Ανόργανη και Οργανική Χημεία (Θ) Ενότητα 19: Αμινοξέα – Πεπτίδια – Πρωτεΐνες Σπύρος Παπαγεωργίου, Χημικός MSc, Καθηγητής Εφαρμογών Τμήμα Αισθητικής και Κοσμητολογίας Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα στο ΤΕΙ Αθήνας Το περιεχόμενο του μαθήματος διατίθεται με άδεια Creative Commons εκτός και αν αναφέρεται διαφορετικά Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους.

Αμινοξέα 1/7 α-αμινοξύ (alpha-amino acid): αμινομάδα στο 1 ο άτομο C μετά την καρβοξυλομάδα Πλευρική ομάδα (side- chain group) Αμινοξέα πρωτεϊνών 1 “AminoAcidball”, από YassineMrabet διαθέσιμο ως κοινό κτήμαAminoAcidballYassineMrabet

Αμινοξέα 2/7 2

Αμινοξέα 3/7 3  Δομικά συστατικά των πρωτεϊνών  Σύνδεση με διαφορετικές αλληλουχίες  πληθώρα πρωτεϊνών.  20 α-αμινοξέα συνθέτουν τις πρωτεΐνες (πρωτεϊνικά αμινοξέα). 8 από τα 20 λαμβάνονται με την τροφή (απαραίτητα (essential) αμινοξέα). 4 από τα 20 είναι ημιαπαραίτητα, αφού δεν μπορούν να συντεθούν στα παιδιά. Τα υπόλοιπα 12 συντίθενται μέσω των μεταβολικών μονοπατιών.  Πολλά αμινοξέα δημιουργούνται (συντίθενται) από άλλα αμινοξέα με μια διαδικασία που λέγεται διαμίνωση ή τρανσαμίνωση.

Αμινοξέα 4/7 Σύνθεση κατά Strecker αλδεϋδη αμινονιτρίλιο αμινοξύ 4

Αμινοξέα 5/7 Ομαδοποίηση αμινοξέων σύμφωνα με τις ιδιότητες των πλευρικών αλυσίδων τους. o Αμινοξέα με αλειφατικές, μη πολικές πλευρικές αλυσίδες: Αλανίνη, Βαλίνη, Γλυκίνη, Ισολευκίνη, Λευκίνη, Μεθειονίνη, Προλίνη. o Αμινοξέα με αλειφατικές, πολικές πλευρικές αλυσίδες: Θρεονίνη, Σερίνη, Κυστεΐνη. o Αμινοξέα με αρωματικές πλευρικές αλυσίδες: Φαινυλαλανίνη, Τυροσίνη, Θρυπτοφάνη. o Αμινοξέα με βασικές πλευρικές αλυσίδες: Λυσίνη, Αργινίνη, Ιστιδίνη. 5

Αμινοξέα 6/7 Ομαδοποίηση αμινοξέων σύμφωνα με τις ιδιότητες των πλευρικών αλυσίδων τους (συνέχεια). o Αμινοξέα με όξινες πλευρικές αλυσίδες: Ασπαραγινικό, Γλουταμινικό. o Αμινοξέα με καρβοξυλαμίδια στις πλευρικές αλυσίδες τους: Ασπαραγίνη, Γλουταμίνη. o Ειδικά αμινοξέα: Αλυσίνη, Υδροξυπρολίνη, Σεληνοκυστεΐνη, Πυρρολυσίνη (pyl). 6

Αμινοξέα 7/7 Memorize the 20 Amino Acids in 9 Minutes 7

Αμινοξέα Διαλυτότητα Μη πολικά και υδρόφοβα πολικά και υδρόφιλα όξινα βασικά 8

Αμινοξέα Οξεοβασική συμπεριφορά 1/2 pH > pKα της καρβοξυλικής ομάδας (pKα ~ 2,2)  -COO - pH < pKα της αμινομάδας (pKα ~ 9,4)  -ΝΗ 3 + 2,2 < pH < 9,4  διπολικό ιόν ή εσωτερικό άλας (zwitterion) pH < 2,2  -ΝΗ 3 + pH > 9,4  -COO- Άρα… 9

ΣεpH<1 η αλανίνη πρωτονιώνεται πλήρως. ΣεpH=2.34 η αλανίνη απαντά ως μίγμα 50:50 της πρωτονιωμένης και ουδέτερης Ala. Σε pH= 6,00 η αλανίνη απαντά εξ ολοκλήρου σε ουδέτερη μορφή (δίπολο). Σε pH= 9,69 αποτελείται από μίγμα 50:50 ουδέτερης και αποπρωτονιωμένης μορφής. Καμπύλη τιτλοδότησης αλανίνης 10 Αμινοξέα Οξεοβασική συμπεριφορά 2/2

Αμινοξέα Ισοηλεκτρικό σημείο pI = ½(pKa 1 + pKa 2 ). Στο ισοηλεκτρικό σημείο: o Η κινητικότητα του μορίου είναι μηδενική. o Η διαλυτότητα είναι πολύ μικρή. o Μπορεί να γίνει διαχωρισμός με καθίζηση με ρύθμιση του pH στο ισοηλεκτρικό σημείο. 11

Οπτική ισομέρεια D και L στερεοχημική διάταξη OH δεξιά  DOH αριστερά  L D-glucose L  glucose * * 12

Αμινοξέα D και L στερεοχημική διαμόρφωση L-αλανίνη Τα φυσικά αμινοξέα είναι L στερεοχημικής διάταξης. D-αλανίνη 13

Ανίχνευση αμινοξέων Αντίδραση νινυδρίνης 1/2 Ανίχνευση αμινοξέων. Ποσοτικός προσδιορισμός φασματοφωτομετρικά. Ιώδες προϊόν 14 “Ninhydrin Reaction Mechanism”, από Puppy8800 διαθέσιμο ως κοινό κτήμαNinhydrin Reaction Mechanism Puppy8800

Ανίχνευση αμινοξέων Αντίδραση νινυδρίνης 2/2 Στην περίπτωση της προλίνης και της υδροξυπρολίνης σχηματίζεται παράγωγο κίτρινου χρώματος λόγω απουσίας πρωτοταγούς αμινομάδας. 15

Ανίχνευση αμινοξέων Ξανθοπρωτεϊνική αντίδραση Με την προσθήκη π. ΗΝΟ 3 σε διάλυμα πρωτεΐνης εμφανίζεται κίτρινο χρώμα, το οποίο μετατρέπεται σε πορτοκαλί με την προσθήκη αλκάλεως ή αμμωνίας. Η αντίδραση οφείλεται στη νίτρωση του αρωματικού πυρήνα των αμινοξέων τυροσίνη, τρυπτοφάνη και φαινυλαλανίνη. 16

Πεπτίδια 1/5 17 “Peptidformationball”, από YassineMrabet διαθέσιμο ως κοινό κτήμαPeptidformationballYassineMrabet

Πεπτίδια 2/5 ν αμινοξέα  ν-1 πεπτιδικούς δεσμούς καρβοξυ-τελικό αμινοξύ ή C-τελικό αμινοξύ αμινο-τελικό αμινοξύ ή Ν-τελικό αμινοξύ πεπτίδιο (< 50 αμινοξέα) πρωτεΐνη (> 50 αμινοξέα) 18 “Protein-primary-structure”, από.jhc. διαθέσιμο ως κοινό κτήμαProtein-primary-structure.jhc.

Πεπτίδια 3/5 Προστασία αμινομάδας Αμινομάδες προστατεύονται με τη μορφή tert-βουτοξυκαρβονυλοαμιδικών παραγώγων(ΒΟC). 19

Πεπτίδια 4/5 Προστασία καρβοξυλομάδας Καρβοξυλομάδες προστατεύονται με μετατροπή σε μεθυλο- ή βενζυλο-εστέρες. 20

Πεπτίδια 5/5 Δοκιμή διουρίας (Biuret test) Ανίχνευση πεπτιδικού δεσμού Ανίχνευση πεπτιδικού δεσμού (τουλάχιστο 3 πεπτιδικοί δεσμοί). Ποσοτικός προσδιορισμός πρωτεΐνης φασματοφωτομετρικά (λ max =540 nm). Ανίχνευση mg/mL. KOH (potassium hydroxide), CuSO4.5H2O (hydrated copper(II) sulfate), KNaC 4 H 4 O 6 ·4H 2 O (potassium sodium tartrate). Μπλε σε μώβ  παρουσία πρωτεϊνών. Μπλε σε ροζ  παρουσία πολυπεπτιδίων μικρής αλυσίδας. Αντιδραστήρια: 21

Πεπτίδια - Πρωτεΐνες Δοκιμή διουρίας (Biuret test) Μηχανισμός αντίδρασης 22 “Biuret-reaction”, από Ebuxbaum~commonswiki διαθέσιμο με άδεια CC BY-SA 3.0Biuret-reactionEbuxbaum~commonswikiCC BY-SA 3.0

Πρωτεΐνες Πρωτοταγής δομή Αλληλουχία αμινοξέων bovine insulin Υδρόλυση με: o αραιό διάλυμα οξέος. o πρωτεάσες (ένζυμα). 23

Πρωτεΐνες Δευτεροταγής δομή Περιγράφει τον τρόπο σύνδεσης της πρωτεϊνικής αλυσίδας, λόγω σχηματισμού ενδομοριακών δεσμών υδρογόνου. α- έλικα (a-Helix) β- πτυχωτή δομή (β- sheet) 3-6 αμινοξέα 24

Πρωτεΐνες Τριτοταγής δομή Περιγράφει το τρισδιάστατο σχήμα της πρωτεΐνης. Μέρη της πρωτεϊνικής αλυσίδας συνδέονται μεταξύ τους με: o Δισουλφιδικούς δεσμούς. o Δεσμούς υδρογόνου. o Ιοντικές έλξεις και απώσεις. o Υδρόφοβες και υδρόφιλες αλληλεπιδράσεις. 25

Πρωτεΐνες Τεταρτοταγής δομή Ο τρόπος που οργανώνονται μεταξύ τους πολυπεπτιδικές αλυσίδες πρωτεϊνών. Οφείλεται σε μη ομοιοπολικές αλληλεπιδράσεις. 26

Πρωτεΐνες Τελικό σχήμα πρωτεϊνών Σφαιρικές πρωτεΐνες o Υδατοδιαλυτές και ευκίνητες. o Πρωτεΐνες ορού του αίματος, ενζύμων,… Ινώδεις πρωτεΐνες o Αδιάλυτες στο νερό. o Στηρικτικές και σκελετικές ουσίες. o Κολλαγόνο, κερατίνες,… 27

Πρωτεΐνες Μετουσίωση πρωτεϊνών Παράγοντες που οδηγούν σε μετουσίωση: o Μεταβολή θερμοκρασίας. o Μεταβολή pH. 28 Η μετουσίωση επηρεάζει φυσικές και βιολογικές ιδιότητες της πρωτεΐνης. Μετουσίωση συνήθως μη αντιστρεπτή- αντίστροφη διαδικασία ονομάζεται επανουσίωση.  στερεοποίηση πρωτεϊνών αβγού με το βράσιμο.  «κόψιμο» γάλακτος με προσθήκη οξέων. Τροποποίηση των δομών των πρωτεϊνών, εκτός της πρωτοταγούς.

Αντιδραστήριο Edman phenylisothiocyanate Ισοθειακυανικό φαινύλιο Όριο ανίχνευσης: 25 κύκλοι αποικοδόμησης παράγωγο της Ν- φαινυλοθειουρίας Τετραεδρικό ενδιάμεσο θειαζολινόνη παράγωγο της Ν- φαινυλοθειοϋδαντοϊνης Αποικοδόμηση Edman Αποικοδόμηση μέσω Ν-τελικού 29

Αποικοδόμηση μέσω C-τελικού 30 καρβοξυπεπτιδάση “Carboxypeptidase A”, από Lijealso διαθέσιμο ως κοινό κτήμαCarboxypeptidase ALijealso

Πρωτεΐνες – Ορμόνες 1/3 ΟρμόνηΑριθμός αμινοξέων Λειτουργία Insulin51 Lowers blood glucose level, promotes glucose storage as glycogen and fat. Fasting decreases insulin production. Glucagon29 Increases blood glucose level. Fasting increases glucagon production. Ghrelin28 Stimulates release of Growth Hormone, increases feeling of hunger. Leptin167 Its presence suppresses the feeling of hunger. Fasting decreases leptin levels. Growth Hormone 191 Human Growth Hormone (HGH), also called somatotropin, promotes amino acid uptake by cells and regulates development of the body. Growth hormone levels increase during fasting. Prolactin198Initiates and maintains lactation in mammals Human Placental Lactogen 191Produced by the placenta late in gestation 31

Πρωτεΐνες – Ορμόνες 2/3 ΟρμόνηΑριθμός αμινοξέων Λειτουργία Luteinizing Hormone 204Induces the secretion of testosterone Follicle Stimulating Hormone 204 Induces the secretion of testosterone and dihydrotestosterone Chorionic Gonadotro pin 237Produced after implantation of an egg in the placenta Thyroid Stimulating Hormone 201Stimulates secretion of thyroxin and triiodothyronine Adrenocort icotropic Hormone 39 Stimulates production of adrenal cortex steroids (cortisol and costicosterone) 32

Πρωτεΐνες – Ορμόνες 3/3 ΟρμόνηΑριθμός αμινοξέων Λειτουργία Vasopressi n 9 Increases the reabsorption rate of water in kidney tubule cells (antidiuretic hormone) Cys-Tyr-Phe-Gln-Asn-Cys-Pro-Arg-Gly Oxytocin9 Causes contraction of mammary gland cells to produce milk and stimulation of uterine muscles during childbirth Cys-Tyr-Ile-Gln-Asn-Cys-Pro-Leu-Gly Angiotensi n II 8 Regulates blood pressure through vasoconstriction Asp-Arg-Val-Tyr-Ile-His-Pro-Phe Parathyroid Hormone 84Increases calcium ion levels in extracellular fluids Gastrin14 Regulates secretion of gastric acid and pepsin, a digestive enzyme consisting of 326 amino acids 33

Πρωτεΐνες μυϊκού ιστού 1/5 Η σύσπαση των μυών επιτυγχάνεται ολισθαίνοντας δύο είδη ινιδίων αναμεταξύ τους. Ένα από αυτά τα ινίδια είναι φτιαγμένο από μυοσίνη (ο κινητήρας), και το άλλο είναι μια ουσία που ονομάζεται ακτίνη. Τα δύο είδη ινιδίων αλληλεπικαλύπτονται στα μυϊκά κύτταρα ώστε να μεγιστοποιούν τις αλληλεπιδράσεις τους. 34 “Sliding filament“Sliding filament”, από Gal gavriel διαθέσιμο με άδεια CC BY-SA 4.0Gal gavrielCC BY-SA 4.0

Πρωτεΐνες μυϊκού ιστού 2/5 35 “Skeletal muscle”, από Deglr6328~commonswiki διαθέσιμο με άδεια CC BY-SA 3.0Skeletal muscleDeglr6328~commonswikiCC BY-SA 3.0

Πρωτεΐνες μυϊκού ιστού 3/5 Κατά τη διάρκεια κάθε κύκλου, τα μόρια της μυοσίνης αρχικά συνδέονται στο ινίδιο της ακτίνης γεφυρώνοντας το κενό μεταξύ των ινιδίων. Κατόπιν “καίνε” καύσιμο αντιδρώντας με ένα μόριο ATP (το καύσιμο των περισσότερων βιολογικών διεργασιών). Αυτή η αντίδραση εκλύει ενέργεια και υποχρεώνει τα μόρια της μυοσίνης να αλλάξουν διαμόρφωση ώστε να περιστρέψουν το “βραχίονά” τους και να ωθήσουν την ίνα της ακτίνης. Στη συνέχεια, απελευθερώνουν το ινίδιο της ακτίνης και περιστρέφουν το βραχίονα στην αρχική θέση, έτοιμο για τον επόμενο κύκλο. 36

Πρωτεΐνες μυϊκού ιστού 4/5 37 “Querbrückenzyklus 1”, “Querbrückenzyklus 2”, “Querbrückenzyklus 3”, “Querbrückenzyklus 4”, από Arcadian διαθέσιμο με άδεια CC BY-SA 3.0Querbrückenzyklus 1Querbrückenzyklus 2Querbrückenzyklus 3Querbrückenzyklus 4ArcadianCC BY-SA 3.0 αβ γ δ

Πρωτεΐνες μυϊκού ιστού 5/5 38 “1008 Skeletal Muscle Contraction”, από CFCF διαθέσιμο με άδεια CC BY-SA Skeletal Muscle Contraction CFCFCC BY-SA 3.0

Glutamic acid Valine Δρεπανοκυτταρική αναιμία 39

Τέλος Ενότητας

Σημειώματα

Σημείωμα Αναφοράς Copyright Τεχνολογικό Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Αθήνας, Σπύρος Παπαγεωργίου. Σπύρος Παπαγεωργίου. «Ανόργανη και Οργανική Χημεία (Θ). Ενότητα 19: Αμινοξέα – Πεπτίδια – Πρωτεΐνες». Έκδοση: 1.0. Αθήνα Διαθέσιμο από τη δικτυακή διεύθυνση: ocp.teiath.gr.ocp.teiath.gr

Σημείωμα Αδειοδότησης Το παρόν υλικό διατίθεται με τους όρους της άδειας χρήσης Creative Commons Αναφορά, Μη Εμπορική Χρήση Παρόμοια Διανομή 4.0 [1] ή μεταγενέστερη, Διεθνής Έκδοση. Εξαιρούνται τα αυτοτελή έργα τρίτων π.χ. φωτογραφίες, διαγράμματα κ.λ.π., τα οποία εμπεριέχονται σε αυτό. Οι όροι χρήσης των έργων τρίτων επεξηγούνται στη διαφάνεια «Επεξήγηση όρων χρήσης έργων τρίτων». Τα έργα για τα οποία έχει ζητηθεί και δοθεί άδεια αναφέρονται στο «Σημείωμα Χρήσης Έργων Τρίτων». [1] Ως Μη Εμπορική ορίζεται η χρήση: που δεν περιλαμβάνει άμεσο ή έμμεσο οικονομικό όφελος από την χρήση του έργου, για το διανομέα του έργου και αδειοδόχο που δεν περιλαμβάνει οικονομική συναλλαγή ως προϋπόθεση για τη χρήση ή πρόσβαση στο έργο που δεν προσπορίζει στο διανομέα του έργου και αδειοδόχο έμμεσο οικονομικό όφελος (π.χ. διαφημίσεις) από την προβολή του έργου σε διαδικτυακό τόπο Ο δικαιούχος μπορεί να παρέχει στον αδειοδόχο ξεχωριστή άδεια να χρησιμοποιεί το έργο για εμπορική χρήση, εφόσον αυτό του ζητηθεί.

Επεξήγηση όρων χρήσης έργων τρίτων Δεν επιτρέπεται η επαναχρησιμοποίηση του έργου, παρά μόνο εάν ζητηθεί εκ νέου άδεια από το δημιουργό. © διαθέσιμο με άδεια CC-BY διαθέσιμο με άδεια CC-BY-SA διαθέσιμο με άδεια CC-BY-NC-SA διαθέσιμο με άδεια CC-BY-NC Επιτρέπεται η επαναχρησιμοποίηση του έργου και η δημιουργία παραγώγων αυτού με απλή αναφορά του δημιουργού. Επιτρέπεται η επαναχρησιμοποίηση του έργου με αναφορά του δημιουργού, και διάθεση του έργου ή του παράγωγου αυτού με την ίδια άδεια. Επιτρέπεται η επαναχρησιμοποίηση του έργου με αναφορά του δημιουργού. Δεν επιτρέπεται η εμπορική χρήση του έργου. Επιτρέπεται η επαναχρησιμοποίηση του έργου με αναφορά του δημιουργού. και διάθεση του έργου ή του παράγωγου αυτού με την ίδια άδεια Δεν επιτρέπεται η εμπορική χρήση του έργου. διαθέσιμο με άδεια CC-BY-ND Επιτρέπεται η επαναχρησιμοποίηση του έργου με αναφορά του δημιουργού. Δεν επιτρέπεται η δημιουργία παραγώγων του έργου. διαθέσιμο με άδεια CC-BY-NC-ND Επιτρέπεται η επαναχρησιμοποίηση του έργου με αναφορά του δημιουργού. Δεν επιτρέπεται η εμπορική χρήση του έργου και η δημιουργία παραγώγων του. διαθέσιμο με άδεια CC0 Public Domain διαθέσιμο ως κοινό κτήμα Επιτρέπεται η επαναχρησιμοποίηση του έργου, η δημιουργία παραγώγων αυτού και η εμπορική του χρήση, χωρίς αναφορά του δημιουργού. χωρίς σήμανσηΣυνήθως δεν επιτρέπεται η επαναχρησιμοποίηση του έργου.

Διατήρηση Σημειωμάτων Οποιαδήποτε αναπαραγωγή ή διασκευή του υλικού θα πρέπει να συμπεριλαμβάνει:  το Σημείωμα Αναφοράς  το Σημείωμα Αδειοδότησης  τη δήλωση Διατήρησης Σημειωμάτων  το Σημείωμα Χρήσης Έργων Τρίτων (εφόσον υπάρχει) μαζί με τους συνοδευόμενους υπερσυνδέσμους.

Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στo πλαίσιo του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα στο ΤΕΙ Αθηνών» έχει χρηματοδοτήσει μόνο την αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους.