חומצות אמינו

Question 1

חלבונים

Answer 1

חלבונים נמצאים בכל תא, אין תא ללא חלבונים. נוסף לכך, החלבונים נמצאים בכל מקום בתא. החלבונים הם למעשה המוציאים מהכוח אל הפועל את רוב הפעולות הביוכימיות של התא, והמבנה שלהם הוא המשפיע על פעולתם.

החלבונים, הם למעשה פולימרים, הבנויים מאבני בניין (מונומרים) שנקשרים אחד לשני, כאשר השלד שלהן הוא פחמני. אבני הבניין של חלבונים אלו הם חומצות האמינו. ישנן חומצות אמינו רבות, אך בסה”כ 20 חומצות אמינו שמעורבות בבניה של החלבונים, השאר פשוט לא מעורבות בבניה של החלבונים.

Question 2

מרכיבים של הח”א

Answer 2

מרכיבי החומצה האמינית:
1. פחמן אלפא: זהו הפחמן המרכזי, הקושר אטום מימן, ובנוסף את שלושת הקבוצות הצדדיות, קבוצת R, קבוצה קרבוקסילית, וקבוצת אמין.
2. קבוצה קרבוקסילית: קשורה לפחמן האלפא, ומקנה למולקולה תכונות של חומצה חלשה, לכן החומצה האמינית היא חומצה.
3. קבוצה אמינית: הקבוצה האמינית היא בעלת תכונות בסיסיות. זה אומר שהחומצה האמינית היא גם חומצה כי היא קושרת קבוצה קרבוקסילית והיא גם בסיס כי היא קושרת קבוצה אמינית.
4. קבוצת R: זוהי הקבוצה הצדדית, המכתיבה את התכונות של החומצה האמינית.

Question 3

מולקולה אמפוטרית

Answer 3

מולקולה כזו, הקושרת מצד אחד חומצה, ומצידה השני בסיס, נקראת מולקולה אמפוטרית. כאשר חומצות האמיניות השונות נבדלות אחת מהשנייה בקבוצת ה-R שלהם.

Question 4

מטען של חומצות אמינו

Answer 4

בעולם האמיתי לא נמצא את המולקולה בצורה זו, כיוון שיש תלות ב-pH בו אנו פועלים. ב-pH נמוך, יש הרבה מאוד פרוטונים ולכן הקבוצה האמינית תקשור פרוטון אחד ותהיה טעונה חיובית. הפרוטון הראשון שישתחרר כאשר נעלה את רמת ה-pH יהיה הפרוטון של הקבוצה הקרבוקסילית ורק אחר כך ישתחרר הפרוטון של הקבוצה האמינית.

נמשיך להעלות את רמת ה-pH ל-7. במצב זה המולקולה תהיה טעונה חיובי בקבוצה האמינית וטעונה שלילית בקבוצה הקרבוקסילית בגלל שחרור הפרוטון, כאשר המטען הוא נטו 0 בגלל המטענים המנוגדים, למצב זה קוראים צוויטר-יון.

ב-pH גבוה עוד יותר, הקבוצה האמינית תשחרר פרוטון, ותיהיה חסרת מטען. לעומתה הקבוצה הקרבוקסילית טעונה שלילית, ולכן בסה”כ המולקולה טעונה שלילית.

Question 5

את 20 חומצות האמינו מחלקים בטבלה ל-4 קבוצות על פי בסיס האופי של הקבוצה הצדדית R:

Answer 5

1. חומצות אמינו הידרופוביות – לא פולאריות:
2. חומצות אמינו פולריות:
3. חומצות אמינו בסיסיות:
4. חומצות אמינו חומציות:

Question 6

אפקט אינדוקטיבי:

Answer 6

זהו אפקט הגורם לסדרת אלקטרונים לנוע כל פעם לכיוון הפחמן או לכיוון היסוד היותר חיובי, או האלקטרו שלילי, כדוגמת החנקן. בקשר פחמן-חנקן הם ינועו יותר לכיוון החנקן, ואז בקשר פחמן-פחמן, בגלל שהפחמן אלפא, נעשה יותר חיובי, האלקטורונים ינועו כעת לכיוונו, מה שיהפוך את הפחמן הקרבונילי ליותר חיובי, ולכן בקשר חמצן-פחמן, החמצן יהיה יותר חיובי, ולכן היכולת שלו לשמור על הפרוטון קטנה.
ככל שנתרחק מפחמן האלפא, האפקט האינדוקטיבי נחלש, ולכן ה-pKa יהיה גבוהה יותר.

Question 7

חומצות אמינו בעלות תכונות חשובות:
פרולין:

Answer 7

פרולין: זוהי חומצת אמינו בעלת קבוצת R שאינה פולארית. המיוחד בה, הוא שהקבוצה האלפא אמינית שלה אינה עצמאית אלא, היא חלק מטבעת של קבוצת ה- R. כלומר היא איננה חופשית, ולכן תכונה זו מקנה לה את היכולת לשבור את המבנה המרחבי של החלבון בה היא נמצאת.

Question 8

חומצות אמינו בעלות תכונות חשובות:
ציסטאין:

Answer 8

ציסטאין: זוהי חומצת אמינו בעלת קבוצת R סולפידרילית. קבוצה זו יודעת להיקשר לקבוצה סולפידרילית נוספת בקשר שנקרא S-S. חומצה זו משנה את המבנה המרחבי של החלבון בו היא נמצאת.

Question 9

ח”א בעלות טבעת ארומטית

Answer 9

פנילאנלין, טירוזין, וטריפטופאן: שלושתם מכילות קבוצת R בעלות טבעות ארומטיות, אשר הטבעות הן בעלות תכונה של בליעת אור בתחום ה-UV, בסביבות 280 - 260 ננומטר ביעילות רבה. קרינת ה UV יכולה לגרום נזק לחלבונים ול-DNA.

Question 10

טיטרציה של חומצות אמינו:

Answer 10

כשאנו באים לטטר חומצות אמינו, יש לנו בחומצה האמינית שתי קבוצות שיכולות לשחרר פרוטון. הקבוצה האלפא קרבוקסילית שהיא בעלת pKa 1, והקבוצה האלפא אמינית שהיא בעלת pKa 2. חשוב לזכור שישנן גם קבוצות בעלות pKa R.

לדוגמא: החומצה האמינית אלנין היא החומצה האמינית הפשוטה ביותר.

o כאשר נתחיל מ-pH הנמוך ביותר המולקולה תהייה במצב של פרוטונציה מקסימלית, כלומר כל הפרוטונים האפשריים עדיין יהיו קשורים אליה.
o כאשר נתחיל להוסיף בסיס עקומת הטיטרציה תחל לעלות, ולאחר חצי אקויולנט (pKa 1) חצי מהמולקולות של הקבוצה האלפא קרבוקסילית שחררו את הפרוטון, והן יופיעו כ- COO-. במצב זה חצי מהמולקולות הן צוויטריון, והחצי השני נמצאים בפרוטונציה מקסימלית.
o לאחר אקוויולנט שלם, תאורטית, זוהי הנקודה בה כל המולקולות הן במצב של צוויטריון, וכאן למעשה נגמרה הטיטרציה של קבוצת האלפא קרבוקסיל (מבחינה מעשית, תמיד יש ריכוזים קטנים של כל אחת מתצורות החומצה האמינית).
o מנקודה זו ואילך מתחילה הטיטרציה של הקבוצה האלפא אמינית.
o נמשיך להוסיף בסיס, ולאחר אקוויולנט וחצי מנקודת ההתחלה נגיע ל-pKa 2. כלומר חצי מהמולקולות הן עדיין צוויטריון, וחצי מהמולקולות כבר שחררו גם את הפרוטון של הקבוצה האלפא אמינית, אז הן טעונות שלילית.
o לאחר 2 אקויווילנטים שלמים כל המולקולות יכילו מטען שלילי בלבד, היות וכל קבוצות האלפא אמין של המולקולה ישחררו את הפרוטון (תיאורטית).

Question 11

טיטרציה של ח”א

Answer 11

למעשה אפשר להתייחס לטיטרציה של החומצה אמינית כטיטרציה של שתי חומצות, הראשונה היא הקבוצה האלפא קרבוקסילית, והשנייה היא קבוצת האלפא אמינית.

אם נרצה לחשב pH בכל נקודה נשתמש בנוסחת הנדרסון האסלבאך, אך נצטרך להתחשב בפאזה.

מבחינה תיאורטית, בנקודה בה כל המולקולות הם צוויטריון, כשנגמרה הטיטרציה הראשונה, ה-pH בנקודה הזו נקרא ה-pH האיזו אלקטרי, והוא ממוצע חשבוני של pKa 1 ו-pKa 2.

Question 12

אלקטרו-פורזה:

Answer 12

מתוך מה שאמרנו עד כה, ניתן להבין כי בנקודות שונות על פני העקומה המטען של חומצות האמינו יהיה שונה:
1. בנקודת הפרוטונציה המקסימלית, נקודת ההתחלה, כל חומצות האמינו תהיינה טעונות חיובית.
2. בנקודת חצי הטיטרציה הראשונה, חצי יהיו טעונות חיובית, וחצי יהיו במצב של צוויטריון.
3. בנקודת ה-pH האיזו אלקטרי כל המולקולות יהיו במצב של צוויטריון.
4. בנקודת חצי הטיטרציה השנייה, חצי יהיו במצב של צוויטריון, וחצי טעונות שלילית.
5. בנקודת סוף הטיטרציה השנייה כל המולקולות יהיו טעונות שלילית.

מכאן ניתן להסיק שאם בשלבים שונים לחומצות האמינו מטען שונה אז אפשר להפריד בין המולקולות בעזרת שדה חשמלי. לתהליך זה של הפרדת המולקולות ע”י שדה חשמלי קוראים אלקטרו-פורזה (נדידה בשדה חשמלי).

Question 13

חומצה אמינית בעלת קבוצת R בסיסית או חומצית:

Answer 13

עקומת הטיטרציה של חומצה אמינית בעלת קבוצת R בסיסית או חומצית, שונה מעקומת הטיטרציה הרגילה. בעקומה זו ניתן לראות 3 מדרגות ולא שתיים, מכיוון שגם לקבוצת ה-R יש פרוטון אותו הם רוצות לשחרר.

שלב 1 - טיטרציה של הקבוצה הקרבוקסילית (pKa 1).
שלב 2 - טיטרציה של קבוצת ה-R (pKa R).
שלב 3 - טיטרציה של הקבוצה האמינית (pKa 2).

בנוסף ניתן להבחין כי המדרגות חסרי הפרדה ברורה, והן ללא גבולות מוגדרים. והסיבה לכך היא המרחקים הקטנים יותר בין ה-pKa השונים. הכוונה היא שחלק מהמולקולות של קבוצת ה-R כבר התחילו לשחרר פרוטון, עוד לפני שקבוצת הקרבוקסיל סיימו לשחרר את כל הפרוטונים שלה. בנוסף גם קבוצת האמין התחילה לשחרר פרוטונים לפני שקבוצת ה-R סיימה לשחרר את כל הפרוטונים שלה, ולכן המעבר מפאזה לפאזה הרבה פחות ברור.

גם נקודת ה-pH האיזו-אלקטרי שונה קצת. בחומצות האמינו החומציות והבסיסיות לא קיים מצב בו כל המולקולות הם צוויטריון, מכיוון שכל קבוצה מתחילה לשחרר פרוטונים עוד לפני שקודמתה סיימה. לכן ה-pH האיזו-אלקטרי הוא המצב בוא מרבית המולקולות נמצאות במצב של צוויטריון.

• במצב של פרוטונציה מקסימלית המטען של כל המולקולה הוא 2+.
• לאחר אקוויולנט אחד המטען הוא 1+.
• לאחר אקוויולנט שני המטען הוא 0 (ברוב המולקולות).
• המצב האיזו אלקטרי הוא ממוצע חשבוני בין pKa R לבין pKa 2.

Question 14

מצב איזואלקטרי

Answer 14

בחומצות האמינו הבסיסיות המצב האיזו אלקטרי יהיה לאחר שני אקוויולנטים, בין pK2 ל- pKr.

בחומצות האמינו החומציות המצב האיזו אלקטרי יהיה לאחר אקוויולנט אחד, בין pK1 ל- pKr.