MOOC: Söömisest, joomisest ja informatsioonist

1.5. Aminohapped ja valgud

Selle temaatika omandamisjärgselt peaksite oskama analüüsida:

Mis iseloomustab inimkeha aminohappeid?
Inimkeha jaoks essentsiaalseid aminohappeid.
Aminohapetega seotud toiduainete alast ja kliinilises praktikas vajalikku informatsiooni.
Mis on peptiidid?
Mis on valgud?

Meeldejätmiseks:

Valgud on moodustatud 20 põhiaminohappest
Inimkeha ei sünteesi ja peab saama toiduga 9 asendamatut põhiaminohapet
Inimkehas on põhiliselt L-aminohapped
Täisväärtuslikuim on aminohapete poolest loomne toit (loomne valk)
Valkude bioloogiline aktiivsus tekib tertsiaarstruktuuri korral
Tugevalt denatureerunud valgud ei võta enam tagasi oma bioloogiliselt aktiivset vormi

Aminohappeid (lihtbiomolekule) kasutab inimkeha:

ehitusüksustena: kehaomaste ensüümide, valkude, hormoonide jne sünteesil;
energiamaterjalina (metaboolse kütusena): nende lammutamise teel;
eelühenditena: paljude signaalmolekulide (hormoonid, neuromediaatorid jne) ja teiste lihtbiomolekulide (susivesikud, nukleotiidid jt) sünteesil.

Aminohapete definitsioon

Aminohapped on karboksüülhapete derivaadid, mis sisaldavad vähemalt ühte amino- ja karboksüülrühma. Looduses on kirjeldatud umbes 300 aminohapet (inimeses – umbes 60). Inimkeha valgud ja peptiidid koosnevad aminohapetest. Aminohapete tavanimetused viitavad kas esmasisoleerimise objektile (türosiin, esmasisoleerimine juustust, kr tyros = juust) või aminohappe mõnele omadusele. Inimkeha aminohapete üks tavajaotusi on: a) proteinogeensed (valkude ehitusüksused): nad on L-aminohapped; b) aproteinogeensed (pole valkude ehitusüksusteks).

Aminohapete klassifikatsioone

Proteinogeensed standardaminohapped

Nimetatakse ka proteinogeenseteks põhiaminohapeteks, sest nende jaoks on inimese geneetilises koodis olemas vähemalt üks koodon (inimkehas on põhiaminohappeid 20). Inimkeha valkudes leiduvate põhiaminohapete levinuim klassifikatsioon baseerub radikaali (R-grupi) polaarsusel ja laengul füsioloogilise pH juures (joonis 1).

Proteinogeenseid põhiaminohappeid võib grupeerida veel ka järgmiselt:

happelised (Asp,Glu), aluselised (Lys,Arg,His) ja neutraalsed aminohapped (kõik ülejäänud);
aromaatsed aminohapped (Phe,Tyr,Trp,His);
hüdroksüaminohapped (Ser,Thr);
väävlitsisaldavad aminohapped (Cys,Met);
tsüklilised aminohapped (Pro,Phe,Tyr,Trp,His; NB! Pro on sisuliselt võttes iminohape);
asendamatud ja inimkehas sünteesitavad aminohapped.

Joonis 1. Inimkeha proteinogeensed põhiaminohapped. Antud on R-grupp (Pro puhul tervikvalem), rahvusvaheline lühend ning ühetäheline sümbol.

Biokeemilis-meditsiiniline jaotus jagab inimkeha põhiaminohapped järgmiselt:

asendamatud (essentsiaalsed) aminohapped: inimkeha ei sünteesi neid ise ja peab nende vajamineva koguse saama toiduvalkudega (need on Val, Ile, Leu, Thr, Trp, Lys, Met, Phe, His);
asendatavad (inimkehas sünteesitavad) aminohapped.

Osade aminohapete mittesünteesimine inimkehas pole piiratus. Ühelt poolt eeldab organism normaalset söömist (tasakaalustatud toitumist), teisalt on see 15…20%-ne koguenergia kokkuhoid.

Inimkeha ei sünteesi histidiini. Otseselt tekib siiski probleeme vaid imikutel. Normaalse söömisega täiskasvanutel sünteesivad His piisavalt seedekulgla mikroobid. Viimaste hävitamisega (alkohol, antibiootikumid) võib kujuneda His vaegus (lihaste düstroofia, südamenõrkus jt). Arg pole asendamatu (sünteesitakse imetajate kudedes). Väga kiire kasvu puhul ei pruugi sellest jätkuda, st imiku ja väikelapse toit peab olema Arg rikas. Inimkeha jaoks on kõrge bioväärtusega (väga kõrge biokvaliteediga) need toiduvalgud, milles on kõik asendamatud aminohapped inimkehale vajalikes hulkades ja omavahelistes vahekordades (loomsed valgud: rinnapiima-, muna-, piima-, juustu-, lihavalgud). Madalama biokvaliteediga (vähemväärtuslikud) valkudes puudub üks või rohkem asendamatutest aminohapetest ja nende vahekord pole inimkeha valkude suhtes parim (taimsed valgud). Kui päevasest tarbitud toiduvalkudest kaaluka osa moodustavad kõrge biokvaliteediga valgud, on asendamatute aminohapete vajadus kindlasti kaetud.

Peptiidid

Inimkehas on rohkesti bioaktiivseid peptiidmolekule. Paljud neist on signaalmolekulid (peptiidhormoonid, neurotransmitterid jne). Näiteks gastrointestinaalpeptiidid (sekretiin, gastriin jt), neuropeptiidid (enkefaliinid, endorfiinid, galaniin jt), hüpofüüsi peptiidhormoonid (vasopressiin jt), peptiidsed hüpotalamuse faktorid (liberiinid ja statiinid), vasoaktiivsed peptiidid (angiotensiin, kallidiin, bradükiniin, atriopeptiid jt). Tuntakse ka taandavate ja antioksüdantsete omadustega peptiide (glutatioon jt). Peptiidid töötavad ka valkude ja ensüümide aktiivsuse otseste moduleerijatena (nt glutatioon glutationüülib mitmeid võtmeensüüme). Mikroorganismide produtseeritud peptiidseid antibiootikume (penitsilliin, valinomütsiin jt) kasutatakse ravi otstarbel, sünteetilist peptiidi aspartaami aga tehismagustajana. Mitmed taimsed peptiidid on toksiinid (rohelise kärbseseene amanitiin jt).

Bioaktiivsed peptiidid pakuvad kliinilist huvi ka farmakoloogiliste agentidena ja nende ehituse, omaduste ja toimemehhanismide uurimine on meditsiinilise biokeemia üks valdkond.

Valgud

Valkude (proteiinide, kr protos = esmane, alg-) üldtunnusjooned on:

nad on biomakromolekulid, mis koosnevad ühest või mitmest polüpeptiidahelast;
nende amiohappelise koostise erinevus, mis tingib nende individuaalsuse/rohkuse;
peptiidside aminohappejääkide vahel ja mitmetasemeline struktuurne organisatsioon;
omavad aktiivalasid ligandi (-de) sidumiseks.

Millest tuleneb valkude mitmekesisus ja milleks see on vajalik?

Valgud on geneetilise info realiseerumisvahenditena inimkeha arvukaimad (üle 50 000 individuaalvalgu) biomakromolekulid. Suur arv kujuneb seetõttu, et igal valgul on oma aminohappejääkide kindel järjestus ja koosseis. Antud valgu struktuuritasemed, omadused, individuaalsus ja ülesanded määratakse aminohappelise järjestuse ja koosseisuga. Valkude mitmekesisus on molekulaarbaasiks tema biofunktsioonidele. Väga piiritletud rolliga valgu (nt kollageeni) aminohappekoostis on eriti spetsialiseeritud. Valkude mitmekesisust laiendab ka liitvalkude mittevalgulise osa erinevus. Kudede/organite valgusisaldus sõltub nende ülesannetest (lihastes on palju kontraktiilvalke; maksas on palju ensüüme, rasvkoes eeskätt transport- ja struktuurvalgud, jne) ja valgusisaldus muutub organismi arengu jooksul ja haiguste korral. Inimkehas on valke umbes 40…46% kuivkaalust (taimedes on see väiksem: seemnetes tavaliselt 8…13%, päevalilleseemnetes 30…35%; bakterites aga kõrgem). Organite/kudede valgusisaldused (% kuivkaalust): põrn, kopsud (82…84), lihased (79…82), neerud (68…72), süda, nahk, maks (56…64), närvikude (44…53), luud, hambad (18…25), rasvkude (13…15).

NB! Vereplasmas on valku 63…85g/l. Ööpäevase uriiniga eritub alla 100…150mg valku.

Biomakromolekulaarsus vastavalt biofunktsioonidele

Täitmaks inimkehas keerulisi rolle peab valgumolekul olema kõrgmolekulaarne ja omama vajaliku arvu polüpeptiidahelaid. Näiteks on insuliinil kaks erinevat polüpeptiidahelat, hemoglobiinil on neli polüpeptiidahelat (kaks identset a- ja kaks identset β-ahelat). Valkude Mw ühik on dalton. Valguks loetakse tinglikult polüpeptiidi, mis sisaldab üle 50 aminohappejäägi (aminohappe keskmine Mr on 110, seega on valkude Mr alumine piir » 5500). Näiteid: insuliin – 5700, cyt c – 13 000; trüpsiin – 23800, hemoglobiin – 64500, seerumi albumiin – 68500, immuunglobuliin G (IgG) – 145000, vere fibrinogeen – 341000, apolipoproteiin B – 513000, maksa glutamaadi dehüdrogenaas – 1000000.

Milline on valkude elementaarkoostis?

Valk sisaldab keskmiselt (% kuivmassi kohta) 51…55 C, 21…23 O, 15…17 N ja 6…7 H. Üsna paljudes valkudes on veel 0,3…2,5% S ja 0,5…0,7 % P. Teisi elemente on vähestes valkudes ja nende sisaldus on väga väike. Lämmastikusisalduse protsent on paljudes valkudes umbes 16. Mineraliseerides valgu lämmastiku ja määrates tema hulga, saab kasutades 16%, leida valgusisalduse proovi kindlas kaalutises (Kjeldahli meetod; kasutatakse tihti toiduainete valgusisalduse määramiseks).

Kõrgemate struktuuritasemete kujunemisega ja ligandide spetsiifilise sidumisega luuakse eeldused valkude biofunktsioonide täitmiseks

Täitmaks biofunktsioone inimkehas peavad valgud vastama vähemalt kahele põhitingimusele: neil peab olema vähemalt tertsiaarstruktuur ja nad peavad siduma spetsiifiliselt ligande (molekule, ioone jne). Ligandi(-de) sidumiseks on valgul aktiivala(-d) ja nende spetsiifiliseks efektiivseks sidumiseks peab valgumolekul võtma vajaliku ruumikujundi (konformatsiooni).

Funktsionaalne klassifikatsioon

Peegeldab valkude biokeemilis-kliinilisi aspekte, kuna selle aluseks on valkude üldfunktsioonid. Jagab valgud järgmisteks põhiklassideks.

Ensüümid (pepsiin, trüpsiin, amülaas jt)
Transportvalgud (hemoglobiin, transferriin, vereseerumi albumiin, ioonpumbad jt)
Struktuurvalgud ( kollageenid, elastiinid, histoonid jt)
Kontraktiilsed valgud (aktiin, müosiin jt)
Regulaatorvalgud (insuliin, histoonid jt)
Aktiivkaitse valgud (immuunglobuliinid, fibrinogeen, trombiin jt)
Toite- ja varuvalgud (piima kaseiin, muna ovoalbumiin jt)

Valkude biofunktsioonide meditsiinilisi aspekte

Valkude rohked biofunktsioonid tulenevad valkude mitmekesisusest.

Ensümaatiline/katalüütiline: kõik üheselt ensümaatilise funktsiooniga biomolekulid on valgud ja nende funktsioon väljendub biokeemiliste reaktsioonide katalüüsimises.
Regulatoorne: metabolismi regulatsioon valguliste hormoonide poolt (nt pankrease insuliin reguleerib süsivesikute metabolismi kaudu veresuhkru taset). See on hormonaalne regulatsioon. Valgud võivad esineda aga ka genoomi aktiivsuse regulatsioonis (nt histoonid).
Transpordifunktsioon: a) ainete transport biovedelike kaudu (humoraalne transport) rakkude ja kudede vahel (plasmaalbumiin transpordib rasvhappeid; kudede vaheline lipiidide transport vere lipoproteiinide abil; O₂ transport Hb poolt; transkortiin transpordib kortikosteroide jne); b) transport läbi biomembraanide valk-kandjate abil (plasmamembraani Na-pump transpordib liigse Na+ rakust välja, tuues samaaegselt vajaliku koguse K⁺ rakku. Ca-pump pumpab Ca²⁺).
Struktuurne: biomembraanide, tsütoskeleti (tubuliin), kõõluste (kollageenid), veresoonte seinte (elastiinid), küünte, karvade, juuste, sulgede (keratiinid), nukleosoomide (histoonid) ehituskomponendid on valgud.
Puhvrifunktsioon: dissotsieeruvate rühmade tõttu toimivad valgud puhvritena (seovad pöörduvalt H⁺ või OH^–). Nii garanteerivadki Hb ja vereplasma valgud (koos fosfaat- ja bikarbonaatpuhvriga) vere pH stabiilse väärtuse.
Kaitsefunktsioon: a) aktiivkaitse (võõrvalke siduvad Ab; valgulised verehüübimisfaktorid fibrinogeen ja trombiin; vere pH ja osmootse rõhu regulatsioonis osalevad valgud, albumiini ja mitmete globuliinide roll antioksüdantses kaitses/regulatsioonis); b) passiivkaitse, samastub teatud määral struktuurse funktsiooniga (nahavalgud, juuste, küüniste, villa valgud jt).
Kontraktsioonifunktsioon (mehhanokeemiline): keemilise energia (põhiliselt ATP) kasutamine valkude abil lihaskontraktsiooniks ja selle läbiviimine (müosiin, aktiin jt).
Retseptoorne: retseptorite baasstruktuuriks ja spetsiifilisuse aluseks on valk (nt nägemisaistingu tekkes osaleb silma võrkkesta retseptorvalk rodopsiin).
Varufunktsioon (troofiline): valkude kasutamine varuainena arenevate rakkude toiduks (ovoalbumiin, prolamiinid ja gluteliinid, piima kaseiin jt).
Energiasubstraadi funktsioon: 1 g valgu täielik oksüdatsioon (CO₂-ks ja veeks) annab 4,3kcal (17,5 kJ) energiat (samastub teatud mõttes varufunktsiooniga).
Ioongradientide ja elektrokeemiliste potentsiaalide loomine: Na-pump loob Na⁺ ja K⁺ kontsentratsioonigradiendi plasmamembraani sise- ja väliskülje vahel (närviimpulsi tekke ja leviku alus).

Detoksikatsioonifunktsioon: albumiinid seovad funktsionaalsete rühmade (-COOH, -SH) abil raskmetalle ja alkaloide, neutraliseerides nende toksilisuse.