Aminokiseline, peptidi i proteini

Hormon rasta (somatotropin) proteinski je hormon prednjeg režnja hipofize, koji se sastoji od 191 aminokiseline. Nužan je za normalan rast djece te ima važnu ulogu u regulaciji metabolizma kako u djece, tako i u odraslih. Njegovo je izlučivanje u zdravih osoba svakodnevno, a najintenzivnije je noću.

Općenito, aminokiseline su karboksilne kiseline koje sadrže i amino-skupinu. U biokemiji se “aminokiselinama” nazivaju α-aminokiseline, odnosno one u kojima su karboksilna i amino-skupina vezane na isti atom ugljika. 

Prolin je ciklička aminokiselina.

Aminokiseline su organski spojevi koji u prirodi rijetko dolaze u slobodnom stanju. Uglavnom su međusobno povezani čineći makromolekule peptida i proteina. U proteinima ljudskog organizma nalazi se samo dvadesetak vrsta aminokiselina. Neke od njih može sintetizirati sam organizam pa se nazivaju neesencijalnima, dok druge organizam dobiva iz proteina u hrani i one se nazivaju esencijalnim aminokiselinama. Esencijalne se aminokiseline nalaze u životinjskim namirnicama kao što su meso, riba, sir, jaja, mlijeko.

Sve aminokiseline, osim glicina, kiralne su molekule jer im je α-atom ugljika asimetrično supstituiran. Aminokiseline koje nalazimo u proteinima imaju L-konfiguraciju na α-atomu ugljika i pripadaju L-nizu. Njihova je apsolutna konfiguracija R-, osim kod cisteina koji ima S-konfiguraciju.

Aminokiseline D-konfiguracije nisu nađene u proteinima čovjeka, ali ih ipak sintetiziraju neki niži organizmi. Npr. D-alanin i D-glutaminska kiselina strukturni su sastojci staničnih stijenki nekih bakterija, a različite D-aminokiseline sastavni su dijelovi nekih peptidnih antibiotika.

Aminokiseline su najvećim dijelom kristalne čvrste tvari visokih tališta (od 186 °C za glutamin do 344 °C za tirozin), topljive u vodi, a netopljive u nepolarnim organskim otapalima. Iz navedenih se svojstava može zaključiti da su aminokiseline po fizikalnim svojstvima slične solima koje imaju ionsku kristalnu strukturu. Visoka tališta i topljivost aminokiselina u vodi posljedica su njihove amfoternosti. Aminokiseline imaju svojstva kiselina i baza jer u istoj molekuli imaju karboksilnu i amino-skupinu.

Iako aminokiselinama možemo dati sustavna imena, na način koji smo ranije upoznali za druge vrste spojeva (npr. α-aminooctena kiselina za glicin), uobičajeno je da se upotrebljavaju trivijalna imena koja su jednostavnija. Strukture 20 aminokiselina koje su sastavni dijelovi proteina u ljudskom organizmu prikazane su na slikama, koje se nalaze u klizaču, prema podjeli na neutralne, kisele i bazične. 

Neutralne aminokiseline imaju jednu amino- i jednu karboksilnu skupinu, a neutralna R skupina može biti nepolarna ili polarna. Kisele i bazične aminokiseline sadrže u strukturi R-skupine još jednu karboksilnu, odnosno amino-skupinu.

Premda aminokiseline uobičajeno prikazujemo sa slobodnom karboksilnom (–COOH) i aminoskupinom (–NH₂), njihova je stvarna struktura ionska i ovisi o pH-vrijednosti. Zbog prisutnosti aminoskupine i karboksilne skupine u istoj molekuli aminokiseline imaju svojstva i kiselina i baza, stoga kažemo da su amfoterne. Aminokiseline imaju manju kiselost od karboksilnih kiselina i manju bazičnost od amina. Karboksilna skupina može otpustiti proton, a aminoskupina može vezati proton preko nepodijeljenoga elektronskog para na atomu dušika. Karboksilna skupina zbog gubitka protona prelazi u karboksilatni ion, a aminoskupina se protonira u amonijev ion. Kad su karboksilna i aminoskupina jednako ionizirane, nastaje dvojni ion (zwitterion, dipolarni ion).

Osim reakcija koje proizlaze iz kiselinsko-bazičnih svojstava aminokiselina, postoje i njihove druge karakteristične reakcije. One su jednake onima na aminoskupini amina i karboksilnoj skupini karboksilnih kiselina. Ako R-skupina sadrži i neke druge funkcionalne skupine, kao npr. –OH ili –SH, one im daju dodatna kemijska svojstva.

Od posebne je važnosti reakcija kojom se molekule aminokiselina međusobno povezuju jer tom reakcijom nastaju za život važni spojevi peptidi i proteini.

Dvije aminokiseline mogu se međusobno vezati tako da reakcijom između karboksilne skupine jedne i amino-skupine druge aminokiseline nastane amid. Tako nastali amidi zovu se peptidi, a veza između njih je peptidna (amidna) veza.

Ovisno o tomu reagira li aminokiselina svojom amino-skupinom ili karboksilnom skupinom, dvije se aminokiseline mogu međusobno vezati na dva načina. Stoga iz dviju aminokiselina mogu nastati dva različita dipeptida, u kojima aminokiselina na početku lanca ima slobodnu amino-skupinu, a na kraju lanca karboksilnu skupinu.

Tri aminokiseline, npr. glicin, alanin i tirozin, mogu se bez ponavljanja u tripeptidu povezati na šest načina, pri čemu nastaje šest različitih tripeptida;

1. Gly – Ala –Tyr
2. Gly – Tyr – Ala
3. Ala – Gly – Tyr
4. Ala – Tyr – Gly
5. Tyr – Gly – Ala
6. Tyr – Ala – Gly

Broj mogućih izomera polipeptida bez ponavljanja aminokiselina je n faktorijela (n!). Od četiri različite aminokiseline bez njihova ponavljanja mogu nastati 24 linearna tetrapeptida;

Pomoću kratica aminokiselina alanina, cisteina i lizina napišite moguće kombinacije u tripeptidu.

Proteini ili bjelančevine su polipeptidi velike molekulske mase (veličine od 10⁴ do 10⁷), a građeni su od dugih lanaca u kojima je povezano i više tisuća aminokiselina.

Netopljivi proteini kao što su svila, vuna ili kolagen sadržavaju velik udio jedne ili dvije hidrofobne aminokiseline, primjerice glicin, prolin ili leucin. Proteini s velikim udjelom polarnih aminokiselina u strukturi obično su topljivi u vodi.

Denaturacija je razaranje slabih međudjelovanja u proteinu, čime se gubi nativna struktura. To se može postići mehanički, zagrijavanjem, promjenom pH-vrijednosti, dodatkom vodenih otopina velikih koncentracija soli, organskih otapala ili nekih drugih kemijskih spojeva.

Struktura proteina može biti organizirana na četiri razine.

Slijed aminokiselina u proteinskom lancu zove se primarna struktura proteina. Primarna struktura proteina može se eksperimentalno odrediti tako da se dugački proteinski lanci hidrolizom cijepaju na manje molekule peptida. Peptidi se dalje razdvajaju, a zatim se svaki od njih opet postupno razgrađuje i to se ponavlja dok se ne utvrdi potpuni redoslijed aminokiselina. Kod određivanja slijeda aminokiselina upotrebljavaju se i neki enzimi koji cijepaju točno određene veze između njih.

Osim redoslijeda aminokiselina, koje čine primarnu strukturu nekog proteina, njegovo je djelovanje u živoj stanici određeno i oblikom čitave proteinske molekule u prostoru. Važno je kako su aminokiseline u lancu međusobno smještene u prostoru, a također i kako su lanci aminokiselina smješteni međusobno. Novija su istraživanja pokazala da su molekule proteina vrlo dinamične i da tijekom obavljanja svojih funkcija u organizmu mijenjaju i svoj oblik. Pravilan prostorni raspored aminokiselinskih ostataka u polipeptidnom lancu, stabiliziran vodikovim vezama između bliskih jedinica, naziva se sekundarnom strukturom proteina.

Američki znanstvenici L. Pauling i R. Corey predložili su model molekule proteina i objasnili mogući prostorni razmještaj aminokiselina u proteinskom lancu. Takosu 1951. predložili postojanje dviju sekundarnih struktura proteina: α-uzvojnica (α-heliks) i β-nabrana ploča, s time da je vrsta sekundarne strukture određena primarnom strukturom.

Tercijarna struktura proteina daje prostorni razmještaj i međusobni odnos i vrlo udaljenih aminokiselina u lancu. Tercijarna struktura proteina stabilizirana je nekovalentnim interakcijama kao što su vodikove veze, ionska međudjelovanja i van der Waalsova privlačenja, ali i kovalentnim vezama kao što su disulfidne veze –S–S–.

Prema tercijarnoj strukturi proteini se dijele na fibrilarne (vlaknaste) i globularne (kuglaste), koji se razlikuju po topljivosti u vodi. Fibrilarni proteini netopljivi su u vodi, dok su globularni topljivi.

Primjer je fibrilarnog proteina kolagen, dok u globularne proteine spadaju bjelanjak jajeta, enzimi, albumini, globulini i neki hormoni.

Primjer molekule s tercijarnom strukturom proteinski je dio konjugiranog proteina mioglobina. Mioglobin je prvi protein kojemu je 1957. godine određena tercijarna struktura. Sastoji se od polipeptidnoga lanca građenoga od 153 aminokiseline i jedne prostetičke skupine hem u čijoj se strukturi u središtu nalazi kation željeza, Fe²⁺. Molekula mioglobina veže jednu molekulu kisika i ima veću sklonost za vezanje kisika od hemoglobina. Mioglobin je mali transportni protein koji ima bitnu ulogu u transportu kisika u srčanome i poprečno-prugastome mišićnom tkivu. Ubraja se u kromoproteine i daje boju crvenomu mesu.

Proteini mogu biti jednostavni i složeni (konjugirani). Jednostavni proteini izgrađeni su samo od aminokiselina koje su povezane peptidnom vezom. Složeni (konjugirani) proteini sadrže kao dio svoje strukture neproteinski sastojak – prostetičku skupinu koja je povezana s jednom ili više aminokiselina u proteinu.

Još složenija struktura proteina nastaje kad se nekoliko polipeptidnih lanaca (podjedinica) poveže u nakupine u kojima imaju vlastitu konformaciju. Takva struktura zove se kvaterna struktura proteina. Podjedinice na okupu drže nekovalentna međudjelovanja (vodikove veze, ionska privlačenja i van der Waalsove sile). Dobro poznat primjer proteina s kvaternom strukturom jest hemoglobin. To je konjugirani protein koji se sastoji od četiri podjedinice, a svaka podjedinica sastoji se od polipeptidnog lanca i hema kao prostetičke skupine. Proteinski dio hemoglobina globularni je protein koji se zove globin, u kojemu su dva i dva polipeptidna lanca jednaka.