Aminohapped ja valgud

Loeng 4

R-C-COOH

NH2

H

•Aminohapete nomenklatuur, struktuur ja keemilised omadused•Peptiidside. Polüpeptiidid ja valgud•Valkude funktsionaalne mitmekesisus

Aminohapped

•Valgud koosnevad aminohapetest•20 aminohapet on harilikud ehk standardsed•Aminohapped va proliin on -aminohapped

R-C-COOH

NH2

H-süsinik

-aminohape üldkujul

Aminohapped kui tsvitterioonid

Neutraalse pH juures on laenguga nii amino- kui ka karboksüülrühm st molekulid on bipolaarsed ioonid

pKa karboksüülrühmale ca 2.2pKa aminorühmale ca 9.4

pI=1/2(pKa1 + pKa2) =5.7

pKa1 = 2.2

pKa2 = 9.2

Isoelektriline punkt- pH väärtus, kus ühendi summaarne elektrilaeng on null

Näide: seriini tiitrimine

-aminohapped – valkude koosseisukuuluvad monomeerid

20 aminohapet on standardsed ehk klassikalised, erinevad üksteisest R poolest

Milleks nii erinevad kõrvalahelad?

-valkude struktuurse ja funktsionaalse

mitmekesisuse tagamine

NH2

CH C

OR

OH

-laeng-geomeetria-keemilised omadused

-süsinik ja neli asendajat:

R- kõrvalrühmaminorühmkarboksüülrühmH-aatom

Valgud ja aminohapped

•Valgud, polüpeptiidid- lineaarsed aminohappe jääkidest koosnevad polümeerid •Valkude primaarstruktuur defineeritud nukleiinhappe järjestuse poolt•Mw alates ca 5000 (5 kD)- vähemalt 500kD•Valkude struktuurne ja funktsionaalne mitmekesisus baseerub 20 erineva aminohappe kombinatsioonidel

Alaniin Ala AArginiin Arg RAsparagiin Asn NAsparagiinhape Asp DGlutamiin Gln QGlutamiinhape Glu EGlütsiin Gly GHistidiin His HIsoleutsiin Ile ILeutsiin Leu LLüsiin Lys KMetioniin Met M

Fenüülalaniin Phe FProliin Pro PSeriin Ser STreoniin Thr TTrüptofaan Trp WTsüsteiin Cys CTürosiin Tyr YValiin Val VSuvaline ah . Xaa XAsn või Asp Asx BGln või Glu Glx Z

Aminohapped on optiliselt aktiivsed

Optiline aktiivsus- polariseeritud valguse tasapinna pööramineOptiliselt aktiivsed molekulid on asümmeetrilisedAsümmeetria ehk kiraalne tsenter- süsinikAsümmeetria tsentrit ei ole glütsiinil

Fisheri projektsioon:-vertikaalsed sidemed suunatud tasapinna alla-horisontaalsed sidemed tasapinna ette

D-glütseeraldehüüd L-glütseeraldehüüd

L-aminohape

dextro D-levo L-

EnantiomeeridStereoisomeerid

R ja S

Peptiidside

Peptiidside- amiidsideMoodustub kondensatsioonireaktsioonisDi, tri, …oligo ja polüpeptiididN terminus ja C terminusNB! Valkudes sageli rohkem kui 1 ahel

G0 on ca 20 kJ/molst piisab 1 ATP hüdrolüüsi energiast

Biosüntees ATPAMP + 2Pi

2GTP 2GDP + Pi =4 ATP

Peptiidside on vesikeskkonnas suhteliselt stabiilneAktivatsiooni vabaenergia G0* on ca 80 kJ/mol

Aminohapped ja peptiidid: nomenklatuurist

5´AUGUCUUCCGCCUUUCUG 3´ RNA järjestus Met Ser Ser Ala Phe Leu kolmetähelised sümb.

M S S A F L ühetähelised sümb.

N terminus C terminus

Geneetiline kood on tripletne – XYZ , näit. AGC- Ser    2. positsioon  U C A G Phe Ser Tyr Cys U U Phe Ser Tyr Cys C1. Pos. Leu Ser XXX XXX A 3. Pos. Leu Ser XXX Trp G  Leu Pro His Arg U C Leu Pro His Arg C Leu Pro Gln Arg A Leu Pro Gln Arg G  Ile Thr Asn Ser U A Ile Thr Asn Ser C Ile Thr Lys Arg A Met Thr Lys Arg G  Val Ala Asp Gly U G Val Ala Asp Gly C Val Ala Glu Gly A Val Ala Glu Gly G

Miks on 20 aminohapet? 64 koodonit? tripletne kood?

Vastused on sõltuvad muna-kana probleemi lahendusest

Aminohapete klassifikatsioon

Vastavalt R asendajale mittepolaarne polaarne laenguta laenguga happelised laenguga aluselised

S sisaldavaromaatne

Aminohapete Mw

57…186 D, Keskmine aminohappejäägi mass valgu koostises ca 110D-120D25 ah jäägist koosnev peptiid 110 x 25 = 2750 = 2.75kD

Mittepolaarse kõrvalahelaga aminohapped I

GlütsiinGlyG

AlaniinAlaA

ValiinValV

LeutsiinLeuL

IsoleutsiinIleI(2S, 3S)

Gly-puudub kõrvalahel, kiraalne C -peptiidahelas võimalikud anomaalsed nurgad-H aatomi väikesed mõõtmed, tihe pakkumine Ala

-väike, mittepolaarne-võib paikneda nii valkude sisemuses kui pinnal-sageli esinev-kasutatakse sageli valkude muteerimisel, minimaalse struktuurse efekti tõttu

Val, Leu, Ile

-hargnenud, mahukad, hüdrofoobsed-paiknevad valkude sisemuses-piiratud liikuvusega, eriti kui hargnemine C juures

Mittepolaarse kõrvalahelaga aminohapped II

MetioniinMetM

ProliinProP

FenüülalaniinPheF

TrüptofaanTrpW

Pro on ainuke iminohape, tsükliline kõrvalahel seotud peaahelaga. Väga jäik struktuur, fikseerib peaahela C-NH dihedraalnurga 20o täpsusega

Suured mittepolaarsed aminohapped asuvad tavaliselt valgugloobuli sees

Val Leu IleTrp Tyr PhePro Met

Rida aminohappeid on vaadeldavad alaniini derivaadina. Metüleenrühm CH2 võimaldab peaahelal võtta rohkem konformatsioone

Polaarse neutraalse kõrvalahelaga aminohapped I

SeriinSerS

TreoniinThrT(2S, 3R)

AsparagiinAsnN

Polaarsed kõrvalahelad on võimelised moodustama vesiniksidemeid olles nii doonoriks kui akseptoriks

Polaarse neutraalse kõrvalahelaga aminohapped II

GlutamiinGlnN

TürosiinTyrY

TsüsteiinCysC

Tyr kõrvalahel sisaldab fenoolset OH rühma, mis moodustab vesiniksidemeid ja on võimeline dissotseeruma kõrgema pH juures.Samuti võib dissotseeruda Cys Cys unikaalne omadus on disulfiidsildade S-S moodustamine teise Cys jäägiga.

Laengut omava kõrvalahelaga aluselised aminohapped

LüsiinLysK

HistidiinHisH

ArginiinArgR

Laeng kõrvalahelal on toodud neutraalse pH juures.Unikaalne on His, mille kõrvalahela pKa=6.0 Seega võib His kõrvalahel nii liita kui loovutada prootoni ja osaleda katalüüsis. Esineb väga paljude ensüümide aktiivtsentris

Laengut omava kõrvalahelaga happelised aminohapped

GlutamiinhapeGluE

AsparagiinhapeAspD

Kõrvalahelate aluselis-happelised omadused

Cys tiool 8.37Tyr fenool10.46Lys -NH3+ 9.06Arg guanidino12.48His imidasool 6.04 Asp -COOH 3.90Glu -COOH 4.07

Aminohape funkts. rühm pKa

Aminohapete derivaadid valkude koosseisus

Kõrvalahelad:•Hüdroksüleerimine 4-hüdroksüproliin, 5-hüdroksülüsiin kollageenis•Metüleerimine 5-metüülhistidiin, -N,N,N-trimetüüllüsiin, histoonid•Atsetüleerimine -N-atsetüüllüsiin histoonid•Karboksüleerimine -karboksüglutamaat•Fosforüleerimine O-fosfoseriin, O-fosfotreoniin, O-fosfotürosiin

Karbohüdraadid- glükoproteiinidLipiidid- lipoproteiinid

N ja C terminusemodifikatsioonid N-formüülmetioniin, N-atsetüülseriin

D-aminohapped

Bakteriraku kestadAntibiootikumid• valinomütsiin• gramitsidiinA• aktinomütsiinD

Bioloogiliselt aktiivsedaminohapped

a. GABA -aminobutüraat, glutamaadi dekarboksül. produkt, neurotransmitter

b. Dopamiin türosiini derivaat, neurotransmitter

c. Histamiin histidiini dekarboksüleerimise produkt, allergil. Reakts. mediaator

d. Türoksiin joodi sisaldav türosiini derivaat, türoidhormoon

Valk …. proteiin …. proteios … esmatähtis

Gerardus Mulder, Taani keemik

eraldas loomsetest ja taimsetest kudedest valgulise aine

nimetas aine Berzeliuse (Rootsi keemik) soovitusel PROTEIINIKS (1838)

määras valemiks C40H62N10O12

•Valgud võivad koosneda ühest või mitmest polüpeptiidahelast.

•Monomeersel valgul on ainult üks subühik (Müoglobiin)

•Oligomeersel (multimeersel) valgul on mitu subühikut (Hemoglobiin)

•Multimeersete valkude subühikud võivad olla identsed või erinevad. Subühikud on tavaliselt seotud mittekovalentsete sidemetega

•Valkude suurus algab ca 5kDa suurusjärgust ja ületab 0.5MDa.

•Polüpeptiidid ja valgud on aminohappe jääkidest koosnevad lineaarsed (hargnemata ahelaga) polümeerid.

•Aminohappeline järjestus on primaarstruktuur

Valgud

Valkude klassifikatsioon

• Funktsionaalselt

• Lokalisatsiooni alusel

• Lihtvalgud ja liitvalgud

– glükoproteiinid, lipoproteiinid, nukleoproteiinid, metalloproteiinid jne

• Strukturaalselt ja vastavalt vees lahustuvusele

– globulaarsed– fiibervalgud E. coli – ca 3000 valku

S. cerevisiae - ca 6000 valku H. sapiens - ca 30000-100000 valku

Liitvalkude ehk konjugeeritud valkude klassid

Klass Prosteetiline rühm Näide

Lipoproteiinid lipiidid vere 1-lipoproteiinGlükoproteiinid süsivesik immunoglobuliin GFosfoproteiinid fosfaatrühm kaseiin (piimavalk)Hemoproteiinid heem (Fe-porfüriin) hemoglobiinFlavoproteiinid flaviinnukleotiidid suktsinaadi dehüdrogenaas

Metalloproteiinid raud ferritiin tsink alkoholi dehüdrogenaas kaltsium kalmoduliin molübdeen dinitrogenaas vask plastotsüaniin

Mõnede valkude molekulmassid

Valk Mw subühikuid funktsioon

Glükagoon 3300 1 hormoonInsuliin 11466 2 hormoonTsütokroomC 13000 1 elektronide transportRibonukleaasA (pankr.) 13700 1 ensüümLüsotsüüm (munavalgest) 13900 1 ensüümMüoglobiin 16900 1 hapniku transportKümotrüpsiin 21600 1 ensüümKarboonanhüdraas 30000 1 ensüümPeroksüdaas (mädarõik.) 40000 1 ensüümHemoglobiin 64500 4 hapniku transportHeksokinaas (pärm) 102000 2 ensüümLaktaadi dehüdrogenaas 140000 4 ensüümGlükogeeni fosorülaas 194000 2 ensüümFosfofruktokinaas (lihas) 340000 4 ensüümFerritiin 440000 24 Fe säilitusGlutamiini süntaas (E.coli) 600000 12 ensüüm

Valkude funktsionaalsed klassid

1. Ensümaatiline katalüüs (CO2 hüdrateerimine, karboonanhüdraas; RNA süntees)

2. Transport- ja (hemoglobiin ja müoglobiin O2 transport; transferriin säilitusfunktsioon Fe transport; ferritiin Fe säilitamine maksas)

3. Koordineeritud liikumine (lihaste kontraktsioon; kromosoomide liikumine mitoosis)

4. Strukturaalne (nahk ja kondid sisaldavad kollageeni)

5. Immuunvastus (IgA, IgG, IgM)

6. Närviimpulsi teke ja ülekanne (retseptorvalgud meeleelundites, sünapsis)

7. Rakkude, kudede, organismi (geeniekspressiooni kontroll, hormonaalne reg.) kasv ja diferentseerumine

Proteoomika- kõigi organismi (raku) valkude kompleksne uurimine

Valgud E. coli rakkudest lahutatud 2D O`Farrelli geelil

1D. isoelektriline fokuseerimine- lahutmine vastavalt valgu molekuli pI väärtusele

2D- SDS forees- lahutamine vastavalt valgu Mw väärtusele

Aminohapete kõrvalahelad määravad valkude struktuurse ja funktsionaalse mitmekesisuse

20 aminohappe kombinatsioonide hulk on väga suur, Limitatsioonidlooduses tavalised 100-1000 jäägi pikkused polüpeptiidid20 aminohapet esinevad erineva sagedusega

Sageli esinevad: L, A, G, S, V, E

Harva esinevad: W, C, M, H

NB! Valgu omadused ei sõltu niivõrd aminohappelisest koosseisust kui järjestusest

Aminohapete kõrvalahelad määravad valkude struktuurse ja funktsionaalse mitmekesisuse

Valgu laeng määratakse ära kõrvalahelate ionisatsiooni tulemusenapI- isoelektriline täpp, vastab pHle kus laeng puudub

Polüpeptiidahela otsmised rühmad osalevad tüüpilistes funktsionaalrühma reaktsioonidesAminohapete kvantitatiivne määramine on võimalik ninhüdriinigaReale kõrvalrühmadele on olemas spetsiifilised reaktsioonid

Aromaatsete kõrvalahelate neelduvus spektri UV alas võimaldab valkude kontsentratsiooni mõõta

Lainepikkus230 või 280 nmTrp, Tyr, Phe -Aromaatsed

Valgu molaarse ekst. koef. arvutatav, Tundmatu järjestuse korral 1 mg/ml OD280=1

Kodutöö nädalavahetuseks

Selgeks saada 20 aminohappe struktuur, kolmetäheline lühend, ILMA PIILUMATA

Joonistada L-alaniini 4 Fischeri projektsiooni

Joonistada järgmine oligopeptiid korrektses ioniseerunud vormis (füsioloogilistes tingimustes)Gln-His-Ile-Thr

Joonistada domineeriv ioonne vorm aminohappele Asp a. pH1.0, b. pH3.0, c. pH6.0, d. pH10.0 juures