Κεφάλαιο 22 Πρωτεΐνες Σύνοψη Οι πρωτεΐνες είναι μακρομόρια που προκύπτουν από την ένωση α-αμινοξέων. Τα α-αμινοξέα είναι οργανικές ενώσεις που έχουν μία αμινομάδα (ΝΗ 2 ) και καρβοξύλιο (COOH) συνδεδεμένα στον ίδιο άνθρακα. Όλες οι πρωτεΐνες των οργανισμών σχηματίζονται από 20 α-αμινοξέα. Για να σχηματίσουν τις πρωτεΐνες, τα αμινοξέα συνδέονται με δεσμό που καλείται πεπτιδικός δεσμός. Η δομή των πρωτεϊνών περιγράφεται από τέσσερις δομές. Η πρωτοταγής δομή είναι η αλληλουχία των αμινοξέων στην αλυσίδα των πρωτεϊνών. Η δευτεροταγής δομή (α-έλικα ή β-πτυχωτή δομή) περιγράφει τις διαμορφώσεις τμημάτων της αλυσίδας τους. Η τριτοταγής δομή χαρακτηρίζει τις αναδιπλώσεις στον χώρο ολόκληρης της αλυσίδας. Η τεταρτοταγής δομή αναφέρεται σε πρωτεΐνες που αποτελούνται από δύο ή περισσότερες αλυσίδες και περιγράφει τον τρόπο που εμπλέκονται μεταξύ τους οι αλυσίδες. Μετουσίωση των πρωτεϊνών ονομάζεται η απώλεια των ανώτερων δομών (δευτεροταγούς, τριτοταγούς και τεταρτοταγούς δομής) η οποία έχει ως αποτέλεσμα την απώλεια της λειτουργικότητάς τους. Προαπαιτούμενη γνώση Λειτουργική ομάδα καρβοξυλικών οξέων (Κεφάλαιο 18), Λειτουργική ομάδα πρωτοταγών αμινών (Κεφάλαιο 19), Οξύτητα καρβοξυλικών οξέων (Παράγραφος 18.3), Βασικότητα αμινών (Παράγραφος 19.3). Οι πρωτεΐνες είναι η τρίτη κατηγορία βιολογικών μορίων που μελετούνται. Ίσως είναι η σημαντικότερη κατηγορία βιολογικών μορίων με βάση τις λειτουργίες που επιτελούν στους οργανισμούς. Οι πρωτεΐνες στους οργανισμούς έχουν ρόλο: δομικό, ο συνδετικός ιστός του οργανισμού, αποτελείται από την πρωτεΐνη κολλαγόνο, ενώ οι μύες σχηματίζονται από τις πρωτεΐνες μυοσίνη και ακτίνη, καταλυτικό, όλες οι χημικές αντιδράσεις καταλύονται από τα ένζυμα, τα οποία είναι κυρίως πρωτεΐνες, ορμόνης, η ορμόνη ινσουλίνη είναι πρωτεΐνη, προστατευτικό, τα αντισώματα που αναπτύσσει ο οργανισμός για να καταπολεμήσει ασθένειες είναι πρωτεΐνες, αποθηκευτικό, οι πρωτεΐνες χρησιμοποιούνται για αποθήκευση ενέργειας όπως η αλβουμίνη που υπάρχει στο ασπράδι του αυγού. Ο ρόλος του γενετικού υλικού (DNA, RNA) είναι να αποθηκεύει και να μεταφέρει τις πληροφορίες για τη σύνθεση των πρωτεϊνών του οργανισμού. Μαζί με τα λίπη και τους υδατάνθρακες, είναι τα κύρια συστατικά της διατροφής. Από χημική άποψη οι πρωτεΐνες είναι φυσικά μακρομόρια που σχηματίζονται από την ένωση μεγάλου αριθμού αμινοξέων. 22.1 Αμινοξέα Τα αμινοξέα είναι οργανικά μόρια που περιέχουν δύο λειτουργικές ομάδες, μία αμινομάδα (ΝΗ 2 ) και ένα καρβοξύλιο (COOH) που συνδέονται στο ίδιο άτομο άνθρακα (α-άνθρακας). Τα αμινοξέα αυτά ονομάζονται α-αμινοξέα και η γενική τους δομή είναι Εκτός από τις δύο λειτουργικές ομάδες, στον ίδιο άνθρακα συνδέεται και η ομάδα R που αναφέρεται ως πλευρική ομάδα. Όλες οι πρωτεΐνες συντίθενται από 20 α-αμινοξέα, που διαφέρουν στη δομή της πλευρικής ομάδας. Αυτά τα 20 α-αμινοξέα παρουσιάζονται στη συνέχεια ταξινομημένα με βάση την πολικότητα της - 343 -
πλευρικής ομάδας τους. Συνήθως τα αμινοξέα αναφέρονται με συντομογραφία τριών γραμμάτων (που είναι τα τρία πρώτα γράμματα του ονόματός τους) ή ενός γράμματος: Αμινοξέα με άπολη πλευρική ομάδα Αμινοξέα με πολική πλευρική ομάδα Αμινοξέα με όξινη πλευρική ομάδα COOH (όξινα αμινοξέα) - 344 -
Αμινοξέα με βασική πλευρική ομάδα ΝΗ 2 (βασικά αμινοξέα) Από τα 20 α-αμινοξέα ο ανθρώπινος οργανισμός μπορεί να βιοσυνθέσει τα έντεκα, ενώ τα υπόλοιπα πρέπει να τα λάβει με τις τροφές και για αυτό και χαρακτηρίζονται απαραίτητα αμινοξέα. Τα απαραίτητα α-αμινοξέα είναι: αργινίνη, ιστιδίνη, ισολευκίνη, λευκίνη, λυσίνη, μεθειονίνη, φαινυλαλανίνη, τρυπτοφάνη και βανιλίνη. Οι πρωτεΐνες του κρέατος, των ψαριών, του αυγού και η καζεΐνη του γάλακτος περιέχουν όλα τα απαραίτητα αμινοξέα. Με εξαίρεση τη γλυκίνη, όλα τα υπόλοιπα αμινοξέα διαθέτουν ασύμμετρο άτομο άνθρακα, δηλαδή άνθρακα που έχει τέσσερις διαφορετικούς υποκαταστάτες. Αυτός είναι ο α-άνθρακας στον οποίο συνδέεται η αμινομάδα, το καρβοξύλιο και η πλευρική ομάδα. Συνεπώς, τα αμινοξέα θα υπάρχουν με μορφή δύο στερεοϊσομέρων που χαρακτηρίζονται ως D και L, όπως περιγράφηκε στην παράγραφο 20.2.2 για τα σάκχαρα. Το ισομερές που έχει την αμινομάδα δεξιά χαρακτηρίζεται D, ενώ αυτό που έχει την αμινομάδα αριστερά L. Τα φυσικά αμινοξέα από τα οποία βιοσυντίθενται οι πρωτεΐνες είναι τα L ισομερή. 22.1.1 Όξινη-βασική συμπεριφορά των αμινοξέων Τα χαρακτηριστικό των αμινοξέων είναι ότι είναι καρβοξυλικά οξέα και αμίνες. Τα καρβοξυλικά οξέα, ως οξέα, διίστανται και δίνουν ιόντα Η +, δηλαδή R COOH R COO - + H + (παράγραφος 18.3). Οι αμίνες, ως βάσεις, προσλαμβάνουν ιόντα Η +, δηλαδή R ΝΗ 2 + Η + R ΝΗ 3 + (παράγραφος 19.3). Tα αμινοξέα που έχουν καρβοξυλική ομάδα και αμινομάδα δρουν ταυτόχρονα ως οξέα και βάσεις. Τα ιόντα Η + που προέρχονται από τη διάσταση του COOH του αμινοξέος προσλαμβάνονται από την NH 2, με αποτέλε- - 345 -
σμα να δημιουργείται ένα εσωτερικό (ενδομοριακό) άλας, διπολικό ιόν. Το διπολικό ιόν έχει συνολικό φορτίο μηδέν. Σε διάλυμα αλλά και σε στερεή κατάσταση τα αμινοξέα βρίσκονται με τη μορφή διπολικών ιόντων. Η μορφή που έχουν τα αμινοξέα σε διάλυμα εξαρτάται από το ph του διαλύματος. Σε μικρές τιμές ph η καρβοξυλομάδα προσλαμβάνει ένα ιόν H + και σχηματίζεται η κατιονική μορφή του αμινοξέος. Σε ενδιάμεσες τιμές ph επικρατεί η διπολική μορφή του αμινοξέος, ενώ σε υψηλά ph η αμινομάδα χάνει το φορτίο αποβάλλοντας ένα ιόν Η + και το αμινοξύ βρίσκεται με την ανιονική μορφή. Η τιμή ph στην οποία όλη η ποσότητα του αμινοξέος βρίσκεται με τη μορφή δίπολου ιόντος ονομάζεται ισοηλεκτρικό σημείο (pi) του αμινοξέος. Η τιμή του ισοηλεκτρικού σημείου εξαρτάται από την πλευρική ομάδα R. 22.2 Πεπτίδια-Πεπτιδικός δεσμός Τα πεπτίδια είναι μόρια που προκύπτουν από την ένωση δύο ή περισσότερων αμινοξέων. Ταξινομούνται ανάλογα με τον αριθμό των αμινοξέων που περιέχουν σε διπεπτίδια, τριπεπτίδια κ.ο.κ. Ο όρος ολιγοπεπτίδια αναφέρεται σε πεπτίδια που αποτελούνται από 10-20 αμινοξέα, ενώ ο όρος πολυπεπτίδια χαρακτηρίζει πεπτίδια που αποτελούνται από περισσότερα αμινοξέα. Ο όρος πρωτεΐνη δηλώνει ένα μεγάλο μόριο που αποτελείται από δεκάδες έως μερικές χιλιάδες αμινοξέα και μπορεί να αποτελείται από δύο ή περισσότερες πεπτιδικές αλυσίδες. Τα αμινοξέα συνδέονται μεταξύ τους για να σχηματίσουν πεπτίδια με δεσμό που ονομάζεται πεπτιδικός δεσμός. Αυτός σχηματίζεται από την αντίδραση της καρβοξυλομάδας (COOH) του ενός αμινοξέος με την αμινομάδα (NH 2 ) του άλλου αμινοξέος με αποβολή ενός μορίου νερού. Δύο αμινοξέα συνδέονται με έναν πεπτιδικό δεσμό και σχηματίζουν ένα διπεπτίδιο. Ανάλογα, τρία αμινοξέα συνδέονται με δύο πεπτιδικούς δεσμούς και σχηματίζουν τριπεπτίδιο κ.ο.κ. Στο ένα άκρο του πεπτιδίου υπάρχει μία ελεύθερη αμινομάδα (ΝΗ 2 ) και στο άλλο ελεύθερο καρβοξύλιο (COOH). Το αμινοξύ του πεπτιδίου που έχει ελεύθερο COOH ονομάζεται καρβοξυ-τελικό αμινοξύ (C-τελικό αμινοξύ), ενώ αυτό που έχει ελεύθερη την NH 2 ονομάζεται αμινο-τελικό αμινοξύ (N-τελικό αμινοξύ). Κατά σύμβαση τα πεπτίδια γράφονται με το N-τελικό αμινοξύ αριστερά και το C-τελικό αμινοξύ δεξιά. Στο τριπεπτίδιο Ala-Ser-Tyr η αλανίνη (Ala) είναι το Ν-τελικό αμινοξύ και η τυροσίνη (Tyr) το C-τελικό αμινοξύ. Οπότε ο χημικός τύπος του είναι: - 346 -
22.3 Πρωτεΐνες Οι πρωτεΐνες είναι μακρομόρια που σχηματίζονται από δεκάδες έως χιλιάδες αμινοξέα τα οποία συνδέονται με πεπτιδικούς δεσμούς. Η αλυσίδα των αμινοξέων της πρωτεΐνης αναφέρεται και ως πεπτιδική αλυσίδα. Οι πρωτεΐνες επιτελούν σημαντικές βιολογικές λειτουργίες στους οργανισμούς. Για να συμβεί αυτό θα πρέπει να έχουν την κατάλληλη διαμόρφωση, δομή. Η δομή των πρωτεϊνών περιγράφεται από τέσσερα διαφορετικά επίπεδα δομών: την πρωτοταγή δομή, τη δευτεροταγή δομή, την τριτοταγή δομή και την τεταρτοταγή δομή. Οι δευτεροταγείς, τριτοταγείς και τεταρτοταγείς δομές ονομάζονται ανώτερες δομές της πρωτεΐνης. 22.3.1 Πρωτοταγής δομή πρωτεϊνών Η πρωτοταγής δομή των πρωτεϊνών είναι η αλληλουχία των αμινοξέων στην πεπτιδική αλυσίδα. Δηλαδή η πρωτοταγής δομή πληροφορεί από ποια αμινοξέα αποτελείται η πρωτεΐνη και με ποια σειρά συνδέονται. Οι ανώτερες δομές της πρωτεΐνης καθορίζονται από την πρωτοταγή δομή της. 22.3.2 Δευτεροταγής δομή πρωτεϊνών Η δευτεροταγής δομή περιγράφει τις διαμορφώσεις που λαμβάνουν τμήματα της πεπτιδικής αλυσίδας της πρωτεΐνης. Δύο είναι οι διαμορφώσεις που λαμβάνουν: η α-έλικα και η β-πτυχωτή δομή (Σχήμα 22.1). Στην α-έλικα η πεπτιδική αλυσίδα περιστρέφεται γύρω από έναν άξονα δεξιόστροφα. Σε κάθε στροφή της έλικας υπάρχουν 3,6 αμινοξέα. Η β-πτυχωτή δομή σχηματίζεται από τμήματα πεπτιδικής αλυσίδας που διατάσσονται παράλληλα. Οι αλυσίδες αποκτούν πτυχωτή διαμόρφωση, καθώς οι υποκαταστάτες διατάσσονται εναλλάξ πάνω και κάτω από το επίπεδο. Οι δύο δομές σταθεροποιούνται με δεσμούς υδρογόνου μεταξύ των ομάδων C=O και Ν-Η δύο πεπτιδικών δεσμών. Η α-έλικα και η β-πτυχωτή δομή μπορούν να συνυπάρχουν σε μία πρωτεΐνη (Σχήμα 22.3). Σχήμα 22.1 α-έλικα και β-πτυχωτή δομή - 347 -
22.3.3 Τριτοταγής δομή πρωτεϊνών Η τριτοταγής δομή περιγράφει την τρισδιάστατη διαμόρφωση της πρωτεΐνης. Ενώ η δευτεροταγής δομή περιγράφει τη διαμόρφωση τμημάτων της πεπτιδικής αλυσίδας, η τριτοταγής δομή περιγράφει τη διαμόρφωση στον χώρο ολόκληρης της πεπτιδικής αλυσίδας της πρωτεΐνης. Η πεπτιδική αλυσίδα αναδιπλώνεται με αποτέλεσμα αμινοξέα που απέχουν πολύ μεταξύ τους στην πρωτοταγή δομή να προσεγγίζουν στην τριτοταγή δομή. Η σταθεροποίηση της τριτοταγούς δομής γίνεται με αλληλεπιδράσεις μεταξύ των πλευρικών ομάδων R των αμινοξέων. Οι αλληλεπιδράσεις αυτές είναι (Σχήμα 22.2): Δισουλφιδικοί δεσμοί (ή γέφυρες θείου). Αναπτύσσονται μεταξύ των πλευρικών ομάδων της κυστεΐνης. Η πλευρική ομάδα της κυστεΐνης έχει την ομάδα SH. Μεταξύ δύο κυστεϊνών σχηματίζεται δισουλφιδικός δεσμός που έχει τη δομή S-S: κυστεΐνη-sh + HS-κυστεΐνη κυστεΐνη-s-s-κυστεΐνη Ο δισουλφιδικός δεσμός είναι ομοιοπολικός δεσμός. Είναι η μόνη από τις αλληλεπιδράσεις που σταθεροποιούν την τριτοταγή δομή που είναι ομοιοπολικός δεσμός. Ηλεκτροστατικές δυνάμεις. Ονομάζονται και γέφυρες άλατος και αναπτύσσονται μεταξύ αντίθετα φορτισμένων πλευρικών ομάδων δύο αμινοξέων. Δεσμοί υδρογόνου. Αναπτύσσονται μεταξύ αμινοξέων των οποίων οι πλευρικές ομάδες R περιέχουν τις ομάδες: Υδρόφοβες αλληλεπιδράσεις. Αναπτύσσονται μεταξύ των πλευρικών ομάδων άπολων αμινοξέων (αλανίνης, λευκίνης κ.ά.). Οι άπολες πλευρικές ομάδες αυτών των αμινοξέων είναι υδρόφοβες και όταν βρεθούν σε υδατικό περιβάλλον τείνουν να συσσωματωθούν ώστε να μειώσουν την έκθεσή τους στο νερό. Σχήμα 22.2 Αλληλεπιδράσεις μεταξύ των πλευρικών ομάδων των αμινοξέων που σταθεροποιούν την τριτοταγή δομή Στο Σχήμα 22.3 απεικονίζεται η τριτοταγής δομή των πρωτεϊνών στην οποία φαίνονται και η δευτεροταγής δομή της, δηλαδή η α-έλικα και η β-πτυχωτή δομή που σχηματίζουν τμήματα της πεπτιδικής αλυσίδας. - 348 -
Σχήμα 22.3 Τριτοταγής δομή πρωτεϊνών. Με ( ) συμβολίζονται οι δεσμοί υδρογόνου. 22.3.4 Τεταρτοταγής δομή πρωτεϊνών Η τεταρτοταγής δομή είναι το ανώτερο επίπεδο οργάνωσης των πρωτεϊνών. Τεταρτοταγή δομή έχουν οι πρωτεΐνες που αποτελούνται από δύο ή περισσότερες πεπτιδικές αλυσίδες. Είναι ο τρόπος που εμπλέκονται μεταξύ τους οι πεπτιδικές αλυσίδες (Σχήμα 22.4). Η τεταρτοταγής δομή σταθεροποιείται με δεσμούς υδρογόνου, ηλεκτροστατικές ή υδρόφοβες αλληλεπιδράσεις μεταξύ των πεπτιδικών αλυσίδων. Η αιμοσφαιρίνη που αποτελείται από τέσσερις πολυπεπτιδικές αλυσίδες έχει τεταρτοταγή δομή. - 349 -
Σχήμα 22.4 Τεταρτοταγής δομή πρωτεϊνών 22.4 Μετουσίωση πρωτεϊνών Οι πρωτεΐνες για να είναι λειτουργικές, δηλαδή για να μπορούν να εκτελούν τη βιολογική λειτουργία τους, πρέπει να έχουν κατάλληλη διαμόρφωση. Δηλαδή θα πρέπει να έχουν κατάλληλη δευτεροταγή, τριτοταγή και τεταρτοταγή δομή. Η απώλεια των ανώτερων δομών (δευτεροταγή, τριτοταγή και τεταρτοταγή δομή) των πρωτεϊνών ονομάζεται μετουσίωση και οδηγεί στην απώλεια της λειτουργικότητάς τους. Η μετουσίωση συνοδεύεται επίσης από απώλεια της διαλυτότητας με αποτέλεσμα οι πρωτεΐνες να μην είναι πλέον διαλυτές, να συσσωματώνονται και να καταβυθίζονται. Σε ορισμένες περιπτώσεις η μετουσίωση είναι αντιστρεπτή, δηλαδή οι μετουσιωμένες πρωτεΐνες, σε κατάλληλες συνθήκες αποκαθιστούν τις ανώτερες δομές τους και συνεπώς τη λειτουργικότητά τους. Με τη μετουσίωση διασπώνται οι αλληλεπιδράσεις-δεσμοί (παράγραφος 22.3.3) που σταθεροποιούν τις ανώτερες δομές. Η μετουσίωση επιτυγχάνεται με διάφορα μέσα: θέρμανση, υπεριώδη ακτινοβολία, έντονη ανακίνηση, οργανικούς διαλύτες, ισχυρά οξέα και βάσεις, απορρυπαντικά, βαρέα μέταλλα. Παράδειγμα μετουσίωσης με θέρμανση είναι το τηγάνισμα του αυγού. Το ρευστό διαυγές ασπράδι του αυγού είναι διάλυμα της πρωτεΐνης αλβουμίνη, η οποία με το τηγάνισμα μετουσιώνεται, χάνει την διαλυτότητά της και σχηματίζει το στερεό λευκό ασπράδι. - 350 -
Ασκήσεις Ασκήσεις με τις λύσεις τους. Άσκηση 22.1 Ποια από τις ενώσεις είναι α-αμινοξύ; Απάντηση: 1, 4, 6 Άσκηση 22.2 Το ισοηλεκτρικό σημείο της αλανίνης είναι 6,11. Με ποια μορφή βρίσκεται σε διάλυμα με ph 6,11; Απάντηση: 4 Άσκηση 22.3 Ποιος είναι ο χημικός τύπος του τριπεπτιδίου Phe-Asp-Met; Απάντηση: 3-351 -
Ασκήσεις προς επίλυση. Άσκηση 22.4 Σε διάλυμα με ph 5,68 η σερίνη βρίσκεται με μορφή διπολικού ιόντος: Ποιο το ισοηλεκτρικό σημείο (pi) της σερίνης; Άσκηση 22.5 Πόσα τριπεπτίδια μπορούν να σχηματίσουν τα αμινοξέα Gly, Val και Thr τα αποία θα έχουν τη Val ως C-τελικό αμινοξύ; Ποια η δομή τους; - 352 -
Βιβλιογραφία Βαρβογλής, Α. (2005). Επίτομη Οργανική Χημεία. Θεσσαλονίκη: Εκδόσεις Ζήτη. Bettelheim, F.A., Brown, W.H., Campbell, M.K, Farrell S.O. (2010). Introduction to Organic and Biochemistry (7th Ed.). United Kingdom: Cengage Learning. Bruice P.Y. (2006). Organic Chemistry (5th Ed.). New Jersey: Prentice Hall. Hart, H., Crai, L.E., Hart, D.J., Hadad, C.M. (2007). Organic Chemistry: A short Course (12th Ed.). New York: Hοughton Mifflin. McMurry, J., (απόδοση στα ελληνικά: Βάρβογλης, Α., Ορφανόπουλος, Μ., Σμόνου, Ι., Στρατάκης, Μ.) (1998). Οργανική Χημεία (1η εκδ., 1ος τόμος). Ηράκλειο: Πανεπιστημιακές Εκδόσεις Κρήτης. Patric, G. (2004). Bios Instant Notes Organic Chemistry (2nd Ed.) New York: Taylor & Francis. Σπηλιόπουλος Ι. (2008). Βασική Οργανική Χημεία. Αθήνα: Εκδόσεις Αθ. Σταμούλης. - 353 -