aminokyseliny

Transcript aminokyseliny - Studiumchemie.cz

Aminokyseliny

• stavební jednotky bílkovin • deriváty karboxylových kyseliny • liší se postranním řetězcem (R) karboxylová skupina aminoskupina H H O 2 N C C  O H R postranní řetězec

Prostorové uspořádání

• α-aminokyseliny = NH 2 • C α skupina na 2. C (C je chirální → enantiomery D a L α ) H H C C  O OH H 2 C OH D-glyceraldehyd H H O C C  O H H 2 C OH

H H O

N C C



O H R

L-glyceraldehyd L-aminokyselina

NH 2 CH 2 COOH nemá chirální uhlík (nejjednodušší AK) většina aminokyselin v přírodě: α,L-AK

L-alanin D-alanin

Proč je většina aminokyselin v přírodě právě v kofiguraci L a ne D nevíme..

Elektrický náboj aminokyselin

nízké pH neutrální pH (fyziologicé) vysoké pH H O C H 3 N + C R O H H + O C H 3 N + C R O H OH O C O H 2 N C R H kation amfion aminokyselina je elektroneutrální anion

Isoelektrický bod

• pI • pI = pH, kdy je celkový elektrický náboj aminokyseliny nulový (amfion), pro každou aminokyselinu jiné O O C H 3 N + C H R

K ódované aminokyseliny

     základní stavební jednotky bílkovin mají svoji specifickou tRNA existuje 21 k ódovaných aminokyselin některé si organismus neumí sám vytvořit a musí je přijímat v potravě esenciální liší se svými postranními řetězci (-R) V roce 1986 objevena 21. k ódovaná aminokyselina selenocystein.

O C H 3 N + C CH 2 O H Se H selenocystein (Sec)

Selenocystein

O C H 3 N + C O CH 2 H OH serin (Ser) O C H 3 N + C CH 2 SH O H cystein (Cys) • v selenoproteinech – enzymy, kde Se je redukčním centrem (redukují volné kyslíkové radikály) • v deiodinasach – regulují působení thyroidních hormonů

Postranní řetězce aminokyselin H 3 N + O H 3 N + C C CH O H O H 2 N + C O O zásaditý postranní řetězec H 3 C CH 3 O H 3 N + C C O H hydrofobní postranní řetězce O C O C C O CH 2 + NH 3 O C H O CH 2 H 3 N + C H H 3 N + C H CH 2 CH 2 O H 3 N + C C H 2 C O C O O H kyselý postranní řetězec O H 3 N + C C CH 2 O H H S OH H 2 N O polární postranní řetězce

K čemu slouží aminokyseliny v organismech?

 dodávají a přenášejí N (esenciální prvek)  jsou základní stavební jednotkou proteinů  v případě hladovění mohou být alternativními zdroji energie a prekurzory pro tvorbu sacharidů  slouží jako neurotransmitery a hormony– některé samy o sobě, jiné jako výchozí látky pro jejich tvorbu  podílejí se na syntéze lipidové dvojvrstvy, nukleotidů, alkaloidů atd..

 a mají mnoho dalších funkcí

Tvorba proteinů - vznik peptidové vazby

H 3 N + R 1 C H O C O + H H N + H R 2 C H O C O R 1 O H 3 N + C C H N H H 2 O R 2 C H O C O dipeptid

peptidová vazba

tyto dvě vazby jsou jednoduché, umožňují volnou rotaci atomů, takže dlouhé řetězce aminokyselin jsou vysoce pohyblivé R 1 O H 3 N + C C H N H R 2 C H O C O R 1 O H 3 N + C C H N + H R 2 C H O C O peptidová vazba je vazbou kovalentní, je

rigidní – vazba C-N má částečně charakter dvojné vazby v důsledku rezonance

, atomy se kolem ní nemohou volně otáčet

stabilita peptidové vazby:

při pH~7 je stabilní i při 100°C

hydrolyzuje se v silně kyselém nebo zásaditém prostředí nebo pomocí enzymů

Peptidy a proteiny

• v těle vznikají proteosyntézou v cytoplazmě buněk • proteosyntéza probíhá na ribozomech • 2 – 50 AK: peptid • > 50 AK: protein (bílkovina)

Názvosloví peptidů

• • pořadí aminokyselin (=jejich

sekvenci

) čteme od N konce k C konci • k názvu aminokyselin přidáme koncovku –yl • např.:

Tyrozylalanylcystein

H 2 N-Tyr-Ala-Cys-COOH • většina peptidů a proteinů mají triviální názvy (glutathion, hemoglobin, kolagen)

Některé významné peptidy v našem těle

některé hormony:

oxytocin, vazopresin, glukagon, ...

také některé jedy a mnoho dalších významných látek

glutathion

– tripeptid, v těle působí proti oxidativnímu stresu tvorbou disulfidových můstků H 3 N + O CH CH 2 CH 2 C C O O

H 2 C NH O CH C O NH CH 2 C O -

Umělá příprava polypeptidů by mohla vést k získání bezpečných vakcín

Oxidace glutathionu

2x O H 3 N + CH CH 2 CH 2 C O C O

CH 2 O NH CH C O NH CH 2 C O O O C H 3 N + CH CH 2 CH 2 C O H2 NH CH C CH 2 O

O NH CH 2 C O

O H 3 N + CH CH 2 CH 2 C O C O H 2 C NH O CH C O NH CH 2 C O -

makromolekulární látky (proteiny, polysacharidy)

Úrovně popisu organismu – velikost proteinů

orgány buňky jednoduché molekuly, atomy

Proteiny – nativní konformace

• proteiny jsou molekuly s velmi složitou strukturou • po syntéze polypetidu, se řetězec skládá do své přirozené

( nativní)

konformace trojrozměrná struktura s nejnižší energií -

stav, kdy může protein plnit svojí biologickou funkci

funkční protein nefunkční rozbalený polypeptidový řetězec

Skládání proteinů

4 terciární

struktura protein jako celek –

kvartérní

struktura různé úrovně pohledu na proteiny

H3 + N H C O C N SH CH 2 O C C N H C O C OH N H 2 C C O C N CH 2 CH 2 C O H H H H H H -Gln-Cys-Gly-Ser-Phe H H C CH 2 O C O NH 2 kostra proteinu – aminokyselinové složení

primární

struktura

2 3 sekundární

struktura

1) Primární struktura

• pořadí (sekvence) aminokyselin • polypeptidový řetězec, ve kterém jsou aminokyseliny spojeny peptidovou (kovalentní) vazbou • primární struktura proteinů je přímý obraz genetické informace •

základní řetězec, pořadí a typy aminokyselin určují, jak bude protein prostorově uspořádán

(např. hydrofobní postranní řetězce aminokyselin se shlukují uvnitř proteinů, aby se nedostaly do styku s vodou)

• záměna jen jedné aminokyseliny může způsobit nefunkčnost proteinu (př. srpkovitá anemie)

2) Sekundární struktura

 polypetidové řetězce se skládají do několika strukturních prvků  dva základní jsou: α-helix (šroubovice) a další β-hřeben (skládaný list), ale existují i 

sekundární strukturu stabilizují

H můstky

α-helix

v proteinech pravotočivá šroubovice H můstky spojují skupiny CO a NH uvnitř řetězce postranní řetězce směřují ven, v důsledku sterických zábran

Keratin a kolagen

tyto dva proteiny jsou složeny ze šroubovic, které se ještě stáčejí kolem sebe a tvoří pevná vlákna keratin se vyskytuje např. ve vlasech, v pokožce, nehtech, rohovině nebo v peří kolagen – protein kostí, zubů a šlach, v tahu je pevný stejně jako ocel šroubovice stočené kolem sebe tvoří terciární strukturu

β-hřeben/skládaný list

postranní řetězce vyčnívají střídavě na opačné strany řetězce, kvůli sterickým zábranám H můstky opět mezi skupinami CO a NH

H můstky spojují sousední řetězce schematické značení skládaného listu

Titin

největší známý polypetidový řetězec, spolu s aktinem a myosinem ve svalech obratlovců skládá se převážně ze skládaných listů mutace v aminokyselinové sekvenci způsobuje onemocnění svalů včetně srdce funkce ještě není úplně prozkoumaná – zřejmě kontroluje činnost aktinu a myosinu, prodlužování a zkracování sarkomery

3) Terciární struktura

• • uspořádání sekundárních struktur v prostoru

skládání proteinů v prostoru ovlivňují především interakce postranních řetězců aminokyselin

• sekundární struktury nejsou spojeny kovalentně • stabilizují je: H můstky, elektrostatické interakce (iontové síly, dipól-dipól), van der Waalsovy interakce, disulfidové vazby, hydrofobní interakce

Disulfidový můstek a vznik cystinu

postranní řetězce

cysteinu

v proteinu CH CH 2 SH + SH CH 2 CH oxidace redukce CH CH 2 S S CH 2 CH jednoduchá kovalentní vazba výrazná stabilizace terciární struktury proteinů

SH skupina se oxiduje a redukuje tak jiné látky, např. H 2 O 2 – boj proti oxidativnímu stresu (glutathion)

Oxidace a redukce disulfidového můstku je principem účesu zvaného trvalá.

Interakce terciární struktury

polypeptidový řetězec

pankreatický enzym štěpící bílkoviny, které už částečně natrávila kyselina chlorovodíková a pepsin v žaludku

Trypsin

terciární struktura trypsinu – prostorové uspořádání motivů sekundární struktury: α-helixů a skládaných listů

4) Kvartérní struktura

• většina proteinů se skládá z více než jednoho polypetidového řetězce • uspořádání řetězců v prostoru kvartérní struktura

Proteiny se zpravidla skládají tak, že hydrofobní zbytky aminokyselin jsou uzavřené uvnitř a hydrofilní části jsou na povrchu proteinu. Záleží však na prostředí, ve kterém se protein nachází (vodný roztok, membrána …).

Hemoglobin – přenašeč O

a CO

skládá se ze 4 podjednotek

každá obsahuje 1 hemovou skupinu hem je uzavřen uvnitř podjednotky, v hydrofobním prostředí

Denaturace ~ ztráta prostorového uspořádání

ztráta nativní konformace – postupné narušení vazeb kvartérní, terciární a sekundární struktury (H můstky, Van der Waalsovy a hydrofobní interakce, disulfidové vazby, …) porušení nekovalentních vazeb skládání proteinu peptidové vazby zůstanou zachovány (zbude neuspořádaný polypeptidový řetězec) denaturace

Denaturace

Denaturovaný protein ztrácí svoji biologickou aktivitu!!

• nevratná – protein se nemůže složit do své nativní konformace, jeho prostorové uspořádání je úplně narušené • v roztoku pak dojde k agregaci molekul denaturovaných proteinů (důsledek narušení vyšších struktur) – vzniká sraženina denaturační čínidla: teplota těžké kovy, soli silné kyseliny a báze některá organická rozpouštědla redukční činidla (močovina) a další..

Využití denaturace

• vaření – vaření napomáhá trávení proteinů – narušuje prostorové uspořádání proteinů, trávicí enzymy pak mohou snadněji štěpit peptidové vazby v základním řetězci • výzkum

vratná denaturace - vysolování

• není denaturace • nenarušuje se kvartérní, terciární, sekundární ani primární struktura • vratné • způsobeno přídavkem některých solí – rozpouštějí se ve vodě, ‘vychytávají‘ molekuly H 2 O, které předtím rozpouštěly molekuly proteinu • ten se vysráží z roztoku ve formě svého krystalu – základní metoda izolace proteinů

Proteiny jako proměnlivé struktury

• každý protein má určitou prostorovou strukturu (z ní plyne jeho funkce) • struktura není neměnná – po navázání nějaké látky (ligandu) se může prostorové uspořádání pozměnit • př.: hemoglobin, princip svalového stahu a mnoha enzymatických reakcí

Skupiny proteinů

• proteiny jsou velká skupina látek • rozdělujeme je do mnoha skupin podle různých hledisek: podle

tvaru

(globulární a fibrilární) podle

složení

(jednoduché a složené) podle

funkce

(strukturní, regulační, zásobní, signální, receptorové, enzymy a mnoho a mnoho dalších)

Vlákno nebo klubko

fibrilární proteiny vláknité, nerozpustné ve vodě proteiny kůže, šlach, kostí příklady: keratin, kolagen, fibroin (hedvábí), elastin (elastické vazy, stěny plic atd..), fibrin (srážení krve, na obr.) globulární proteiny kulovité, ve vodě rozpustné enzymy, transportní proteiny, receptory, imunoglobuliny příklady: hemoglobin, titin, trypsin, alkohol dehydrogenáza (na obr.), aktin, myosin

Proteiny jednoduché a složené

• proteiny jsou biologicky aktivní jen ve svém nativním stavu • mohou být a) jednoduché, b) složené a) makromolekula tvořená jen polypeptidovým řetězcem (v nativní konformaci) př.: fibrilární proteiny, albuminy (proteiny krevního séra), histony (v jádře se vážou na DNA) b) protein má 2 složky: polypeptidový řetězec a nebílkovinnou složku transferin – přenáší v těle atomy železa (nebílkovinná složka) př. složených proteinů: glykoproteiny (cukerná složka), lipoproteiny (lipidová složka) a další

myoglobin

skladování kyslíku ve svalech

K čemu slouží proteiny v organismech?

(rozdělení dle funkce) Proteiny zastávají mnoho a mnoho rozdílných rolí:

1) biokatalyzátory

(

enzymy

) – pepsin, tripsin a další trávicí enzymy, DNA-polymeráza (syntéza DNA), alkohol dehydrogenáza (odbourávání alkoholu)

2) strukturní proteiny

– mechanická podpora buněk a tkání; př.: keratin (vlasy), elastin a kolagen (vlákna ve šlachách a vazivu), aktin (plasmatická membrána buněk)

Další funkce proteinů

3) transportní proteiny

– přenášejí po těle různé látky př.: hemoglobin, transferin, albuminy (v krevním séru přenos lipidů), cytochrom c (přenos elektrony v dýchacím řetězci)

4) pohybové proteiny

– např. myosin, ale i další (kinesin pohybuje organelami v bu ňkách)