fehérjék
aminosavak
peptidek 1
Fehérjék, peptidek, aminosavak A fehérjék (=protein) komplex, döntően aminosavegységekből felépülő makromolekulák. Molekulatömegük nagyobb mint 10.000 dalton (~80 100 aminosav) (kivétel van). • A növények szervetlen anyagokból is elő tudják állítani (víz+CO2+nitrit vagy nitrát), az állatok csak a táplálékból felvett szerves anyagokból. • Berselius (1779-1848) svéd kémikustól származik a „protein” görög szó. Jelentése elsőnek lenni, mely arra utal, hogy az élet szempontjából ezek a kulcsvegyületek. Áz állati sejtek szárazanyagtartalmának legalább 50 %-a fehérje. 2
Fehérjék, peptidek, aminosavak A peptidek szintén aminósav-egységekből épülnek fel. A 2-15 monomerből felépülő peptideket oligopeptideknek-, a 16-100 monomerből felépülő peptideket polipeptidnek nevezzük. Az aminosavak közül 20 szinte minden fehérjében megtalálható, további 4 viszonylag gyakori. További ~115 aminosav, melyet az előbbieken kívül azonosítottak, nagyon ritkán fordulnak elő. A gyakori 20+4 aminosav α L konformációjú. 3
α-L-aminosavak iker ion forma
+ H3N
COO
α − szénatom
C
+H N 3
H R
α-L-aminosavak térkonformációja (az L alaninra vezetjük vissza R=CH3)
H2N
COO
H C R
-
C R H
α-D-aminosavak térkonformációja
COOH C H H β aminosav
A D-aminosavak elképzelhető, hogy mérgezőek (pl. egyes gombáknál a mérgező hatást a Daminosavaknak tulajdonítják.) 4
A leggyakoribb 20 aminosav poláros oldalláncú aminosavak
apoláros oldalláncú aminosavak
5
Néhány fogalom az aminosavakkal kapcsolatban • Esszenciális aminosavak: azok a nélkülözhetetlen aminosavak, melyeket a szervezet nem-, vagy kellő mennyiségben nem tud előállítani, így külső forrásból kell biztosítani őket (8 + 1 + 1 db). • Aminosavak elektrokémiai vonatkozásai, jellemzői: – protonvándorlás (már szilárd állapotban is): iker ion szerkezet – izoelektromos pont: az a pH érték, amelynél a molekula kifelé semleges
6
Néhány fogalom az aminosavakkal kapcsolatban – pK1, pK2, pKR, az α szénatomon lévő karboxilcsoport, aminocsoport, valamint az oldalláncon disszociáló funkciós csoport disszociációs konstansainak negatív alapú logaritmusa pK x = - log (Kx) – amfoter jelleg: a pH függvényében az adott aminosav savként vagy bázisként viselkedhet: R-CH-COOH-
Kx =
I A- I I H+I I HA I
NH3+ R-CH-COOH- + H+ NH3+
H+ + R-CH-COOHNH2 R-CH-COOH NH3+
7
A savas, bázikus és aromás oldalláncú aminosavak néhány jellemzője oldallánc jellege
savas
aminosav **esszenciális * félig esszenc. ***limitáló
Átlagos előfordulása
Magas %-ban való
pI
oldódása vízben
(%)
előfordulásuk
aszparaginsav
6-10
--
2,97
rossz
--
búza, szója, kukorica
3,22
rossz
2-3
vérfehérjék
7,58
rossz
lizin***
--
hal, hús, tojás
9,74
rossz
arginin*
3-6
hal
10,76
rossz
fenilalanin**
4-5
--
5,53
rossz
triptofán***
1-2
--
5,89
rossz
tirozin
5-6
--
5,65
alig
glutaminsav
bázikus
aromás
(
hisztidin **
)
8
A poláros és apoláros oldalláncú aminosavak néhány jellemzője oldallánc jellege apoláros
poláros
aminosav
Átlagos előfordulása
Magas %-ban való
pI
oldódása vízben
(%)
előfordulásuk
1-4
--
5,75
rossz
valin**
--
tojás, tej, elasztin
5,97
rossz
leucin**
7-10
--
6,00
rossz
izoleucin**
4-7
--
6,02
rossz
Alanin
--
zselatin, kazein
6,02
jó
glicin
--
szerkezeti fehérjék
6,06
jó
prolin
4-7
zselatin, kazein, búza
6,30
jó
cisztein
1-2
--
5,07
alig
aszparagin
--
növényi csírák
5,41
rossz
glutamin
--
--
5,65
rossz
4-8
foszfoproteinek
5,68
közepes
--
hús, tojás
6,16
közepes
metionin ***
szerin treonin**
9
Az aminosavak fontosabb reakciói A karboxilcsoport reakciói • dekarboxileződés (enzimatikusan biogén aminok képződnek, hő és reagensek hatására is bekövetkezik) • észtereződés (aminosav észter bázikus tulajdonságú) Az aminocsoport reakciói • dezaminálás (enzimatikusan, lebontás, energianyerés) • dezaminálás: salétromossavval nitrogén gáz fejlődik (manométerrel mérve mennyiségi analízis) A kéntartalmú aminosavak reakciói • merkaptidok keletkeznek nehézfémek hatására Színreakciók (pl.) • ninhidrin reakció (kékes-ibolya színű színreakció) • reakció réz(II) vegyülettel (mélykék színű réz-aminosav komplex) 10
Peptidkötés (aminosavak közötti reakció) (amid-kötés) (40 %-ban kettős kötés) (400 kcal/mol !!!)
(40 %-ban egyszeres kötés) szabad rotáció
síkot képez, merev
Az α szénatomok a rotációs kötésüknél elfordulhatnak az oldalláncuk „igényei” szerint, így oldódik a feszültség a peptidláncban, mivel az energiaminimumra tud törekedni a rendszer. Ez az oka, hogy a kolloid (1-500 nm) fehérjemolekulák természetes (natív) állapotukban stabilak. Ebben az állapotban 11 látják el biokémiai funkciójukat.
Diszulfid-híd ( kéntartalmú aminosavak közötti reakció) 2 cisztin molekula
cisztein molekula +2e- + 2H+ 12
Diketopiperazin kötés (aminosavak közötti reakció) 1
1
2
2
aszpatrám
13
Transzamináció (aminosavak-ketosavak közötti reakció)
• Transzaminációnak nevezzük azt a folyamatot, amelynek során egy aminosav adott szerves vegyülettel (pl. piroszőlősavval) reagálva egy másik aminosavvá alakul át. • A folyamat lényegét tekintve nem más, mint az aminosav R-funkciós csoportjának "lecserélődése" a partner vegyület valamely aktív csoportjával. • A reakcióban az egyik komponens mindig valamilyen aminosav, amely alfa-ketosavval lép reakcióba: R1-aminosav + R2-α-ketosav ⇌ R1-
α-ketosav + R2-aminosav
14
Transzamináció pl. α-ketoglutársav
piroszőlősav R2
+
R1
+ R2
R1
L-glutaminsav L-alanin
15
Transzamináció • A folyamatot a transzamináz enzimek katalizálják, amelyek széles szubsztrát-specifikussággal rendelkeznek. • A glicin, a lizin, az arginin és a treonin kivételével minden aminosav részt vehet transzaminálási reakciókban. Ennek megfelelően az említett 4 aminosav kivételével elvileg (!!!) a többi aminosav az étrendben a nekik megfelelő ketosavakkal pótolhatók. • A transzamináz enzimek prosztetikus csoportja a piridoxál-foszfát, ami nem más, mint a B6 vitamin foszfátésztere. 16
Transzamináció • Transzaminációs folyamatok szinte minden növényi és állati sejtben, illetve szövetben lejátszódnak. • Az aminosavak lebontása során feleslegessé váló nitrogén zöme is transzaminálás révén glutaminsavvá alakul. • A transzamináció alapvető szerepet játszik a szervezet aminosavakkal történő ellátásában, mivel ez teszi lehetővé, hogy az ún. nem esszenciális aminosavak felépülhessenek, és így az aminosav ellátottság akkor is megfelelő lehessen, ha a táplálék egyes nem esszenciális aminosavakban szegényes. 17
A peptidek A peptidek általában nem stabil vegyületek, hanem a metabolizmus (közti anyagcsere: anabolizmus, katabolizmus) átmeneti termékei. Van néhány stabilabb, biológiai hatással rendelkező peptid is pl.: inzulin (peptidhormon), glutation (redoxfolyamatok résztvevője), nizin (antibiotikum), amanitin (a gyilkos galóca toxinja). Az oligopeptidek általában keserű vagy semleges ízhatásúak kivéve az aszparaginsav dipeptid észtereit melyek édesek. 18
A peptidek (pl. aszpartám /nutrasweet/ aszparaginsavfenilalanin-metil-észter, édesítőereje 160-250 szerese a szacharózénak, napi megengedett bevitele 40 mg/ttkg ez felnőttnél kb. 0,70 kg szacharózzal egyenértékű).
Az aszpartám szerkezeti képlete
19
A peptidek keserű ízhatása A keserű íz intenzitás a peptideknél eltérő, egyes esetekben már nagyon kis mennyiségben is észlelhető. A peptidek keserű ízének előfordulásával elsősorban azoknál az élelmiszereknél kell számolni, ahol enzimes fehérjebontó folyamatok játszódtak le (pl. egyes sajtokban hibás érési folyamatok). molekulatömeg dalton peptid molekula
ízküszöb %
mM/liter
L-Phe-L-Gly-L-Phe-L-Gly
480
0,05
1,00
L-Leu-L-Leu
262
0,11
4,00
Glükóz
180
1,63
65,00 20
FEHÉRJÉK
21
A fehérjék csoportosítása biológiai funkció alapján biológiai funkció
fehérje (példák, eredet, funkció)
biokémiai reakciók katalizálása
enzimfehérjék (pl. glükóz-foszfatáz)
irányítás, szabályozás
hormonfehérjék (pl növekedési hormon)
tartalék fehérjék
ovalbumin (tojás) gliadin (búza) zein (kukorica)
szállító (transzport) fehérjék
hemoglobin (oxigénszállítás a vérben) mioglobin (oxigénszállítás izomban) szérumalbumin (zsírsavszállítás vérben) vér lipoprotein (lipidszállítás) ceruloplazmin (rézszállítás a vérben) transzferrin (vasszállítás a vérben)
22
A fehérjék csoportosítása biológiai funkció alapján biológiai funkció motorfehérjék, izomfehérjék
fehérje (példák, eredet, funkció) aktin miozin kinezin dinein 6
konnektin (titin) 3*10 Da szerkezeti fehérjék
glikoprotein (sejtfal és sejtburok) membránfehérjék (sejthártya) keratin (bőr, haj, szaru) kollagén (porcok) elasztin (inak) mukoproteinek (nyálkahártyák) (fehérje + uronsav + hexózamin)
23
A fehérjék csoportosítása biológiai funkció alapján biológiai funkció védőfehérjék
fehérje (példák, eredet, funkció) antitestek (immunvédekezés) trombin (véralvadás) fibrinogén (véralvadás)
toxinfehérjék
mikrobiális toxinok (botulinum toxin) állati eredetű t. (királykobra - echistatin)
egy antitest struktúrája
24
A fehérjék osztályozása eredet, oldhatóság, kémiai jellemzők, összetétel alapján egyszerű fehérjék
összetett fehérjék
protaminok
nukleoproteinek
hisztonok
foszfoproteinek
albuminok
lipoproteinek
globulinok
glikoproteinek
globinok
metalloproteinek
prolaminok
kromoproteinek
glutelinek fibrilláris fehérjék 25
A fehérjék elsődleges szerkezete • Az elsődleges vagy primer szerkezet a fehérje aminosav szekvenciája, tulajdonképpen a konstitúciója (kapcsolódási sorrend). • Megkülönböztetjük a fehérjelánc "elejét", a szabad aminocsoportot tartalmazó N-terminálist, valamint a "végét", a szabad karboxil csoportot tartalmazó C-terminálist. • A fehérjék többsége, mind a N-, mind az Cterminális oldalon több prolin-monomerrel kezdődik, ill. végződik, melyek védik a fehérjemolekulát. A molekula „nem tud kirojtosodni”. 26
A fehérjék elsődleges szerkezete • Homológ fehérjék: szekvenciájuk nagyjából megegyezik, biokémiai funkciójuk azonos vagy nagyon hasonló a különböző fajokban. • Minél távolabb van egy faj a másiktól, homológ fehérjéik között annál több az eltérés.
27
A fehérjék másodlagos szerkezete • A másodlagos vagy szekunder szerkezeten a peptidgerinc leginkább hidrogénkötések által stabilizált lokális (legalább négy aminosavra kiterjedő) rendezettségét értjük, azaz a tengely menti térszerkezetet. • Ezt a szerkezeti szintet a peptidsíkok egymáshoz képest történő elfordulásával jellemezhetjük, azaz a φ (N–Cα) és ψ (Cα–C) torziós (csavarodási) szögekkel. E szerkezeti elemek legfőbb csoportjai a jobb- vagy balmenetes hélixek, a redők, a hurkok és a kanyarok. Leggyakoribb az α-hélix, az antiparallel β-redő és a β-kanyar. 28
α - hélix
antiparallel β - redő 29
A fehérjék másodlagos szerkezete • Egy 100 aminosavat számláló fehérjében a rotáció következtében elméletileg 1030 - 10100 konformáció (térszerkezet) lehetséges. (az univerzumot alkotó atomok száma ~1080!!!) • (Ehhez még hozzáadódik az aminosavszekvenciából adódó variábilitás, ami 20 aminosavval számolva a 100 tagú polimert 20100) • A számadatokból érthető, hogy miért van annyi féle és annyi funkciójú fehérjemolekula. 30
A fehérjék harmadlagos szerkezete • A harmadlagos vagy tercier szerkezet egy polipeptidlánc teljes térbeli konformációja. Ezt a konformációt különböző erők, kölcsönhatások stabilizálják. • Egy peptidlánc tartalmazhat egyetlen vagy többféle másodlagos szerkezeti elemet, melyek rendezetlen szakaszokkal váltakoznak, de ismertek olyan fehérjék is, melyekből teljesen hiányoznak a rendezett szerkezetek, ezeket natívan rendezetlen fehérjéknek nevezzük. 31
A fehérjék másodlagos és harmadlagos szerkezetét stabilizáló kölcsönhatások – sztérikus gátlás (a nagy helyigényű oldalláncok ott helyezkednek el, ahol elférnek) – hidrogén-híd – ion-ion kölcsönhatás – van der Waals erők (hidrofób-, dipólusdipólus, dipól-idukált dipólus kölcsönhatás) – kovalens kötések (diszulfid-hidak, észterkötés, peptidkötés) 32
A fehérjék harmadlagos szerkezete és a másodlagos és harmadlagos szerkezetet stabilizáló erők β kanyar
β redő
α hélix
33
A fehérjék negyedleges szerkezete • Bizonyos fehérjéket több peptidlánc alkot, melyeket ez esetben alegységeknek nevezünk. Az alegységek meghatározott konformációval rendelkeznek, másodlagos- vagy kovalens kötéssel kompakt aggregátummá állnak össze. Így tudják betölteni biológiai funkciójukat. • Az alegységek lehetnek azonosak vagy eltérőek, számuk általában 2-4, de nem haladja meg a nyolcat, azonban ismertek kivételek is: pl. egyes vírusok kapszidja hatvan polipeptidből áll. • Alapvetően két típus különböztetünk meg: fibrilláris fehérjék (párhuzamos elrendeződés, rostos, réteges szerkezet, pl. haj, izomrostok) globuláris fehérjék (hajtogatott tömör struktúra, pl. mioglobin) 34
Fibrilláris és globuláris fehérje
miozin
hemoglobin 35
A fehérjék fizikai tulajdonságai • Oldhatóság: a hidrofil és hidrofób csoportok számától és térbeli elhelyezkedésétől, a pH-tól, hőmérséklettől, ionok jelenlététől függ. Megkülönböztetünk oldódó, csak duzzadó és nem oldódó fehérjéket. Az oldódó fehérjék kizárólag poláros oldószerben oldódnak (víz, hangyasav stb.). • Elektrokémiai tulajdonságok: – izoelektromos pont: az a pH érték, ahol nincs töltésfelesleg (itt a legkisebb az oldhatóság, és a legnagyobb a kicsapódási hajlam) – izoionos pont: az a pH érték, ahol a savas funkciós csoportok által leadott protonok száma megegyezik a bázikus csoportok által felvettekével. 36
A fehérjék fizikai tulajdonságai • Fajlagos forgatóképesség: a fehérjék vizes oldata balra (-) forgat, fajlagos értéke -30o - -60o. • Fényadszorbció: a peptidkötések 180-230 nmes, az aromás aminosavak 250-300 nm-es fényt adszorbeálnak. • Kristályosodás: egyes fehérjék kristályosodási hajlama igen nagy, ezt a tulajdonságot a gömb vagy elipszoid harmadlagos, negyedleges szerkezettel rendelkező proteinek mutatják (pl. hemoglobin).
37
A fehérjék kémiaitulajdonságai • Fajlagosság: a fehérjék komplex térkomformációjukból adódóan aktív centrumokkal rendelkeznek, így specifikus reakciókban vesznek részt illetve katalizálnak. • Színreakciók (pl.): – Biuret reakció (ibolya szín) – ninhidrin reakció (kékesibolya szín) – Millon reakció (vöröses szín)
38
A fehérjék kémiaitulajdonságai • Csapadékképző reakciók: – szerves oldószerekkel (pl. aceton, dioxán, etanol) – nehézfémsókkal (pl. Pb-, Cu-, Fe-, U sókkal komplexképzés) – ásványi savakkal (pl. sósav, salétromsav, foszforsav) – szerves savakkal (pl. triklór-ecetsav, szulfoszalicilsav) • Denaturáció (a natív, természetes szerkezet felbomlása) 39
A fehérjék denaturálódása • Denaturálódáson a fehérje natív szerkezetének – másodlagos, harmadlagos, negyedleges szerkezetének – reverzibilis, vagy irreverzibilis változását értjük. Az elsődleges szerkezet nem sérülhet, azaz a peptidkötések a láncban nem bomolhatnak fel. Denaturálódást okoz minden olyan hatás, amely a hidrogén-híd, ionos, van der Waals, diszulfidhíd -kötések felbomlását idézi elő. Ha a diszulfid híd kötések is bomlanak a változás gyakran irreverzibilis. 40
A fehérjék denaturálódása • A denaturációt előidéző hatások: – fizikai hatások: – hőhatás (pl. főzés) – hűtés (betöményedés, aggregáció) – mechanikai hatás (pl. kenyér dagasztás, tojáshab felverése) – sugárzás (szabadgyök-képződés, szabadgyökfehérje reakciók) – felülethatás – kémiai hatások: – savak, lúgok – nehézfémsók 41 – szerves oldószerekkel
A fehérjék denaturálódása • A denaturáció lehetséges hatása a fehérje egyes tulajdonságaira: – csökken az oldhatóság – megváltozik a vízkötő kapacitás – a biológiai aktivitás elvesztése – megnövekedett érzékenység a fehérjebontó enzimekkel szemben – kristályosodási tulajdonság elvesztése
42
A fehérjék denaturálódása
TMAO = trimetil-amin-oxid = (CH3)3NO 43
A fehérjék funkcionális tulajdonságai A fehérjék funkcionális tulajdonságain azokat a fizikokémiai és kémiai tulajdonságaikat értjük, amelyekkel hozzájárulnak az élelmiszerek megfelelő jellemzőinek kialakításához. A fehérjék funkcionális tulajdonságai: hidratációs tulajdonságok (fehérje-víz interakció) • vízadszorbció • vízvisszatartás • duzzadás • viszkozitás 44
A fehérjék funkcionális tulajdonságai operatív tulajdonságok (fehérje-fehérje interakció) • • •
szerkezet kialakítás (pl. gélképzés) szerkezet stabilizálás textúra kialakítás (az eredeti szerkezet megszűntetése, új létrehozása)
felületi tulajdonságok (a felületi feszültséggel összefüggő tulajdonságok) •
•
emulgeáló tulajdonságok (a fehérjék elsősorban O/V típusú emulziókat stabilizálnak) - emulziókapacitás: cm3 olaj/g fehérje - emulzióstabilitás: végső emulzió térfogat / kezdeti emulzió térfogat habképző tulajdonságok (az élelmiszereknél tapasztalható hab, habzás elsősorban fehérjéknek tulajdonítható) - habstabilitás: végső hab térfogat / kezdeti hab térfogat 45
A fehérjék funkcionális tulajdonságai Néhány példa fehérje funkcionális tulajdonságra: • levesek, szószok: viszkozitás, emulzióképzés • kenyerek: szerkezetkialakítás, stabilizálás • tőkehúsok: vízvisszatartás, vízadszorbció • tojáshelyettesítők: habképzés, gélképzés • szójakocka: textúra kialakítás
46
A fehérjék táplálkozás-élettani vonatkozásai
47
A fehérje mint táplálék • A fehérjefogyasztás elsődleges szerepe a saját fehérjék felépítése megújítása. • A szervezet szükség esetén, vagy túl sok fehérje elfogyasztásakor a fehérjék lebontásából származó aminosavakat dezaminálja, majd energiát nyer belőlük. A fehérjék fajlagos energiatartalma megegyezik a szénhidrátokéval, 4,1 kcal/g. • Az emberi szervezetnek nincs fehérjeraktára, szükség esetén az izomzat részben leépül. A szervezet ebből a forrásból származó aminosavakból, rövid távon is nélkülözhetetlen, létfontosságú fehérjéket épít fel (pl. enzimet, hormont).
48
A fehérjék metabolizmusa • A szabályozott katabolizmus során a sejtekben már nem funkcionáló, elöregedett fehérjéket a lizoszómális organellumokban a katapszinek lebontják aminosavakra. • Ezzel párhuzamosan az anabolizmus során a riboszómákon a DNS által kódolva fehérjeépítés zajlik. • Pl. a tápcsatorna hámsejtjei 3-4 nap alatt, a sejtek enzimkészlete néhány hét alatt, a vázizomzat fehérjéi néhány hónap alatt újulnak meg. • A napi átalakított fehérjemennyiséget turn over-nek nevezzük. • Elvileg felnőtt ember számára csak annyi fehérje bevitel szükséges külső forrásból, amennyi pótolja a turn over-nél elveszett fehérjéket. 49
Turn over, abszolút fehérjeminimum • A turn over életkorfüggő – csecsemőknél: 20 g/ttkg/nap – 1 éves korban 7 g/ttkg/nap – felnőtteknél 3-5 g/ttkg/nap
• A nitrogénmérleg, mely a fehérje-anyagcserét jelzi csecsemő és gyerekkorban pozitív, felnőtt korban egyensúlyi, idős korban negatív. • A napi nitrogénvesztés a referenciaférfinál: 37 mg/ttkg vizelettel, 12 mg/ttkg széklettel és 5 mg/ttkg váladékokkal, tehát összesen 54 mg/ttkg. • Ezt fehérjére átszámolva jutunk az abszolút fehérjeminimum értékéhez: 6,25*54 = 340 mg/ttkg/nap (24 g/nap) 50
A fehérjék hasznosulása • A fehérjék emészthetősége nem tökéletes. Függ attól, hogy milyen élelmiszerrel vesszük magunkhoz, milyen a mátrix. • Biológiai érték: az adott élelmiszer aminosav-arány szempontjából mennyiben felel meg az ember aminosav-igényének. Ahhoz, hogy a táplálékkal elfogyasztott fehérje maradéktalanul saját szövet vagy sejtanyaggá alakuljon meghatározott aminosav-aránnyal kell rendelkeznie. Minél közelebbi rokonságban vagyunk egy fajjal, elvileg annál hasonlóbb az aminosav-arány. (kannibalizmus – védő gén). 51
A fehérjék hasznosulása • Limitáló aminosav: a fehérjehasznosulást megszabó esszenciális aminosav (ha a táplálékban relatív hiány mutatkozik valamelyik esszenciális aminosavra vonatkozóan, a többi aminosav csak korlátozottan tud résztvenni fehérje-szintézisben; a felesleg fehérjeszintézis helyett lebontódik). Leggyakoribb limitáló aminosavként humán szempontból a Lys, Met, Trp jön szóba.
52
Limitáló aminosav fel nem használt összetevők
limitáló összetevő
rendelkezésre álló komponensek 53
Néhány élelmiszer fehérje-tartalmának emészthetősége, biológiai értéke forrás
forrás
biológiai érték
tojás (referencia)
100 104
emészthetőség %
tojás
97
tehéntej albumin
tej, sajt
95
tehéntej
88-95
hús, hal
94
marhahús
88-92
csirkehús
82
kenyér
87
szója
74-78
hüvelyesek
50-70
szója
86
köles
79
gabonatermékek
50-60
bab
78
diófélék
30-40 54
Komplett fehérjék • Az komplett, (elsőrendű) fehérjék valamennyi esszenciális aminosavat a megfelelő mennyiségben, arányban tartalmazzák, ezért egyedüli fehérjeforrásként is elegendőek. Ebbe a csoportba az állati eredetű fehérjék tartoznak, mint a tojás, tej, hal, vagy a húsfélék.
55
Inkomplett fehérjék, komplettálás • Az inkomplett (másodrendű) fehérjék egyes esszenciális aminosavakban hiányosak, ezért önmagukban elégtelen fehérjeforrások. Azonban komplett, vagy egy másik inkomplett fehérjével kiegészítve teljes értékűvé tehetők, ezt a tevékenységet, folyamatot komplettálásnak nevezzük. Két inkomplett fehérje esetén úgy kell megválasztani az alapanyagokat, összetevőket, hogy azok aminosav-készlete kölcsönösen kiegészítse egymást. A másodrendű fehérjék csoportját zömében a növényi fehérjék alkotják. 56
Néhány komplettálási lehetőség Élelmiszercsoport
Cereáliák
Limitáló esszenciális aminosav
Komplettálási lehetőség
Lizin, Izoleucin + hüvelyesek (a kukorica Triptofánban is + tej, tejtermékek szegény) + zöldség és tej
Hüvelyesek
Metionin, Triptofán (Cisztin)
+ cereáliák (kukorica nem!)
Diófélék, olajosmagvak
Lizin, Izoleucin
+ tej
Zöldségek
Cisztin, Metionin, Izoleucin + diófélék és tojás
+ olajosmagvak
+ hüvelyesek
+ cereáliák és tej 57
Fehérjeszükséglet • Fehérjeminimum: az abszolút fehérjeminimumot a hasznosulást gátló szempontok miatt korrigálnunk kell 1,7 szorzófaktorral. Így a fehérjeminimum 0,34*1,7= 0,54 g/ttkg • Ajánlások a biztonságos fehérjeellátáshoz: – csecsemő: 1,4-1,6 g/ttkg – kisgyermek: 1,1-1,3 g/ttkg – gyermek: 1,0-1,1 g/ttkg – serdülő: 0,9-1,0 g/ttkg – felnőt: 0,75-0,9 g/ttkg – 60 év felett: 1,2-1,5 g/ttkg – súlyemelő kokszolva: 2-3 g/ttkg – 8-16 energia %
58
Nitrogén-anyagcsere • A nitrogén-anyagcsere mérhető. A kísérletek alapján Morup és Olesen kidolgozott egy hasznosulási indexet (PV= protein value). • Értéke 0-140 közötti szám, minél magasabb annál jobban hasznosul az elfogyasztott táplálék fehérjetartalma. • Kiderült, hogy szénhidrát jelenlétében a fehérje jobban hasznosul. • A fehérjeéhezést a szervezet a vér elágazó szénláncú aminosav koncentrációján keresztül érzékeli.
forrás
PV index
kenyér
49
borsó
73
Krumpli
94
szója
96
tojás
102
marhahús
107
tojás+ krumpli (35:65)
122
marhahús+rizs (45:55)
132 59
Néhány élelmiszer fehérjetartalma %-ban
és elméleti napi beviteli szükségletük a referenciaférfi számára, a fehérjebevitel szempontjából, ha csak az adott terméket fogyasztaná, 100 % hasznosulással számolva élelmiszer
fehérje %
kg bevitel
alma
0,4
14,0
paradicsom
1,0
5,6
banán
1,3
4,3
burgonya
2,5
2,2
főtt rizs (hántolt)
3,1
1,8
tej
3,4
1,6
csiperke gomba
5,9
0,9
félbarna kenyér
9,8
0,6
tojás
13,5
0,4
sz.bab (főtt)
15,3
0,4
dió
18,6
0,3
sovány sertéshús
20,0
0,3
csirkemell
24,7
0,2
trappista sajt
27,6
0,2
60
Az előbbi dia, de a becsült hasznosulással számított szükséglet, a vele bevitt energia, és a költségek élelmiszer
kg
kcal
Ft
alma
38,89
13378
5833
paradicsom
15,56
3516
4356
banán
11,97
18332
3829
főtt rizs (hántolt)
3,34
5882
969
burgonya
3,11
2962
467
csiperke gomba
2,64
1052
1186
tej (1,5 zs %)
1,82
918
274
dió
1,08
7011
2957
félbarna kenyér
1,06
2800
263
sz.bab (főtt)
0,78
1478
430
tojás
0,43
733
257
sovány sertéshús
0,33
573
430
csirkemell
0,29
334
382
trappista sajt
0,22
859
61 337
Fehérjehiány • A fehérjehiány leginkább a csecsemőket és kisgyermekeket veszélyezteti, mivel a felnőttek az esszenciális aminosavakat jó hatásfokkal vissza tudják tartani a kicsik nem. Az emberi szervezet fehérjéi 45 %-ban esszenciális aminosavból épülnek fel. Felnőtteknek elég, ha a táplálék 15 % esszenciális aminosavat tartalmaz, gyermekeknek 37 % kell. • A gyermekek rövid idő alatt fehérjeéhezés állapotába kerülnek, fehérjében szegény táplálkozás mellet, mely kwashior kór képében nyilvánul meg. Pókhas (hasvíz kór), apátiás tekintet, irreverzibilis károsodás szinte minden szervben (pl. bél, szív, vese). A kwashior kór leginkább az elválasztott csecsemőket fenyegeti. • A humanitárius segélyeknél jobban oda kell figyelni, hogy a kisgyermekeknek és csecsemőknek nem elég a magas energiatartalmú táplálék önmagában. 62
63
A fehérjék kimutatása (kvalitatív) színreakciók segítségével pl.: • Biuret reakció (a fehérjében lévő –CO –NH (peptidkötés) csoportok adják lúgos közegben, Cu2+ jelenlétében; 2 ml fehérjeoldat +1 ml 10%-os NaOH +néhány csepp 3 %-os CuSO4 = ibolya színű komplex képződik). • Ninhidrin reakció (enyhén savas közegben, 60-70 oC-on a ninhidrin az amino-csoportokkal reagál, kékes-ibolya szín jelentkezik; a reakció sztöchiometrikus (~ arányos, aránytartó) így megfelelő körülmények között kvantitatív meghatározásra is lehetőség van). 64
A fehérjék kimutatása (kvalitatív) színreakciók segítségével pl.: • Millon reakció (a reakciót a tirozin tartalmú fehérjék adják salétromossav, higany-nitrát jelenlétében vöröses szín jelentkezik). • Xantoprotein reakció (az aromás gyűrűt tartalmazó fehérjék tömény salétromsavval intenzív sárga színt képeznek, amely lúgos közegben narancssárgára változik; a reakció az aminosavak nitrálásán alapszik).
65
A fehérjék kvantitatív meghatározása színezék-megkötő képesség alapján: A fehérjemolekulák funkciós csoportjai (elsősorban a bázikus oldalláncok) megfelelő körülmények között, disszociált állapotban képesek savas jellegű színezékeket kvantitatíve megkötni, miközben csapadékot képezve kiválnak az oldatból. Ismert koncentrációjú színezékoldatot alkalmazva , a kivált csapadék eltávolítása (centrifugálás) után a színezékoldat abszorbancia-csökkenésének mérése fotometriásan. Az abszorbanciacsökkenés arányos a fehérjemennyiséggel. 66
A fehérjék kvantitatív meghatározása színezék-megkötő képesség alapján: Másik lehetőség a csapadékban kötött színezék felszabadítása. Pl. amidofekete 10 B színezéket savanyú közeg reagáltatunk fehérjeoldattal (20 perc rázatás). Centrifugáljuk (2000 1/perc fordulatszámon), a felülúszó leszívása ,a csapadék mosása (centrifugálás) mindaddig míg színes a felülúszó. A tisztított csapadékot 0,1 molos NaOH-ban feloldjuk és fotometráljuk. Az abszorbancia arányos a fehérjemennyiséggel. 67
A fehérjék (kvantitatív) meghatározás nitrogéntartalom alapján – Kjeldahl-féle nyersfehérje-tartalom meghatározás: • A mérés elve az, hogy a fehérjék átlagos élelmiszerekben 16 % nitrogént tartalmaznak. A minta nitrogéntartalmát mérve 6,25 szorzótényezőt alkalmazva visszaszámolhatunk fehérjére (hibája az egyéb nitrogéntartalmú anyagok jelenléte). • A mérés logikai lépései – Roncsolás tömény kénsavban 2NH3 + H2SO4 = (NH4)2SO4 – Desztillálás tömény lúg jelenlétében (NH4)2SO4 + 2NaOH = Na2SO4 + 2 (NH4)2OH hevítés (NH4)2OH = NH3 + H2O NH3 +HCl = (NH4)Cl – A savfelesleg visszatitrálása 0,1 normál NaOH mérőoldattal HCl + NaOH = NaCl+ H2O
68
A Kjeldahl-féle nyersfehérje-tartalom meghatározás készülékei CO2 H2O
NH3 (NH4)2SO4
(NH4)Cl
pl. 25 ml 0,1 n HCl
69
A nyersfehérje-tartalom kiszámítása nyersfehérje m/m % =
(fHCl*VHCl - fNaOH*VNaOH)*Nh*SzF
* 100
M ahol: fHCl
= a szedőlombikban lévő sav (pl. sósav) faktora ()
VHCl
= a szedőlombikban lévő sav (pl. sósav) térfogata (cm3)
fNaOH = a NaOH mérőoldat faktora () VNaOH = a NaOH mérőoldat fogyása titráláskor (cm3) Nh = nitrogén hatóérték (0,1 n NaOH esetében 0,0014 g/cm3) SzF
= nitrogént fehérjére átszámító szorzófaktor értéke: 6,25 ()
M
= a vizsgálathoz kimért minta nettó tömege (g) 70
Gélelektroforézis •
•
A gélelektroforézis alapelve, hogy a töltéssel rendelkező molekulák elektromos térben, össztöltésüknek megfelelően, az ellentétes töltésű elektróda felé vándorolnak. A vándorlás sebessége (v) függ a molekula töltésétől (z), tömegétől és alakjától (f) továbbá az elektromos térerőtől (E): v = (E*z)/f A fehérjék elválasztásához leggyakrabban olyan porózus gélt használnak, amellyel a proteinek nem reagálnak és amely egyben molekulaszűrőként is szolgál. 71
Gélelektroforézis A pórusok nagyságától függően a különböző méretű fehérjék vándorlása befolyásolható: ha a molekula mérete kicsi a pórusokhoz képest, gyorsan mozog, ha nagy, a fehérje szinte mozdulatlan marad a gélben (a pórus mérete változtatható). • A polipeptidláncok láthatóvá tehetők különböző festési eljárásokkal: – ismert fehérje mellet futtatva a cél lehet azonosítás. – a cél lehet molekula tömeg meghatározás. – lehet aminosav-szekvencia meghatározás 72 előkészítése. stb.
molekulaméret - sebességvektor
megfestett fehérjesávok gélelfo után
A vertikális gélelektroforézis készülék elvi felépítése
73
Denaturáló Nátrium-Dodecil-Szulfát Poliakrilamid-Gélelektroforézis (SDS PAGE) • SDS (nátrium-dodecil-szulfát negatív töltésű detergens): alifás láncával hidrofób kölcsönhatással kötődik a fehérjéhez (~minden 3. aminosavhoz) • fehérjét denaturálja (kitekeri a fehérje láncot) felszínét bevonja egyenletesen negatív töltéssel • SDS-kezelt fehérje nettó töltése arányos a méretével, mobilitását csak a méret határozza meg, így alkalmas molekulatömeg meghatározásra
sodium dodecyl sulfate 74
log (molekulatömeg)
SDS PAGE molekulaméret meghatározás molekulatömeg kDa
a fehérje által megtett út pl. pl. ~ 1,491
101,491 =
a front által megtett út
pl. ~ 0,4
Rf
1,0
Rf = a fehérje által megtett út/ a front által megtett út A molekulatömeg logaritmusa és az Rf között egyenes arányosság van. Ismert molekulatömegű fehérje együttes futtatásával az ismeretlen fehérjék 75 molekulatömeg meghatározható
