طعم الكيمياء الفصل الرابع

الفصل الرابع- الزلاليات (البروتينات) بلمحة موجزة اهداف ومضامين اهداف... الجانب الكيميائي معرفة مبنى وصفات الحوامض الامينية معرفة عامة لأنواع الزلاليات وتصنيفها الجانب الغذائي معرفة أغذية غنية بالزلاليات (البروتينات) الجانب المجتمعي/الانساني معرفة بروتين الصويا وتأثيره على صحتنا

الفصل الرابع- الزلاليات (البروتينات) بلمحة موجزة اهداف ومضامين ...ومضامين الجانب الكيميائي مبنى الحوامض الامينية – أيون ثنائي. تصنيف الحوامض الأمينية حسب مجموعاتها الجانبية. شحنة الحوامض الأمينية حسب حامضية المحيط. المبنى الأولي للزلال. تفاعل التكثيف للحصول على الرابط الببتيدي. دِنتَرة الزلاليات. زلال الحليب الجانب الغذائي زلال ذو جودة غذائية مرتفعة، زلال ”كامل“ حوامض أمينية ضرورية وغير ضرورية لأجسامنا. حامض أميني محدِّد في الغذاء. الجانب المجتمعي/الانساني إستهلاك متوازن من الزلاليات من ضمنها الصويا

ماذا نعرف عن الزلاليات؟ أحد المكونات الغذائية بناء أنسجة- عضلات، انسجة رابطة، عظام. وظائف متنوعة: إنزيمات، مضادات حيوية، هرمونات ماكروجزيئات. مكونة من 20 حامض أميني بترتيبات متنوعة. لا يستطيع الجسم تخزينها. يتحول الى دهن ويخزن في الجسم. (سمنة)

الزلاليات في جسم الانسان الزلاليات تشكل 16%-19% من الوزن الكلي لأنسان بالغ. باحث هولندي يسمى مولدر (Mulder 1802-1880) كان أول من بين ان في كل هذه المواد يوجد ”راديكال“ C40H62N10O2. أطلق على هذا ”الراديكال“ إسم Protein من الكلمة اللاتينية Proteios – أولي.

وظائف الزلاليات 1. نقل وتخزين 2. حركة סדנא למורים בכימיה

3. تقوية ميكانيكية (شد) (زلال كولوجين 33%) 4. تشترك في وسائل الحماية والوقاية 5. انتاج دوافع (اشارات) عصبية ونقلها.

9. تعمل كأنزيمات، هرمونات أو مضادات. 6. مراقبة، نمو وتجنس. 7. تخثر الدم. 8. بناء خلايا وأنسجة. 9. تعمل كأنزيمات، هرمونات أو مضادات. 10. تسريع وضبط تفاعلات كيميائية في الجسم. انزيم كاتلاز(يفكك ماء اأوكسجين السام في الخلايا)

بعد التعرف على الوظائف... فلنتعرف على المبنى... الحامض الأميني هي حجر الأساس للزلال:

الحوامض الأمينية هي أحجار الأساس للزلال: حامض كربوكسيلي:  حامض أميني: 

مميزات الحوامض الأمينية: الحوامض الأمينية الطبيعية تتميز في: 1. صلبة في درجة حرارة الغرفة، درجة انصهارها عالية (أكثر من 200 درجة مئوية) 2. تذوب جيدا في الماء ومذيبات قطبية أخرى، أكثر من ذائبيتها في مذيبات غير قطبية. 3. فعالة ضوئياَ. وجود ذرة كربون أسميرتية، كيرالية، التي تسبب انحراف الضوء المتقطب لإتجاهات مع وعكس عقارب الساعة. 

الإيزوميرات الضوئية معظم الحوامض الأمينية، ذرة الكربون المركزية (كربون ) مرتبطة مع أربع مجموعات جانبية مختلفة = كربون أسمتري. المجموعات المرتبطة مع الكربون المركزي، يمكنها الانتظام بمبنيين فراغيين مختلفين، بحيث يكون أحدهما صورة مراه لالاخر. للجزيئيين الناتجين يوجد صفات كيميائية مختلفة، ويرمز لكل لكل واحد منهما بالحرفين L ו-D.

الزلاليات مبنية من 20 حامض أميني. 11 حامض أميني يكونها الجسم، 9 مصدرها خارجي. للحوامض الأمينية في الوسط المائي (وسط فسيولوجي) صورة ثنائية الأيونات Zwitterions. المجموعة الكربوكسيلية تعطي بروتون وتحمل شحنة سالبة COO- المجموعة الأمينية ترتبط مع بروتون وتحمل شحنة موجبة NH3+

صفات الحامض- قاعدة للحوامض الأمينية: في وسط متعادل (pH=7), تتواجد معظم الحوامض الأمينية بالصورة الثنائية الأيونات (Zwitterions). في وسط قاعدي، تتواجد معظم الحوامض الأمينية بصيغة الأنيون. في وسط حامضي، تتواجد معظم الجزيئات بصيغة الكاتيون. الشحنة الكلية للحامض الأميني يتعلق بشحنة المجموعة الجانبية، التي يمكن أن تكون حامضية أو قاعدية.

انتاج الزلال من الحامض الأميني الرباط الببتيدي (الاميدي) طرف أميني N - terminus طرف كربوكسيلي C - terminus رباط ببتيدي

الرباط الببتيدي: مستوي وصلد الرباط الببتيدي هو تقريبا مستوي، اي ان الذرات C,O,N,H وال-C للحامض الأميني المجاور تواجد بنفس المستوى. رباط ببتيدي هذا الأمر يسبب مباني مستوية صلدة تقريبا في سلاسل الببتيد:

في الرباط الببتيدي ظاهرة ال- (רזוננס)

المبنى الأولي للببتيد: سلسلة بولي ببتيدية Ala-Cys-Gly-His-Val-Glu-Lys-Met-Cys-Gly-Val-Pro-Asn-Asp-Val-His-… الذرات حول الأربطة N - C و- C - C تدور بحرية الرابط C - N صلد الذرات في السلسلة البولي ببتيدية تنتظم حول الرابط الببتيدي في صورة ترنس وليس سيس

المبنى الفراغي للزلال أربطة بين جزيئية: قوى هيدروفوبية قوى تجاذب ايونية أربطة هيدروجينية قوى فان در فالس

الطاقة اللازمة لفك الرابط القوى والأربطة المثبتة لمبنى الزلال: الطاقة اللازمة لفك الرابط Kcal/mol تثبيت مبنى الزلال قوى هيدروفوبية 1-2 3-7 10 50 +++ + اربطة هيدروجينية تجاذب كهربائي رباط ثنائي الكبريت

تلخيص المبنى الفراغي

קבוע שיווי המשקל של חומצה והקשר בין pH ו-pKa ב.1. החלבונים בגוף האדם ב.2. חומצות אמיניות אבני הבניין של החלבונים קבוע שיווי משקל של חומצה מסומן כ- Ka. בחומצות האמיניות, הקבוצה ה--קרבוקסילית (- COOH) והקבוצה ה--אמינית )במצבה המיונן (- NH3+, מוגדרות כחומצות חלשות, מכיוון שהן עוברות יינון חלקי בלבד בתמיסות מימיות. מסיבה זו, קבוע החומצה של החומצות האמיניות יהיה קטן מאחד (Ka<1). לעומתן, חומצות חזקות, HCl(aq) או HNO3(aq), עוברות פירוק מלא ליונים ובעלות Ka>>1. ב.3. תכונות חומצה- בסיס של חומצות אמיניות ב.4. יצירת חלבון מחומצות אמיניות ב.5. המבנה המרחבי של החלבון

בדומה למדד ה-pH של תמיסה, שהינו מדד של ריכוז יוני ההידרוניום: ב.1. החלבונים בגוף האדם ב.2. חומצות אמיניות אבני הבניין של החלבונים בדומה למדד ה-pH של תמיסה, שהינו מדד של ריכוז יוני ההידרוניום: ה-pKa של חומצה (בתמיסה מימית) מוגדר כ: ב.3. תכונות חומצה- בסיס של חומצות אמיניות ב.4. יצירת חלבון מחומצות אמיניות ב.5. המבנה המרחבי של החלבון

ניתן לגזור את הנוסחה הבאה: מהביטוי: ב.1. החלבונים בגוף האדם ב.2. חומצות אמיניות אבני הבניין של החלבונים ניתן לגזור את הנוסחה הבאה: ב.3. תכונות חומצה- בסיס של חומצות אמיניות אם נפעיל פעולת -log על כל אחד ממרכיבי הנוסחה נקבל: ב.4. יצירת חלבון מחומצות אמיניות ב.5. המבנה המרחבי של החלבון על פי ההגדרה של pH ו- pKa נוכל להציבם בנוסחה ולקבל:

משוואת הנדרסון-הסלבך (Henderson-Hasselbalch) ב.1. החלבונים בגוף האדם ב.2. חומצות אמיניות אבני הבניין של החלבונים מאפשרת לחשב את ה-pH של תמיסה, אם ידועים הריכוזים המולריים של החומצה (HA), הבסיס הצמוד לה (A-) וה- pKa שלה.  באופן הפוך, ניתן לחשב את ה-pKa של חומצה. ב.3. תכונות חומצה- בסיס של חומצות אמיניות ב.4. יצירת חלבון מחומצות אמיניות ב.5. המבנה המרחבי של החלבון

ב.1. החלבונים בגוף האדם ב.2. חומצות אמיניות אבני הבניין של החלבונים ה- pH יהיה שווה ל-pKa כאשר הריכוזים של החומצה והבסיס הצמוד לה יהיו שווים. כאשר הריכוזים שווים, היחס בין ריכוז החומצה (HA) וריכוז הבסיס הצמוד לה (A-) הוא 1. ב.3. תכונות חומצה- בסיס של חומצות אמיניות ב.4. יצירת חלבון מחומצות אמיניות ב.5. המבנה המרחבי של החלבון

pKa של חומצות אמיניות ב.1. החלבונים בגוף האדם ב.2. חומצות אמיניות אבני הבניין של החלבונים לכל קבוצה מתייננת (האמינית והקרבוקסילית), יש ערך pKa אופייני (טבלה עמ' 31). ל-pKa של הקבוצה ה- קרבוקסילית (-COOH) מייחסים את הערךpKa1 או pKacarboxy, נע בין 1.80 ל- 2.46. ל- pKaשל הקבוצה ה- אמינית (-NH3+) מייחסים את הערך pKa2 או pKaamino , נע בין 8.72 ל - 10.70. קבוצות צדדיות היכולות להתפרק ליונים. לכל קבוצה צדדית הנושאות מטען, נייחס את הערך pKaR, הנע בין 3.90 ל - 12.48. ב.3. תכונות חומצה- בסיס של חומצות אמיניות ב.4. יצירת חלבון מחומצות אמיניות ב.5. המבנה המרחבי של החלבון

חישוב מטענן של חומצות אמיניות (עמ' 32) ב.1. החלבונים בגוף האדם ב.2. חומצות אמיניות אבני הבניין של החלבונים מצב טווח ה- pH נוסחת מבנה של גליצין בצורה הדומיננטית המטען על הקב' הקרבוקסילית המטען על הקב' האמינית מטען נטו 1 pH<2.34 0.0 +1.0 2 pKa1=2.34 -0.5 +0.5 3 2.34<pH<9.60 ? -1.0 4 pKa2=9.60 5 9.7<pH ב.3. תכונות חומצה- בסיס של חומצות אמיניות ב.4. יצירת חלבון מחומצות אמיניות ב.5. המבנה המרחבי של החלבון

עקומת טיטרציה של החומצה האמינית אלאנין ב.1. החלבונים בגוף האדם עקומת טיטרציה של החומצה האמינית אלאנין ב.2. חומצות אמיניות אבני הבניין של החלבונים ב.3. תכונות חומצה- בסיס של חומצות אמיניות צורת אניון pH ב.4. יצירת חלבון מחומצות אמיניות ב.5. המבנה המרחבי של החלבון צורת דו-יון צורת קטיון מולים של NaOH

ה- pHהאיזואלקטרי (או ה- pI) ב.1. החלבונים בגוף האדם ב.2. חומצות אמיניות אבני הבניין של החלבונים ב-pH השווה ל-pKa1, מחצית מכמות החומצה האמינית מצוי בצורה של יון חיובי (קטיון) ומחצית בצורה של דו-יון (מצב 2). ב-pH השווה ל-pKa2, מחצית מכמות החומצה האמינית מצוי בצורה של יון שלילי (אניון) ומחצית בצורה של דו-יון (מצב 4). הנקודה שבה כל החומצה נמצאת במצב של דו-יון, נקראת ה- pHהאיזואלקטרי (או ה- pI) של חומצות האמיניות. ב.3. תכונות חומצה- בסיס של חומצות אמיניות ב.4. יצירת חלבון מחומצות אמיניות ב.5. המבנה המרחבי של החלבון

מטען חשמלי של חומצות אמיניות הנקודה האיזואלקטרית ה- pH שבו המטען החשמלי נטו מתאפס

ה- pHהאיזואלקטרי (או ה- pI) ב.1. החלבונים בגוף האדם ב.2. חומצות אמיניות אבני הבניין של החלבונים ה- pI מוגדר כ- pHשבו סכום המטענים שעל החומצה האמינית (במקרה זה: 1+, 1-) שווה לאפס. כאשר נשים חומצה אמינית בתמיסה בה ערך ה- pHשונה מה- pI שלה ונפעיל עליה שדה חשמלי, היא תנוע לקוטב החיובי או השלילי, בהתאם למטען שעליה. לעומת זאת, חומצה אשר תימצא בתמיסה בה ערך ה- pH שווה ל- pI לא תנוע בשדה החשמלי. תהליך הנדידה בשדה חשמלי נקרא אלקטרופורזה ב.3. תכונות חומצה- בסיס של חומצות אמיניות ב.4. יצירת חלבון מחומצות אמיניות ב.5. המבנה המרחבי של החלבון

ניתן לחשב את ה- pI של חומצה אמינית שאין לה קבוצה צדדית מתייננת: ב.1. החלבונים בגוף האדם ב.2. חומצות אמיניות אבני הבניין של החלבונים ניתן לחשב את ה- pI של חומצה אמינית שאין לה קבוצה צדדית מתייננת: חשבו את ה- PI של אלנין וגליצין. ב.3. תכונות חומצה- בסיס של חומצות אמיניות ב.4. יצירת חלבון מחומצות אמיניות ב.5. המבנה המרחבי של החלבון

מה לגבי אותן חומצות אמיניות בעלות קבוצה צדדית קוטבית שעוברת יינון במים? ב.1. החלבונים בגוף האדם ב.2. חומצות אמיניות אבני הבניין של החלבונים לחומצה אמינית בעלת קבוצה צדדית מתייננת קיימים שלושה ערכים: pKa1, pKa2 ו- pKaR בחומצה דיקרבוקסילית כגון ח' גלוטמית או אספרטית, ה- pI יימצא בערך pH בין ערכי pKa1 ו- pKaR. בחומצה דיאמינית כגון ליזין או ארגינין, ה- pI יימצא בערך pH בין ערכי pKa2 ו- pKaR. ב.3. תכונות חומצה- בסיס של חומצות אמיניות ב.4. יצירת חלבון מחומצות אמיניות ב.5. המבנה המרחבי של החלבון

מה לגבי אותן חומצות אמיניות בעלות קבוצה צדדית קוטבית שעוברת יינון במים? ב.1. החלבונים בגוף האדם ב.2. חומצות אמיניות אבני הבניין של החלבונים סוג החומצה האמינית הדרך לחישוב ה- pI חומצה ללא קבוצה טעונה בשרשרת הצדדית חומצה דיקרבוקסילית חומצה דיאמינית ב.3. תכונות חומצה- בסיס של חומצות אמיניות ב.4. יצירת חלבון מחומצות אמיניות ב.5. המבנה המרחבי של החלבון

ב.1. החלבונים בגוף האדם "סתירות" שיש ליישב 1. חומצות אמיניות הן מוצקים, בעלי נק' היתוך גבוהה (200 מעלות צלזיוס). חומצות האמיניות נמסות במים. אם זאת, יש חומצות אמיניות המוגדרות כהידרופוביות ואחרות כהידרופיליות - הכיצד? 2. כל אחת מהחומצות האמיניות מתנהגת הן כחומצה והן כבסיס, תכונה הידועה כ"אמפוטריות", למרות זאת, יש חומצת אמיניות המוגדרות כחומציות ואחרות כבסיסיות - הכיצד? ב.2. חומצות אמיניות אבני הבניין של החלבונים ב.3. תכונות חומצה- בסיס של חומצות אמיניות ב.4. יצירת חלבון מחומצות אמיניות ב.5. המבנה המרחבי של החלבון

הקשר הפפטידי: יחידה מישורית קשיחה הקשר הפפטידי הוא כמעט מישורי כלומר האטומים C,O,N,H וה-C של החומצה האמינית הבאה נמצאים כמעט באותו מישור. קשר פפטידי דבר זה יוצר מישורים קשיחים יחסית בשרשרת הפפטידית:

הקשר הפפטידי: תופעת האל-איתור (רזוננס)

המבנה הראשוני: שרשרת פוליפפטידית Ala-Cys-Gly-His-Val-Glu-Lys-Met-Cys-Gly-Val-Pro-Asn-Asp-Val-His-… האטומים סביב הקשרים N - C ו - C - C סובבים חופשי הקשר C - N קשיח האטומים בשרשרת הפוליפפטידית יסתדרו סביב הקשר הפפטידי בקונפורמציית טרנס ולא ציס

קשרי דו-גופרית S S במידה ובחלבון יש שיירים של חומצות אמיניות מסוג ציסטאין, הקבוצות הצדדיות תיצורנה קשרי דו גופרית (קשרים קוולנטיים) שמייצבים את המבנה הראשוני של החלבונים.

המבנה השניוני סלילי α d+ בסלילי α קשרי המימן נוצרים בין מימן הקשור לחנקן של הקשר הפפטידי וקבוצת קרבוניל של החומצה אמינית הרביעית לאחריו N – C – C – N – C – C – N – C – C – N – C – C – N – C – C - H R1 0 R2 H R3 O R4 H R5 O H H H O H H H O H

השרשרת סובבת לכיוון ימין סלילי α השרשרת סובבת לכיוון ימין הקבוצות הצדדיות פונות החוצה

סלילי α סיבוב שלם 5.4 Ao בכל סיבוב שלם 3.6חומצות אמיניות בכל סיבוב שלם 3.6חומצות אמיניות לא ימצאו חומצות אמינו עם מטען מנוגד או זהה בעמדות שיכולות לעוות את ה – a helix Proline לא ימצאו (כמעט) חומצות אמינו גדולות ( (bulky לא ימצאו חומצות אמינו Proline , Glycine Glycine Ao (angstrom) = 0.1nm

משטחי  מקביל אנטי-מקביל COOH NH2

משטחי  בחלבונים יופיעו שני משטחי  או יותר. משטחי  מורכבים מחומצות אמיניות עם קבוצה צדדית קטנה יחסית. כל משטח ירוק מסמל רצף אחד של חומצות אמיניות.

סיבובים ולולאות מקטעים ללא מבנה קבוע היוצרים חיבור בין סלילי  ומשטחי 

מבנה שלישוני 1. חלבונים כדוריים Globular Proteins מאורגנים ככדור וניתן לתאר אותם על ידי הרדיוס או הקוטר שלהם. 2. חלבונים סיביים Fibrous Proteins מאורגנים במרחב סביב ציר אורך דמיוני. הקוטר שלהם יחסית לאורך זניח. חלבוני המבנה (שיער, שרירים, גידים, ציפורניים) הם בדרך כלל חלבונים סיביים. חלבוני הפונקציה (כדוריות דם, אנזימים, הורמונים) הם בדרך כלל חלבונים כדוריים.

מבנה שלישוני דוגמאות לחלבונים כדוריים:

מבנה שלישוני של החלבון ריבונוקלאז Ribonuclease חתך דרך המולקולה מבט חיצוני מולקולות מים (ירוק) קבוצות צדדיות לא קוטביות (ורוד) קבוצות צדדיות קוטביות (כחול)

מבנה ראשוני: קשרי דו-גופרית מבנה השיער -keratin מבנה שלישוני: סיבי מבנה שניוני: סלילי  מבנה ראשוני: קשרי דו-גופרית

מבנה רביעוני המוגלובין מספר שרשרות פוליפפטיד סמוכות זו לזו ארבע שרשרות של החלבון גלובין. כל אחת מכילה קבוצת הם חלבון גלובין קבוצת הם: תצמיד של ארבעה פירולים ויון ברזל Fe++

דנטורציה של חלבונים דנטורציה – שינוי מרחבי של מבנה המולקולה ואובדן תכונותיה ותפקודה כתוצאה מטיפול כימי או פיסיקלי. 1. חום – משפיע על אינטראקציות חלשות כמו קשרי מימן 2. pH קיצוני 3. שימוש בממסים כגון Urea או Guanidine hydrochloride 4. ראגנטים מחזרים לשבירת קשרי S-S. דנטורציה רנטורציה דנטורציה ורנטורציה של האנזים ריבונוקלאז ע"י חיזור קשרי דו-גופרית וחמצון מחדש