozó eljárás tehát érzékenyebb egy-egy atom cseréjére, mint a Fischer-féle rendszer.)
Biokémiában a történelmi hagyományok tisztelete miatt megőrződött Emil Fischer nevezéktana is. Ezt Emil Fischer eredetileg a cukrokra vezette be 1891-ben. Nevezéktanát a legegyszerűbb királis cukorból, a glicerin-aldehidből vezette le. Az eredetileg tehát cukrokra bevezetett Fischer-féle projekcióban a cukormolekula szénláncát függőlegesen ábrázoljuk. A királis szénatom egy adott, kijelölt síkban van. A királis szénatomhoz kapcsolódó magasabb besorolású csoport feljebb, az alacsonyabb besorolású lejjebb helyezkedik el. Mindkét kapcsolódó szénatom a sík mögött helyezkedik el. Cukrok esetében a vízszintesen elrendezett másik két csoport vagy hidroxilcsoport, vagy hidrogénatom lehet. Ha ezek közül a magasabb rendű (tehát a hidroxil) baloldalra esik, akkor az enantiomer L (baloldali:laevus) konfigurációjú, ha jobboldalra esik, akkor D (jobboldali:dexter) konfigurációjú.
A Fischer-féle nevezéktan aminosavak esetében úgy alkalmazható, hogy a glicerin-aldehidben szereplő aldehid csoportot gondolatban karboxilra, a hidroxilcsoportot pedig aminocsoportra cseréljük (lásd4.3. ábra).
A4.4. ábraillusztrálja, hogy a valódi térbeni elrendeződést milyen egyezményes egyszerűsítések alapján lehet végül síkban jelezni.
Érdemes megjegyezni, hogy amikor Emil Fischer bevezette a fenti D/L nevezéktant, már kimutatható volt, hogy a tükörképi enantiomer párok ellentétes irányban forgatják el a síkban polározott fényt. Azt azonban Fischer még nem tudta megállapítani, hogy az a forma, amelyik a fényt jobbra forgatja el, vajon az általa D konfigurációjúnak nevezett, vagy az L konfigurációjúnak nevezett forma-e. Ma már tudjuk, hogy a D glicerin-aldehid a síkban poláros fényt történetesen jobbra, míg az L konfigurációjú balra forgatja.
4.3. ábra: Az enantiomerek nevezéktanának Emil Fischer által bevezetett eljárása a glicerinaldehid alapján
4.4. ábra: Az enantiomerek eltérő térbeliségének különböző ábrázolási módjai
Azt, hogy a 20-féle fehérjealkotó aminosavból az a 19, amelyik királis centrumot tartalmaz, mind azonos konfigurációs típusban van jelen a fehérjékben, rendkívül hosszadalmas kísérletsorozatban igazolták. Ez az oldalláncok kémiai egymásba alakításán és optikai aktivitásuk mérésén keresztül történt.
Azt azonban, hogy a két lehetséges eset közül melyik abszolút konfigurációs típusba tartoznak, elsőként röntgendiffrakcióval sikerült megállapítani. Ekkor derült ki, hogyaz összes királis fehérjealkotó aminosav L konfigurációban van.
A4.1. táblázatfoglalja össze a 20 aminosav nevét, hárombetűs és egybetűs rövidített elnevezését, moláris tömegét, disszociációra képes csoportjainak pKaértékét, az aminosav izoelektromos pontját, hidropátiás indexét, fehérjékben meghatározott előfordulási gyakoriságát. A hidropátiás index azt számszerűsíti, hogy az adott aminosav oldallánca mennyire vízkedvelő, vagy víztaszító tulajdonságú. Minél nagyobb pozitív szám tartozik az indexhez, annál inkább hidrofób, minél nagyobb negatív értékű szám tartozik az indexhez, annál inkább vízkedvelő az oldallánc.
4.1. táblázat: Az aminosavak legfontosabb fizikokémiai tulajdonságai
A4.1. táblázataz egyes aminosavakat alapvető fizikokémiai tulajdonságuk szerint csoportosítja. Érdemes kiemelni, hogy még a legegyszerűbb osztályozás szerint islegalább 5 típust érdemes elkülöníteni (pl.apoláros alifás, aromás, poláros, töltést nem hordozó; poláros, negatív töltést hordozó; poláros, pozitív töltést hordozó). Az aminosavak tehát fizikokémiai tulajdonságuk tekintetében nagyfokú eltéréseket mutatnak, a teljes 20-tagú készlet komoly változatosságot képvisel.
A disszociációra képes csoportok tekintetében elsősorban az oldalláncokat érdemes kiemelnünk, hiszen a minden aminosavban jelen lévő α-amino és α-karboxilcsoportok a fehérjében (az 1-1 amino-, illetve karboxiterminális kivételével) már nincsenek jelen. Hét aminosav oldallánca esetében kell számolnunk disszociációval. Ezek közül 5 esetében nyilvánvaló, hogy az élőlényekben jellemző pH tartományban nagyrészt disszociált formában vannak jelen.
Azaszparaginsavés aglutaminsavneutrális közegben 1-1 protont teljes mértékben leadnak, így ezek egységnyi negatív töltést hordoznak. A táblázatban jelzett értékek (3,64 illetve 4,25) a semleges töltésű forma, mint sav pKa értékei.
A lizin és az arginin neutrális kémhatású közegben extra protont vesznek fel, praktikusan teljes mértékben protonáltak, tehát egységnyipozitív töltést hordoznak. A táblázatban jelzett érték (~10,5 és ~12,5) a pozitív töltésű forma, mint sav pKaértékei. A hisztidin pKaértéke is a pozitív töltésű formára vonatkozik. A6,0érték jelzi, hogy semleges kémhatású közegben a hisztidin oldalláncok zöme pozitív töltésű, de a hisztidin oldalláncok mintegy tizede semleges (lásd Henderson-Hasselbalch egyenlet,2.5.4. fejezet).
A szabad (nem diszulfidhídban lévő) cisztein és a tirozin is képesek leadni a protonjukat. Bár mindkét aminosav neutrálisan semleges típus tagjaként került felsorolásra, fontos tudnunk, hogy a pH függvényében akár tetemes arányban is töltéssel rendelkező formában lehetnek jelen. A pKaértékek alapján látható, hogy aciszteinesetében (pKa~8,2) már semleges kémhatáson, atirozinesetében (pKa~10,5) csak lúgos közegben számottevő a deprotonált, negatív töltésű forma aránya.
Érdemes megjegyeznünk, hogy a4.1. táblázatban szereplő aminosav gyakorisági adatok globuláris fehérjékre vonatkoznak, s ettől valamelyest különböznek a fibrilláris fehérjék, és jelentősen eltérnek az eredendően rendezetlen szerkezetű fehérjék (IUP:intrinsically unstructured protein) gyakorisági értékei.
A következőkben részletesebben kitérünk az egyes aminosav típusokra, ezek legalapvetőbb tulajdonságaira, és fehérjealkotóként betöltött tipikus biológiai szerepeikre.
4.1.1. Apoláros, alifás oldalláncú aminosavak
Szűkebb értelemben véve ebbe a csoportba a csak szén- és hidrogénatomot tartalmazó, nem aromás, tehát alifás oldalláncú aminosavak, aglicin(Gly), azalanin(Ala) aleucin(Leu) azizoleucin(Ile) avalin(Val) és aprolin (Pro) tartozhatnának, de mint látni fogjuk ametionin (Met)is ide sorolódik (lásd4.5. ábra).
4.5. ábra: Az alifás oldalláncú aminosavak
A glicin kivételével ezek az aminosavak mind hidrofóbtulajdonságúoldallánccal bírnak. A glicin a lehető legkisebb méretű, egyetlen hidrogénatomot tartalmazó oldallánca nem kényszeríti a hidrátburkot képző vízmolekulákat olyan rendezett klatrát struktúrára, ami miatt hidrofób hatás lépne fel.
Ezek az oldalláncok globuláris fehérjék esetében nagyobb arányban találhatók meg fehérje víz által hozzá nem férhető belső részében, a hidrofób magban, mint a víz számára hozzáférhető felszínen. A metionin esetében megjegyzendő, hogy annak oldallánca kénatomot is tartalmaz, ezért valójában nem alifás. Legtöbb fizikokémiai tulajdonsága miatt mégis célszerű az alifások közé sorolni. Ugyanakkor a metionin oldallánca a kénatomnak köszönhetően fémekkel és fémionokkal képes koordinációs komplexeket létesíteni.
Érdemes kiemelni, hogy minimális méretű oldallánca miatt a glicin a többi aminosav csoporthoz képest a legnagyobb, tehát maximális mértékű rotációs szabadságot biztosítja a polipeptidlánc számára. Ennek bizonyos térszerkezetek (például nagy hajlékonyságú „csukló” régiók) esetében fontos szerep jut.
A prolinaz egyetlen olyan fehérjealkotó aminosav, amelynek oldallánca egy szénatomon keresztül kovalens kötésben van az aminocsoporttal. A prolin tehátiminosav. Amikor prolin szerepel a polipeptidláncban, a főláncban megjelenő gyűrűs részlet az adott szakasz rotációs szabadsága minimális mértékű lesz. A prolin tehát az átlagosnál merevebb, korlátozott mozgékonyságú lokális szerkezeteket eredményez. Ugyanakkor az X-Pro kötés esetében lehetséges a cisz-transz izomerizáció (lásd4.3.5. fejezet)
4.1.2. Aromás oldalláncú aminosavak
Tipikusan három aminosavat szokás ebbe a csoportba sorolni: afenilalanint (Phe),atirozint (Tyr) és atriptofánt (Trp) (lásd4.6. ábra).
4.6. ábra: Az aromás oldalláncú aminosavak
Valójában a hisztidin (His) is aromás oldalláncú, de egyéb domináns tulajdonsága (pozitív töltést hordozhat) miatt egy másik csoportba szokták sorolni. Az említett három aminosav mindegyikére igaz, hogy ultraibolya tartományban karakteres fényelnyelési maximumuk van. A hisztidinnek nincs ilyen tulajdonsága, ez további érv amellett, hogy ne ebbe a csoportba sorolják.
Széles körben elterjedt téves nézet, hogy az itt felsorolt aromás aminosavak kifejezetten hidrofób tulajdonságúak.
A hidropátiás index is mutatja, hogy valójában csak a fenilalanin tekinthető egyértelműen apolárosnak, víztaszítónak.
Amíg tehát a fenilalanin egyértelműen hidrofób, addig a másik kettő vegyes tulajdonságokkal bír. A tirozin a fenolos, a triptofán pedig az indol gyűrűje révén, a könnyen polarizálható delokalizált elektronok miatt, indukált dipóluson keresztüli kölcsönhatásokban is részt tud venni. Ezen felül -OH ill. –NH csoportjukon keresztül képesek H-hidas kölcsönhatást is létesíteni. Ezek az oldalláncok gyakran lépnek interakcióba pozitív töltésű csoportokkal is a delokalizált elektronfelhő és a kationok között létrejövő úgynevezett kation-π kölcsönhatáson keresztül. A delokalizált elektronfelhők egymással is kölcsönhatásba léphetnek, ez az ún. p-p kölcsönhatás.
4.1.3. Poláros, töltést nem hordozó oldalláncú aminosavak
Ebbe a csoportba tartozik aszerin(Ser), atreonin(Thr), azaszparagin(Asn) és aglutamin(Gln), amelyek mindegyike egyértelműen poláros oldalláncú. Ugyanakkor jobb híján aciszteint (Cys) is ide szokták sorolni (lásd 4.7. ábra).
4.7. ábra: A töltést nem hordozó, poláros oldalláncú aminosavak
Semleges formájában a cisztein ugyan inkább hidrofób tulajdonságú, de a másik kéntartalmú aminosavval, a metioninnal ellentétben disszociált formában is jelen lehet, amikor is negatív töltést hordoz, így poláros. A metioninhoz hasonlóan a cisztein is képes fémekkel koordinációs komplexet képezni. Egyfajta „átlagtulajdonságot”
tekintve a ciszteint ezért jobb híján a poláros aminosavak közé sorolják.
Ezek az aminosavak oldalláncukon keresztül a vízzel kedvező H-hidas kölcsönhatást létesítenek (a gyenge hidrogénhíd donor cisztein kivételével). A szerin és a treonin hidroxilcsoportot, a cisztein szulfhidrilcsoportot, az aszparagin és a glutamin karbonsav-amid csoportot tartalmaz.
A peptidkötések drasztikus körülmények között végrehajtott savas hidrolízise során (lásd később) az amidkötések is elbomlanak, így az Asn és Gln aminosavak helyett ilyenkor aszparaginsav (Asp) illetve glutaminsav (Glu) keletkezik. Ez a fajta dezamidálódás spontán módon is végbemegy, elsősorban az Asn-Gly szekvencia részleteknél.
A spontán folyamatnak az enyhén lúgos közeg kedvez.
A fehérjék aminosavsorrendjének meghatározása hamarabb vált lehetővé, mint a fehérjéket kódoló gének DNS-szekvenálása. Számos fehérje esetében a fehérje szekvenálása bizonyos pontokban aszparaginsavat, vagy glutaminsavat jelzett, majd később a kódoló DNS-szekvenálása kimutatta, hogy az adott pozíciók tekintetében valójában Asn illetve Gln aminosavat kódol a gén. Mire a fehérje izolálásra került, az adott pozíciókban az Asn vagy Gln aminosav spontán dezamidálódott.
4.1.4. Pozitív töltéssel rendelkező oldalláncú aminosavak
Ebbe a csoportba alizin(Lys) azarginin(Arg) és ahisztidin(His) tartozik (lásd4.8. ábra).
4.8. ábra: A pozitív töltéssel rendelkező oldalláncú aminosavak
Ezek mindegyike hidrofil oldalláncú. A lizint és arginint „bázikus” aminosavként emlegetik, de mivel semleges pH-tartományban mindkettő egységnyi pozitív töltésű, savként viselkednek. AHis imidazol gyűrűje lehet semleges, vagy pozitívis. A protonált Lys és Arg hidrogénhíd kölcsönhatásban csak donorként szerepelhet.
A hisztidin a legsokoldalúbb aminosav. Semleges kémhatású közegben a semleges töltésű és a protonált formája is jelen lehet. A semleges töltésű formája gyenge bázis, hiszen protont vesz fel, míg a protonált forma gyenge sav, hiszen protont ad le. Ennek megfelelően általános bázis és általános sav-katalizisben is részt vehet, valamint jó nukleofil is. Ráadásul a hisztidin a nemkötő elektronpárjával fémionokat is köthet. A fentiek miatt a hisztidin meghatározó szerepet játszik számos enzim katalitikus mechanizmusában (pl. szerin- és cisztein-proteázok, glicerinaldehid-foszfát dehidrogenáz, lásd8.5.3. fejezet).
4.1.5. Negatív töltéssel rendelkező oldalláncú aminosavak
Bár a cisztein és a tirozin oldallánca is képesek proton leadással negatív töltésűvé válni, ebbe a csoportba csak az aszparaginsavat (Asp) és aglutaminsavat (Glu) sorolják (lásd4.9. ábra).
4.9. ábra: A negatív töltéssel rendelkező oldalláncú aminosavak
Bár a protonleadás képessége miatt ezeket az aminosavakat savas aminosavaknak is szokás nevezni, fontos megérteni, hogy ez adott esetben félreérthető megfogalmazás is lehet. Ennek a két aminosavnak az oldallánca semleges kémhatású közegben döntően disszociált, negatív töltésű, karboxilát ion formában van jelen. Amikor az oldallánc az említett formába került, akkor savként viselkedett (protont adott le), de ebben a formában ezek a csoportok már bázisként funkcionálnak, hiszen protont vehetnek fel.
Amint azt több esetben érintettük, egyes aminosavak besorolása nem problémamentes, mivel az egyes, az osztályozáshoz felhasznált tulajdonságok nem zárják ki egymást. Egyes aminosavak tehát egyszerre több csoportba is tartozhatnak. Emellett ráadásul az is igaz, hogy az említett tulajdonságokon felül egyéb fontos tulajdonságok szerint is érdemes csoportosítani az aminosavat. Ilyen például a méret. Az aminosavak különböző elvek mentén történő csoportosítását jól szemlélteti a4.10. ábrabemutatott Venn-diagram.
4.10. ábra: Az aminosavak egyik lehetséges, egyszerre sokféle fizikai-kémiai szempont szerinti csoportosítása Egy további különleges tulajdonsága miatt a ciszteinnel érdemes külön is foglalkozni. A ciszteinek szabad szulfhidrilcsoportjai oxidáció sorándiszulfid-hidakat képeznek. A reverzibilis reakcióban az –SH csoport valójában a disszociált, –Sˉ formában vesz részt, ezért a reakció lúgos közegben gyors, míg savas közegben szinte egyáltalán nem zajlik le. Savas közegben „konzerválni” lehet az egyensúlyra jellemző állapotot, tehát a szabad és diszulfidhídban lévő csoportok helyzetét. Fehérjék savas hidrolízisekor a diszulfidhídban lévő Cys-Cys csoportokat cisztinként lehet izolálni, míg a diszulfidhidat nem alkotókat cisztein aminosavként. Az –SH csoport polarizálhatósága miatt a cisztein reaktív oldallánccal rendelkezik, amely számos enzimreakcióban központi jelentőségű funkcionális csoportként szerepel.