שיעור 2 חומצות אמינו ותכונותיהן

תזכורת - תכונות בסיסיות של חומצות אמינו

סיווג לפי תכונות פיזיקליות

חומצות אמינו מסווגות לפי תכונות שונות:

1. לא פולאריות / אליפטיות (7)
2. ארומטיות (3)
3. חומצות פולריות - בעלות מטען חלקי, לא טעונות (5)
4. חומצות עם מטען חיובי מלא (3) (ב-pH פיזיולוגי)
5. חומצות עם מטען שלילי מלא (2) (ב-pH פיזיולוגי)

תכונות אופטיות

• חומצות אמינו הן כיראליות (למעט גליצין)
• בעלות יכולת סיבוב מישור הקיטוב של האור (לא קשור לסיבוב מישור הכיתוב)

חומצות אמינו לא סטנדרטיות

חומצות אמינו שאינן בונות חלבונים

לא כל החומצות האמינו משתתפות בבניית חלבונים. דוגמאות:

אורניתין (Ornithine)

• בעלת שרשרת צד ארוכה יחסית
• חומר ביניים חשוב במעגל האוריאה
• נלמד עליה עם פרופ׳ רון אורבך

ציטרולין (Citrulline)

• גם היא חלק ממעגל האוריאה
• נוצרת מאיחוי של אספרטט עם חומצת אמינו נוספת

חומצות אלו הן חלק מהמטבוליטים שלנו - חומרים חשובים למטבוליזם אך לא בונים חלבונים.

תכונות חומצה-בסיס של חומצות אמינו

התנהגות כחומצות/בסיסים חלשים

חומצות אמינו יכולות להתנהג כחומצות חלשות או בסיסים חלשים:

• הקצה הקרבוקסילי ($\ce{COOH}$) יכול לתרום פרוטון
• הקצה האמיני ($\ce{NH3+}$) יכול לקבל/לתרום פרוטון

משוואת הנדרסון-האסלבלך

כאשר:

• $[\ce{A-}]$ - ריכוז המלח המצומד (הצורה הדה-פרוטונית)
• $[\ce{HA}]$ - ריכוז החומצה
• בפועל, $\ce{H+}$ מופיע כ-$\ce{H3O+}$

עקומת טיטרציה ו-$\text{p}K_a$

בטיטרציה של חומצה חלשה עם בסיס:

• בנקודה שבה 50% מהחומצה עברה דה-פרוטונציה - זו נקודת ה-$\text{p}K_a$
• באזור זה השינוי ב-pH הוא מינימלי - זהו אזור החיץ (Buffer Zone)
• לכל חומצה חלשה יש את אזור החיץ המאפיין שלה

חומצה חזקה לעומת חומצה חלשה:

• חומצה חזקה: עוברת פירוק מלא בבת אחת, קפיצה חדה ב-pH
• חומצה חלשה: נמצאת בשיווי משקל, שינוי הדרגתי ב-pH

$\text{p}K_a$ של חומצות אמינו

שני מערכות חומצה-בסיס בחומצת אמינו בסיסית

לכל חומצת אמינו יש לפחות שתי קבוצות שיכולות לעבור פרוטונציה/דה-פרוטונציה:

1. קצה קרבוקסילי: $\ce{COOH <=> COO- + H+}$
   • $\text{p}K_a \approx 2-3$
2. קצה אמיני: $\ce{NH3+ <=> NH2 + H+}$
   • $\text{p}K_a \approx 8-10$

צוויטריון (Zwitterion)

ב-pH 7 (ניטרלי), רוב חומצות האמינו נמצאות בצורת צוויטריון:

• הקצה האמיני: $\ce{NH3+}$ (פרוטונטי - מטען חיובי)
• הקצה הקרבוקסילי: $\ce{COO-}$ (דה-פרוטונטי - מטען שלילי)
• מטען כולל: 0 (אך המולקולה מיוננת!)

הגדרה: צוויטריון = מולקולה עם שני יונים (חיובי ושלילי) על אותה מולקולה

הסיבה לכך:

• $\text{p}K_a$ של $\ce{COOH} \approx 2-3$ ← ב-pH 7 כבר עבר דה-פרוטונציה
• $\text{p}K_a$ של $\ce{NH3+} \approx 8-9$ ← ב-pH 7 עדיין לא עבר דה-פרוטונציה

שלוש קבוצות עיקריות שעוברות דה-פרוטונציה

1. N-terminus (קצה אמיני): $\ce{NH3+ -> NH2 + H+}$
   • $\text{p}K_a \approx 8-9$
2. C-terminus (קצה קרבוקסילי): $\ce{COOH -> COO- + H+}$
   • $\text{p}K_a \approx 2-3$
3. R group (שרשרת צד): משתנה בהתאם לחומצת האמינו
   • יכול להיות: $\ce{R-H+ -> R + H+}$ או $\ce{R-H -> R- + H+}$

חשוב: התהליך נקרא דה-פרוטונציה (ולא יינון), כי לא תמיד נוצר מטען חדש

נקודה איזואלקטרית ($\text{p}I$)

הגדרה

הנקודה האיזואלקטרית ($\text{p}I$) היא הנקודה על סקלת ה-pH שבה:

• המטען הכולל (נטו) של המולקולה הוא אפס
• זה לא אומר שאין מטענים על המולקולה!
• זה אומר: סכום כל המטענים = 0

דוגמה: גליצין

pH נמוך        pH ביניים (pI)        pH גבוה
    │                  │                   │
  +1                  0                  -1
    │                  │                   │
NH3+-CH2-COOH  ←  NH3+-CH2-COO-  ←  NH2-CH2-COO-

חישוב $\text{p}I$ לגליצין:

כלל: $\text{p}I$ הוא תמיד הממוצע בין שני ה-$\text{p}K_a$ שמעבירים את המולקולה מ-מטען +1 למטען -1

דוגמה: היסטידין (חומצת אמינו עם R מתיינן)

היסטידין בעלת שלושה $\text{p}K_a$:

• קצה קרבוקסילי: $\text{p}K_a \approx 1.8$
• שרשרת צד (R): $\text{p}K_a \approx 6.0$
• קצה אמיני: $\text{p}K_a \approx 9.17$

pH נמוך                                      pH גבוה
    │                                            │
  +2  ←  (pKa 1.8)  ←  +1  ←  (pKa 6.0)  ←  0  ←  (pKa 9.17)  ←  -1

חישוב $\text{p}I$:

נשתמש בשני ה-$\text{p}K_a$ שבינהם המטען הכולל = 0

סיווג חומצות אמינו לפי תכונות כימיות

1. חומצות אמינו הידרופוביות (אליפטיות)

מאפיינים:

• שרשרות צד המורכבות בעיקר מפחמנים
• לא אוהבות מים
• נמצאות בדרך כלל בתוך ליבת החלבון (ליבה הידרופובית)
• שומרות על יציבות החלבון דרך אינטראקציות ואן-דר-ואלס

דוגמאות:

• לאוצין (Leucine)
• איזולאוצין (Isoleucine)
• ואלין (Valine)
• אלנין (Alanine)
• מתיונין (Methionine) - מכילה גופרית (S), יכולה להראות ריאקטיביות מסוימת

2. חומצות אמינו ארומטיות

מאפיינים:

• מכילות טבעות בנזן
• ענני אלקטרונים π מעל ומתחת למישור הטבעת
• בעלות תכונות בליעת אור ייחודיות - חשוב למחקר!
• בעיקר הידרופוביות, אך יש להן גם תכונות פולריות מסוימות

החומצות הארומטיות:

1. פנילאלנין (Phenylalanine) - טבעת בנזן פשוטה
2. טירוזין (Tyrosine) - טבעת בנזן + קבוצת OH
3. טריפטופן (Tryptophan) - שתי טבעות (אינדול)

בליעת אור של חומצות ארומטיות

חומצות ארומטיות בולעות אור באזור ה-UV (~280 nm):

יחס בליעה: 6 טירוזינים ≈ 1 טריפטופן (ב-280 nm)

חוק באר-למברט (Beer-Lambert)

כאשר:

• $A$ = Absorbance (בליעה)
• $\varepsilon$ = מקדם הבליעה (תכונה של החומר)
• $l$ = אורך מסלול האור (בדרך כלל 1 cm)
• $c$ = ריכוז החומר

שימוש מעשי:

• מדידת ריכוז חלבון ב-280 nm
• אם יודעים כמה טריפטופנים יש בחלבון ← אפשר לחשב את $\varepsilon$
• משם אפשר למדוד ריכוז מדויק

פלואורסצנציה

טריפטופן גם מראה פלואורסצנציה:

• עירור: ~279 nm
• פליטה: ~330 nm
• שימושי למחקר חלבונים

3. חומצות אמינו פולריות (לא טעונות)

מאפיינים:

• מכילות קבוצות שיכולות ליצור קשרי מימן
• אוהבות סביבה הידרופילית
• בדרך כלל על פני השטח של החלבון

החומצות הפולריות:

1. סרין (Serine) - $\ce{-CH2-OH}$
   • קבוצת הידרוקסיל
   • חשובה מאוד כשריר קטליטי באנזימים רבים
   • מבצעת התקפות נוקלאופיליות
2. תריאונין (Threonine) - $\ce{-CH(OH)-CH3}$
   • דומה לסרין + קבוצת מתיל
3. אספרגין (Asparagine) - $\ce{-CH2-CO-NH2}$
   • קבוצת אמיד
   • שים לב: לא אספרגוס! (טעות נפוצה בתקשורת)
4. גלוטמין (Glutamine) - $\ce{-CH2-CH2-CO-NH2}$
   • כמו אספרגין + פחמן נוסף

חשיבות סרין ותריאונין:

• טרגט למודיפיקציות פוסט-טרנסלציוניות
• פוספורילציה על Ser/Thr ← בקרה על תהליכים תאיים
• חלק ממערכות קינאזות רבות

4. חומצות אמינו טעונות שלילית (חומציות)

מאפיינים:

• מכילות קבוצת קרבוקסיל נוספת: $\ce{-COOH}$
• $\text{p}K_a \approx 3-4$ ← ב-pH 7 תמיד טעונות שלילית ($\ce{COO-}$)

החומצות החומציות:

1. אספרטט (Aspartate) - $\ce{-CH2-COO-}$
   • שרשרת קצרה
2. גלוטמט (Glutamate) - $\ce{-CH2-CH2-COO-}$
   • שרשרת ארוכה יותר

יש רזוננס בין קבוצת הקרבוניל ל-OH ← מייצב את המטען השלילי

5. חומצות אמינו טעונות חיובית (בסיסיות)

מאפיינים:

• בעלות קבוצות שיכולות לקבל פרוטון
• $\text{p}K_a$ גבוה ← ב-pH 7 תמיד טעונות חיובית

החומצות הבסיסיות:

1. ליזין (Lysine) - $\ce{-(CH2)4-NH3+}$
   • שרשרת ארוכה עם קבוצת אמין
   • $\text{p}K_a \approx 10$
2. ארגינין (Arginine) - $\ce{-(CH2)3-NH-C(NH2)2+}$
   • קבוצת גואנידיניום
   • מטען חיובי מפוזר (רזוננס) ← יציב מאוד
   • $\text{p}K_a \approx 12$
3. היסטידין (Histidine) - טבעת אימידזול
   • מיוחדת! $\text{p}K_a \approx 6$ (קרוב ל-pH 7)
   • יכולה להיות טעונה או לא ב-pH פיזיולוגי
   • חשובה מאוד לבקרת pH בחלבונים
   • נמצאת באתרים פעילים שצריכים רגישות ל-pH

מדוע היסטידין מיוחדת?

• ב-pH 6: $\ce{Imidazole-H+ <=> Imidazole + H+}$
• יכולה לעבור פרוטונציה/דה-פרוטונציה בקלות ב-pH פיזיולוגי
• משמשת כחומצה/בסיס כללי בתגובות אנזימטיות

6. חומצות אמינו מיוחדות

ציסטאין (Cysteine) - $\ce{-CH2-SH}$

מאפיינים:

• דומה לסרין, אך במקום $\ce{-OH}$ יש $\ce{-SH}$ (קבוצת תיול)
• יכולה ליצור קשרי דיסולפיד: $\ce{2 Cys -> Cys-S-S-Cys}$
• הקשר הקוולנטי היחידי בין שרשרות צד!

תנאים ליצירת קשרי דיסולפיד:

• נדרשת סביבה מחמצנת (לא מחזרת)
• יכול להיות בין שני ציסטאינים באותו חלבון
• יכול להיות בין שני חלבונים שונים

חשוב: הקשר נקרא “דיסולפידי”, החומצה נקראת “ציסטאין” כאשר שני ציסטאינים מחוברים: ציסטין (Cystine)

גליצין (Glycine) - $\ce{-H}$

מאפיינים מיוחדים:

• השרשרת הצדדית: מימן בלבד
• החומצת האמינו היחידה שאינה כיראלית!
• פחמן α אינו פחמן אסימטרי
• השרשרת הקטנה ביותר ← גמישות מקסימלית

חשיבות:

• מאפשרת זוויות סיבוב שחומצות אמינו אחרות לא יכולות
• חיונית למבני חלבון מורכבים
• נמצאת לעיתים קרובות בסיבובים חדים של שרשרת הפפטיד

פרולין (Proline)

מאפיינים מיוחדים:

• השרשרת הצדדית סגורה על הקצה האמיני
• יוצרת מבנה ציקלי (טבעת 5 חברים)
• הפוכה מגליצין ← קשיחות מקסימלית

השפעה על מבנה חלבון:

• מגבילה מאוד את זוויות הסיבוב
• משבשת מבני α-helix
• יוצרת סיבובים/כיפופים בשרשרת הפפטיד
• נפוצה בcollagen (כל שלישי שריר!)

משמעות התכונות למבנה חלבון

המגוון הקומבינטורי

השוואה לשפה:

המסקנה: 20 חומצות אמינו נותנות גיוון עצום של אפשרויות!

ה-One Letter Code

חומצות האמינו מקודדות באות אחת (A-Z ללא B, J, O, U, X, Z בשימוש סטנדרטי):

• נוח לכתיבה ולניתוח ביואינפורמטי
• מקל על השוואת רצפים

משמעות אבולוציונית

שימור רצף = שימור פונקציה

דוגמה: המוגלובין

• המוגלובין של סוס vs. בן אדם: >80% זהות
• חלבונים בסיסיים (כמו ציטרט סינתאז): שימור גבוה מאוד בין מינים רחוקים

כלל: חלבונים עם פונקציה דומה יש להם רצפים דומים

מודיפיקציות פוסט-טרנסלציוניות (PTM)

מהן מודיפיקציות?

הוספת קבוצות כימיות לחומצות אמינו לאחר התרגום, על ידי אנזימים ספציפיים.

סוגי מודיפיקציות נפוצות

1. פוספורילציה (Phosphorylation)

הוספת קבוצת פוספט ($\ce{-PO4^2-}$) על:

• Ser (סרין)
• Thr (תריאונין)
• Tyr (טירוזין)

חשיבות:

• בקרה על פעילות חלבונים
• אותות תאיים (קינאזות/פוספטאזות)
• ריברסיבילית (ניתנת להסרה)

שינוי מינוח: האקדמיה מעדיפה “זירחון” (הוספת קבוצה זרחתית) על “זרחון”

2. מתילציה (Methylation)

הוספת קבוצת מתיל ($\ce{-CH3}$) על:

• ליזין
• ארגינין
• היסטידין

חשיבות:

• רגולציה אפיגנטית (על היסטונים)
• סימון חלבונים

3. אצטילציה (Acetylation)

הוספת קבוצת אצטיל ($\ce{-CO-CH3}$) על:

• ליזין (בעיקר)
• N-terminus

חשיבות:

• רגולציה של מבנה כרומטין
• בקרת שעתוק

4. מודיפיקציות נדירות יותר

• γ-קרבוקסי-גלוטמט - גלוטמט עם $\ce{-COOH}$ נוספת
• קישור דיסולפידי (Cys-Cys)
• אדנילציה - הוספת קבוצת אדנוזין (דרך הפוספט)
• דסמוזין - מודיפיקציה מורכבת המחברת מספר ליזינים (באלסטין)

חשיבות ה-PTM

• שינוי פעילות החלבון
• שינוי מיקום בתא
• שינוי אינטראקציות עם חלבונים אחרים
• בקרה זמנית על פונקציות
• יצירת מגוון פונקציונלי מאותו גן

חומצת אמינו נוספת: סלנוציסטאין

קידוד יוצא דופן

סלנוציסטאין (Selenocysteine, Sec, U):

• דומה לציסטאין, אך במקום S יש Se (סלניום)
• נקראת “חומצת האמינו ה-21”
• אינה מקודדת בקוד הגנטי הסטנדרטי!

מנגנון הקידוד

קידוד מיוחד דרך קודון STOP:

1. קודון $\ce{UGA}$ (בדרך כלל קודון עצירה)
2. רצף SECIS במבנה ה-mRNA (stem-loop ב-3’ UTR)
3. הרכבה ייחודית בריבוזום
4. ← הכנסת Sec במקום עצירה

mRNA: 5' --- UGA --- [SECIS element] --- poly(A) 3'
                    ↓
             Selenocysteine

דרישות:

• מבנה מרחבי ספציפי ב-mRNA
• אנזימים ייעודיים
• tRNA מיוחד (tRNA[Ser]Sec)

תפקידים ביולוגיים

• אנזימי חיזור (Glutathione peroxidase)
• פונקציות אנטי-אוקסידטיביות
• נדיר יחסית (25 חלבונים בבני אדם)

כללי חשיבות

1. אינטראקציות ביולוגיות הן סטריאו-ספציפיות

כלל הזהב: אינטראקציות בין מולקולות ביולוגיות דורשות התאמה מרחבית מדויקת

דוגמאות:

ציטרט במעגל קרבס

• האנזים מזהה רק L-ציטרט
• D-ציטרט לא מזוהה ולא מעובד
• חוסר התאמה תלת-ממדית למקום הפעיל

D-אמינו חומצות בחיידקים

• דופן התא החיידקי מכיל D-אמינו חומצות
• מערכת החיסון שלנו בדרך כלל לא מזהה D-peptides
• מנגנון הגנה של החיידק
• (אבל אכן התפתחו אנזימים שמפרקים גם D-peptides)

2. ב-pH פיזיולוגי רוב החלבונים כ-Zwitterions

• בגוף (pH ≈ 7.4): רוב חומצות האמינו בצורת צוויטריון
• חשוב לתכונות מסיסות ולאינטראקציות

3. טבלת עזר

בכל בחינה/תרגיל תקבלו:

• מבנה כל 20 חומצות האמינו
• One-letter code
• Three-letter code
• $\text{p}K_a$ של כל קבוצה מתיינת
• $\text{p}I$ (נקודה איזו-אלקטרית)
• משקל מולקולרי

משקל ממוצע: ~110 Da (דלטון)

4. נוסחאות שימושיות

חוק באר-למברט: \(A_{280} = \varepsilon_{280} \cdot l \cdot c\)

נקודה איזו-אלקטרית: \(\text{p}I = \frac{\text{p}K_{a,i} + \text{p}K_{a,i+1}}{2}\)

כאשר $i$ ו-$i+1$ הם שני ה-$\text{p}K_a$ שבינהם מטען נטו = 0

סיכום טרמינולוגיה

מה הלאה?

בשיעור הבא (יום חמישי):

• הקשר הפפטידי - מבנה ותכונות
• תחילת מבני חלבונים (מבנה ראשוני, שניוני, שלישוני, רביעוני)
• איך חומצות האמינו השונות משפיעות על מבנה ופונקציה

זכרו:

• כל מה שנלמד = חשוב לבחינה
• התרגול מחר יעסוק בחישובי $\text{p}I$ ו-$\text{p}K_a$
• הגיעו בזמן (10:00)!