BIOCHEMIE - UJEPchemistry.ujep.cz/userfiles/files/Biochemie N208_MEVAPOX.pdf · Nukleové kyseliny: složeny z nukleotid ů, mají funkce skladování, p řenosu a zpracování biologické

BIOCHEMIEKCH / N 208

Univerzita J. E. Purkyně v Ústí nad LabemPřírodovědecká fakulta

KCH / N 208

Nguyễn Thị Thu Hương

Ústí nad Labem 2013

Projekt „Mezioborové vazby a podpora praxe v přírodovědných a technických studijních

Obor: Chemie

Klíčová slova: biochemie, aminokyselina, protein, blkovina, sacharid, lipid, biomembrána, biokatalýza, enzym, metabolismus

přírodovědných a technických studijních programech UJEP“

Registrační číslo projektu: CZ.1.07/2.2.00/28.0296

Tento projekt byl podpořen z Evropského sociálního fondu a státníhorozpočtu České republiky.

Biochemie Biochemie

LITERATURA:

1. Vodrážka Z.: Biochemie.Academia, Praha 1996.2. Voet D., Voetová J. G.: Biochemie.Victoria publishing, Praha

1995.1995.3. Šípal Z.: Biochemie.SPN, Praha 1992.4. Němečková A. a kol.: Lékařská chemie a biochemie.Avicenum

1990.5. Musil J.: Biochemie v obrazech a ve schématech.Avicenum 1992.

Molekulová organizace buňky

BUŇKA↑↑↑↑

organel(jádro, mitochondrie, chloroplasty atd.)

↑↑↑↑nadmolekulové struktury (megamolekuly, supermolekuly):

základní prekursory: CO2, H2O, NH3, N2 a SO2

nadmolekulové struktury (megamolekuly, supermolekuly):Mr 106 až 109 (kontraktilní systémy, chromatin, ribosomy, enzymové komplexy, biomembrány apod.)↑↑↑↑

biomakromolekuly (biopolymery): Mr 103 až 106(bílkoviny, nukleové kyseliny, polysacharidy a lipidy)

↑↑↑↑stavební jednotky:organické látky o Mr 100 až 350

(nukleotidy, monosacharidy, aminokyseliny, mastné kyseliny)↑↑↑↑

Biopolymery

Bílkoviny: složeny z α-aminokyselin, tvoří 50-80 % sušiny organismů, mají funkce stavební, podpůrné, transportní, katalytické, vysoce specializované funkce (enzymy, hormony, protilátky a další).

Nukleové kyseliny:složeny z nukleotidů, mají funkce skladování, přenosu a zpracování biologické (genetické) informace (DNA a RNA).

Sacharidy: slouží jako zdroj a skladování energie (glykogen, škrob), stavební Sacharidy: slouží jako zdroj a skladování energie (glykogen, škrob), stavební materiál (celulosa, chitin), stavební jednotky NA (D-ribosa a 2-deoxy-D-ribosa).

Lipidy: estery vyšších mastných kyselin a alkoholů nebo jejich derivátů, slouží jako zdroj a zásobná forma energie (triacylglyceroly), stavební prvky biomembrán (polární lipidy).

Konečné produkty a meziprodukty látkové přeměny: aminokyseliny, jednoduché cukry, nukleotidy, vitaminy…

Hlavní úlohy biomolekul v organismu

Stavební:hlavně některé bílkoviny, a anorganické látky, v rostlinné říši je celulosa, pro výstavbu biomembrán polární lipidy.

Provozní:sacharidy, lipidy jako zdroj energie

Zásobní:zásobu energie pro případ pozdější potřeby tvoří např. škrob a tuk v semenech, sacharosa v řepné bulvě, glykogen v živočišném svalu.

Řídící: enzymy, hormony, různé nukleové kyseliny a některé soli

Aminokyseliny - struktura

Fischerovy vzorce

Přírodní aminokyseliny jsou většinou αααα-aminokyseliny, obsahují asymetrický atom uhlík Cαααα (s výjimkou glycinu),

existují ve dvou enantiomerních konfiguracích: D- a L-konfigurace

Fischerovy vzorce

NH3+

C* H

R

OO-

H C* NH3+

R

O-

O

L-aminokyselina D-aminokyselina

Proteinogenní aminokyseliny

NH3+

H

H

OO- Nemá postranní řetězec.

Zaujímá nejmenší prostor - důležité pro budování prostorových struktur bílkovin.Řada strukturních bílkovin (kolageny, bílkoviny hedvábí a vlny) obsahuje významné množství glycinu.

Glycin

Hmnožství glycinu.

• Má rigidní cyklickou strukturu• Dává vznik rigiditě a změně směru ve

kterém se buduje páteř polypeptidového řetězce.

• Má důležitou úlohu při formování prostorových struktur proteinů.

Prolin

H2N+

OO-

NH3+

H

OO-

-CH3 alanin

-CH(CH3)2 valin *

-CH2CH(CH3)2 leucin *

alanin, valin, leucin, isoleucin


R2 3 2

-CH(CH3)CH 2CH3 isoleucin *

-CH2CH2SCH3 methionin *

fenylalanin, tryptofan-CH2C6H5 fenylalanin *

NH

CH2

tryptofan

mají alifatické a aromatické postranní řetězce

zdroj hydrofobních interakcí

NH3+

H

OO-

serin, methionin, cystein, tyrosin-CH2OH serin

-CH(OH)CH3 threonin*

-CH2SH cystein


R-CH2SH cystein

-CH2C6H4-OH tyrosin

Přispívají k hydrofilnímvlastnostem bílkovin.

Uplatňují se v řadě biochemických reakcí díky schopnostem vytvářet vodíkové vazbya také jako nukleofil.

cysteinumožňuje vytváření příčných disulfidových vazeb

R-SH + HS-R→ R-S-S-R

-CH2CONH2 asparagin

asparagina glutamin Jsou neutrální a nereaktivníMohou vytvářet vodíkové vazby.Prostřednictvím asparaginu jsou v


NH3+

H

R

OO-

-CH2CONH2 asparagin

-CH2CH2CONH2 glutamin

Prostřednictvím asparaginu jsou v glykoproteinech často vázány sacharidové složky.Ve volné formě jsou letentní zásobou aminoskupin v organismu

asparagová aglutamová kyselinaMají záporný náboj - zdroj elektrostatických interakcí.


NH3+

H

R

OO-

-CH2COO- asparagová k.

-CH2CH2COO- glutamová k.

interakcí.Ve volné formě se účastní přenosu aminoskupin v organismu.Glutamát působí excitačně na přenos informací mezi nervovými buňkami.

Arginin, lysin, histidin

-(CH2)3NHC=NH2+ arginin*

NH2

je nejsilnější organická base, srovnatelná s basicitou hydroxidu sodného.

obsahuje velmi reaktivní aminoskupinu

NH3+

H

R

OO-Proteinogenní aminokyseliny

-(CH2)4NH3+ lysin*

NH+

NH

CH2 histidin*

obsahuje velmi reaktivní aminoskupinu vázanou na flexibilní čtyřuhlíkatý řetězec. Účastní se velké řady reakcí bílkovin.

má pK postranního řetězce blízké fysiologickému pH. Může proto simultánně přijímat protony i poskytovat je jiným látkám, a tak fungovat jako součást nábojové štafety (angl. Charge relay system). Imidazolový kruh je současně dobrým nukleofilem.

PeptidyPeptidy

Peptidová vazba• V organismu probíhá specifické hydrolytické štěpení peptidových

vazeb určitých aminokyselin působením enzymů.

• V silně kyselém i v alkalickém prostředí se snadno hydrolyticky štěpí, v neutrálním prostředí jsou relativně stálé.

Peptidy - Přírodní peptidy

Rozšířené diRozšířené di-- a tripeptidy:a tripeptidy:

Glutathion (γγγγ-glutamylcysteinylglycin):

Nejznámější a nejrozšířenější

Výskyt: Je přítomen ve většině buněk, prvně byl isolován z droždí (1921).

Funkce: oxidoredukční systém (E0´= -0,25 V):

NHNH

O-

O

NH3+

OSH

O

O-

O

Funkce: oxidoredukční systém (E0´= -0,25 V):

G-SH + HS-G = G-S-S-G + 2 e- + 2 H+

• Chrání volné thiolové skupiny bílkovin, udržuje určitý redoxpotenciál v buňkách, podílí se na detoxikaci volných radikálů a peroxidů.

• Působí v metabolismu a transportu a tvoří reservu thiolových skupin.

• Váže a odstraňuje těžké kovy a organické elektrofilní sloučeniny.


Homony povahy peptidů a bílkovin:

Insulin: reguluje vstup glukosy do svalů a tukových tkání a potlačuje fosforolýzu glykogenu vjátrech. fosforolýzu glykogenu vjátrech.


Homony povahy peptidů a bílkovin:

Insulin: reguluje vstup glukosy do svalů a tukových tkání a potlačuje fosforolýzu glykogenu vjátrech. fosforolýzu glykogenu vjátrech.

Oxytocin: způsobuje kontrakci hladkého svalstva

Vasopresin:zvyšuje krevní tlak působením na artérie a zvýšením

resorpce vody v ledvinách.

HCysSSCysProPro

TyrIleGluAsn

LeuGlyH2

N HCysSSCysProPro

TyrPheGluAsn

ArgGlyH2

N

oxytocin vasopresin


Peptidová antibiotika: antibiotika-látky nejrůznějších struktur.

Peptidová antibiotika obsahují často nekódované aminokyselinyvčetně D-enantiomerů a mají často cyklické struktury.

Jsou proto toxická a resistentní vůči enzymům normálních buněk, např. Jsou proto toxická a resistentní vůči enzymům normálních buněk, např.

peniciliny

S

N

NHR

O

O

CH3

CH3

OO

-

D-valincystein


Peptidové neuromodulátory:Jsou látky modulující účinek chemických přenašečů nervového vzruchu, např. endorfin: tlumí pocit bolesti.

Peptidové zootoxiny a fytotoxiny:neurotoxiny hadů a štírů, jedovaté cyklické peptidy muchomůrky zelené falloidiny a amanitiny.

Nekovalentní (slabé) interakce mezi jednotlivými částmi makromolekuly umožňují vytvářet celkový dostatečně rigidní tvar pro optimální prostorové orientace, ale zároveň dostatečně flexibilní pro dynamické změny konformace v průběhu biochemických reakcí.

Pro popis struktury proteinů proto používáme několik úrovní podle řádu jejich organizace:

Primární struktura:

Struktura protein ů

Primární struktura: úroveň konstituce a konfigurace, je dána pořadím aminokyselin v peptidovém řetězci.

Sekundární struktura: spojování sousedních nebo blízkých monomerních jednotek peptidového řetězce bez ohledu na jeho postranní řetězce nekovalentními vazbami (nejčastěji vodíkovými vazbami) ve pravidelných organizovaných úsecích.

Terciární struktura: sbalení jednotlivých úseků o dané sekundární struktuře v bizardních kompaktních útvarech kombinací různých typů slabých interakcí.

Kvartérní struktura: prostorové uspořádání několika nebo mnoha molekulových podjednotek do symetrického útvaru (molekulový oligomer, nadmolekulová struktura).

Struktura protein ů Kovalentní (primární) struktura protein ů a její určování

Primární struktura proteinů je určena sledem zbytků α-aminokyselin v peptidovém řetězci.

V proteinech se pravidelně vyskytuje jen 20 tzv. proteinogenních (kódovaných) aminokyselin. Proč?

Tento fakt souvisí s mechanismem biosynthesy proteinů. Pro vbudování Tento fakt souvisí s mechanismem biosynthesy proteinů. Pro vbudování (inkorporaci) aminokyselin do molekuly bílkovin jsou nutné specifické mechanismy, které se v průběhu prebiologického vývoje živé hmoty vytvořily a stabilizovaly právě jen pro těchto 20 aminokyselin.

V některých bílkovinách se vyskytují i zbytky jiných aminokyselin, ty však vznikají vždy teprve biochemickou transformací některé z proteinogenních aminokyselin po její inkorporaci do peptidového řetězce.

Proteiny

Svinutí polypeptidového řetězce

Proteiny

Vznik prostorové struktury (svinutí)

1. Všechny informace pro svinování polypeptidovéhořetězce jsou dány primární strukturou.

2. Nativní konformace odpovídá minimu Gibbsovy energie.3. Svinutí je kineticky kontrolovaný mnohostupňový proces již při

proteosyntéze. 4. Svinutí je postupný proces.

1. Vznik pravidelné sekundární struktury2. Vznik supersekundární struktury3. Formování strukturní domény4. Tvorba terciární struktury o maximální stabilitě a maximální

hustotě těsnání (jako v krystalu)

Struktura protein ůProstorová struktura proteinů: Sekundární strukturaSekundární struktura

Stabilizace určité sekundární struktury je vyvolána tvorbou vodíkových vazeb mezi kyslíkem karbonylu a skupinou –NH- peptidového skupinou –NH- peptidového seskupení vzdálenějších částí téhož řetězce nebo různých peptidových řetězců.

Jsou dva základní typy sekundární struktury:

šroubovice (helix)astruktura skládaného listu

Struktura protein ůProstorová struktura proteinů: Sekundární strukturaSekundární struktura

αααα-šroubovice (αααα-helixy):

Chirální pravotočivá α-šroubovice, na jeden závit připadá 3,6 závit připadá 3,6 aminokyselinového zbytku.

Vodíkové vazby jsou v tomto modelu prakticky paralelní s osou šroubovice.

pravotočivý helix 3 / 0,6 nm 3,6 / 0,54 nm 4,4 / 0,52 nm

Struktura protein ů Prostorová struktura proteinů: Sekundární strukturaSekundární struktura

ββββ-struktura (ββββ-hřeben, struktura skládaného listu):vzájemné propojení mezi dvěma peptidovými řetězci probíhajícími paralelně nebo antiparaleně.

Struktura protein ů Typ stavby molekul proteinů – Terciární a kvarterní strukturaTerciární a kvarterní struktura

1) Fibrilární proteiny 2) Globulární proteiny

Struktura protein ů Prostorová struktura fibrilárních proteinů

Makroskopická a molekolová struktura vlasu -

Příklad struktury helixu

Protofibrila α-keratinu se skládá ze dvou páru těsně spojených nadšroubovic (superhelix), které jsou svinuty v (superhelix), které jsou svinuty v levotočivou šroubovici).

αααα-Keratin je bohatý na cysteinové zbytky, které spojují příčnými vazbami sousední polypeptidové řetězce, jsou proto nerozpustné a pevné v ohybu. Disulfidové vazby lze redukčně štěpit a znovu oxidačně obnovit v nové „nakadeřené“ konformaci.

Struktura protein ů Prostorová struktura fibrilárních protein ů

Fibroin z hedvábí - Příklad struktury skládaného listu

Vlákna hedvábí jsou silná, ale pouze mírně

Polypeptidové řetězce fibroinu tvoří antiparalelní β-struktury a jsou souběžné s osou vlákna.

silná, ale pouze mírně roztažitelná

Globulární proteiny obsahují α-helixy i β-struktury.Postranní řetězce jsou rozmístěny v prostoru podle svých polarit.Vnitřek molekul globulárních proteinů je kompaktně uspořádán jako

organické krystaly.Velké polypeptidové řetězce tvoří domény.

Globulární proteiny Globulární proteiny -- Terciární strukturaTerciární struktura

Velké polypeptidové řetězce tvoří domény.

Terciární strukturaTerciární struktura

Větší bílkoviny svinuty do více globulárních shluků - domény.

Velké polypeptidové řetězce tvoří domény.

Většina domén se skládá ze 100 až 200 aminokyselinových zbytků.

Domény jsou strukturně nezávislé jednotky, které mají všechny charaktery malých globulárních proteinů.

Stabilita proteinů: Slabé interakceSlabé interakce

Nativní proteiny za fyziologických podmínek pouze velmi málo stabilní jednotky.

Struktura proteinu je výsledkem jemné rovnováhy mezi slabými (nevazebnými) interakcemi:

1. Elektrostatické síly:

- iontové interakce,

- interakce dipól-dipól (Van der Waalosovy interakce, Londonovy disperzní síly)

2. Vodíkové vazby

3. Hydrofobní interakce

4. Disulfidové vazby

Globulární proteiny Globulární proteiny -- Kvarterní strukturaKvarterní struktura

Mnohé globulární proteiny (většina intracelulárních proteinů) se skládají z několika polypeptidových řetězců. Tyto polypeptidové podjednotky asociují specifickým způsobem.

Prostorové uspořádání podjednotek je známo jako kvartérní struktura.Důvody:•Poruchy lze jednoduše opravit •Poruchy lze jednoduše opravit nahrazením poškozené podjednotky.•Místo výstavby podjednotky může být odlišné od místa stavby konečné struktury.•Genetická informace, nezbytná ke specifikaci celé stavby, jen určuje několik odlišných samopořádacích podjednotek.•V případě enzymů tato struktura umožňuje regulaci jejich aktivity.

Výrazným strukturním rysem je ” komplementarita”uspořádání funkčních skupin na povrchu

Interakce podjednotek

skupin na povrchu podjednotek, umožňující spojení mezi nimi a asociaci do komplexní

stabilní makromolekuly (multimeru).

Proteiny s identickými podjednotkami se nazývají oligomerya tyto identické podjednotkyprotomery.

Symetrie proteinů:• Ve většině oligomerních proteinů jsou protomery

Symetrie proteinů

• Ve většině oligomerních proteinů jsou protomery uspořádány symetricky.

• Proteiny však nemohou mít inverzní nebo zrcadlovou symetrii, protože při takové symetrii se převádějí chirální zbytky řady L na zbytky řady D.

• Proteiny mají proto pouze rotační symetrii:cyklická, di-, tetra-, okta-... edrální, a helikální symetrii.

Cyklická symetrie

Diedrální symetrie

Tetraedrální, oktaedrální, eikosaedrální symetrie

Helikální symetrie

Fyzikálně chemické vlastnostiFyzikálně chemické vlastnostiRozpustnost globulárních proteinů

• Bílkovina obsahuje polární “páteř” peptidových vazeb ⇒ nejsou rozpustné v nepolárních rozpouštědlech.

• Vysoký obsah nepolárních aminokyselinových zbytků však snižuje jejich rozpustnost v polárních rozpouštědlech a umožňuje vazbu na lipidové struktury např. v biologických membránách.

Ve vodě rozpustné bílkoviny:Ve vodě rozpustné bílkoviny:

Albuminy jsou bílkoviny, jejichž polární povrch je silně hydratován, a rozpouštějí se proto ve vodě i v nepřítomnosti jiných látek.

Funkce mobilních rezerv aminokyselin: složky krevní plazmy(sérumalbumin), mléka(laktalbumin), vaječného bílku(ovalbumin) aj.

Globuliny v čisté vodě nerozpouští, a přechází do roztoku teprve v přítomnosti solí.

Elektrochemické vlastnostiElektrochemické vlastnosti

• Bílkoviny jsou amfolyty, jejichž iontová forma závisí na pH.

• Elektrochemické vlastnosti bílkovin závisejí na její konformaci a velmi silně se mění denaturací. velmi silně se mění denaturací.

Izoiontový (izoionický) bod: pH, při němž má bílkovina stejný počet kladných i záporných nábojů v nepřítomnosti solí

Klasifikace bílkovinKlasifikace bílkovin

– Podle fyzikálních vlastností– Podle fyzikálních vlastností

– Podle chemického složení

– Podle biologických funkcí

Klasifikace proteinůKlasifikace proteinůZ fyzikálních hlediska

Klasifikace podle fysikálních vlastností, a to tvar molekuly a rozpustnost.

Podlecelkového hrubého tvarulze rozdělit na bílkoviny

fibrilární (vláknité) a

globulární (sféroproteiny).

Podle rozpustnosti ve vodě můžeme dělit bílkoviny na

nerozpustné(většina fibrilárních bílkovin, zvaných skleroproteiny a globulární bílkovin obilních zrn gluteliny a prolaminy ) a

rozpustné(globulární bílkoviny rozpustné včisté vodě zvané albuminy a silně bazické histony a bílkoviny rozpustné jen ve zředěných roztocích solí, které označujeme jako globuliny).

Klasifikace proteinůZ chemického hlediska

Jednoduché bílkovinyjsou spíše výjimkou.

Složené bílkoviny Podle současných představ jsou nepeptidové složky pravidelnou součástí převážné většiny bílkovin.

Přehled nejb ěžnějších t říd složených bílkovin

Třída Prostetická skupina Příklad

fosfoproteiny fosforylová kaseiny (mléko) vitelin ( žloutek)

nukleoproteiny nukleové kyseliny, nukleotidy

ribozomy, chromatin, viry

lipoproteiny lipidy, cholesterol

lipoproteiny krevního séra, membrán a nervové tkán ě

glykoproteiny sacharidy imunoglobuliny, chrupavky

chemoproteiny barevná hem deriváty riboflavinu

hemoglobin, cytochromy, flavinové enzymy, pigmenty k ůže, vlas ů

metaloproteiny ionty kov ů hemoglobin, transferin, ceruloplasmin, enzym alkoholdehydrogenasa

Klasifikace proteinůZ biologického hlediska

Bílkoviny základního metabolismu.Jsou přítomné ve všech nebo alespoň ve velké skupině organismů a mají přímý význam pro existenci buňky. Patří sem především enzymykatalysující reakce základních metabolických drah a podílející se na procesu kopírování a metabolických drah a podílející se na procesu kopírování a zpracovávání genetické informace, dále strukturní bílkovinycytoskeletonu buněk, chromatinu a biomembrán a různé bílkovinné faktory.

Bílkoviny specialisovaných buněk. Vyskytují se omezeně v některých typech buněk určitých organismů a samy nemají přímý význam pro existenci buněk, které je vyrábějí, ačkoliv mohou mít často životně důležité funkce pro celý organismus.

Biologické funkceBiologické funkceRealizace biologických funkcí proteinů

Přes značnou rozličnost biologických funkcí bílkovin mají tyto funkce mnoho společného:

• Vlastní funkci vesměs zajišťuje jen omezená oblast bílkovinné molekuly nazývaná aktivní centrum. Sestává z jedné nebo několika funkčních domén.funkčních domén.

• Úvodním krokem je vždy těsný kontakt bílkoviny s reakčním partnerem (např. enzymu se substrátem, protilátky s cizorodným agens, signální bílkoviny s receptorem), který většinou vede k jejich vzájemnému spojení serií nekovalentních vazeb; dochází k specifickému rozpoznání.

• Neaktivní část molekuly není pasivní nosič reaktivní oblasti, ale vytváří vhodné prostředí, reguluje aktivitu reaktivní oblasti apod.

Realizace biologických funkcí proteinů

Za základní funkci bílkovin lze označit rozlišování a vazbu jiných látek. Důležitou úlohu přitom většinou mají specifické konformační změny.

Shrnutí významu jednotlivých úrovní molekulové organizace bílkovin pro jejich biologickou aktivitu:

kovalentní struktura prostřednictvím aminokyselinových zbytků, kovalentní struktura prostřednictvím aminokyselinových zbytků, z nichž je případně ze účasti prosthetické skupiny zbudována aktivní oblast molekuly, určuje charakter biologické aktivity;

sekundární a terciální struktura zaručuje specifitu(aktivní oblast se stává dostupnou jen molekulám vhodné struktury);

kvartérní struktura umožňuje vnitromolekulovou regulacibiologické aktivity.

Biologické funkce bílkovin

– Strukturní– Katalytické– Transportní– Zásobní– Zásobní– Pohybové– Ochranné– Signální– Receptorové

Biologické funkceStrukturní proteiny

Funkce: Poskytuje mechanickou oporu buňkám a tkáním.

Příklady:

Kolageny: Jsou hlavní vláknitou složkou kůže, kostí, šlach, chrupavek, cévních stěn a zubů. Dále tvoří kontinuum spojující buňky do tkání a jsou též stavebním zubů. Dále tvoří kontinuum spojující buňky do tkání a jsou též stavebním materiálem některých membrán; jsou proto přítomné prakticky ve všech tkáních a orgánech.

Zahříváním roztoku kolagenu dochází při tepelné denaturaci rozpadu helikální struktury a vzniká želatinas neuspořádanou konformací.

Elastin:Tvoří podstatnou část pružných tkání (stěny artérií, hlasivky, vazy obratlů).

Keratiny : Jsou nejhojněji zastoupenou složkou vnější vrstvy kůže, vlasů, srsti, rohů, peří a nehtů.

Biologické funkceEnzymy

Funkce: Katalýza rozpadu a tvorby kovalentních vazeb.

Živé buňky obsahují tisíce různých enzymů, z nich každý katalyzuje jednu určitou reakci.

1. Oxidoreduktasy:katalyzují přenos atomu vodíku, přenos elektronů, vestavění atomu kyslíku do substrátu.

2. Transferasy: katalyzují přenos skupin (-CH3, -NH2, zbytek glukosyapod.). 3. Hydrolasy: katalyzují hydrolytické štěpení vazby např. amidové, esterové.4. Lyasy: katalysují (energeticky nenáročné) nehydrolické štěpení a vznikvazeb C-C,

C-O, C-N,... bez pomocí dalšího reaktantu. 5. Isomerasy: katalysují vnitromolekulové přesunyatomů a jejich skupin, tedy

vzájemné přeměny isomerů. 6. Ligasy: Katalysují vznik energeticky náročných vazeb s pomocí dalšího reaktantu

uvolňujícího energii, např. ATP.

Biologické funkceTransportní proteiny

Funkce: Přenáší malé molekuly a iont

Příklad:

Hemoglobin: zbudován ze čtyř podjednotek -α2β2

Myoglobin: váže a skladuje kyslík v kosterních svalech.

Hemoglobin a Myoglobin mají rozdílnou funkci –

jiné vazebné schopnosti.

je transportem O2 z plic do tkání, dále i H+ a CO2.

jedna molekula hemoglobinu je schopna vázat čtyři molekuly kyslíku.

Biologické funkceZásobní proteiny

Funkce: skladuje malé molekuly nebo ionty.

Příklady:Bílkoviny skladovací aminokyselin: ovalbumin ve vejcích, kasein

v mléce, legumin v luštěninách, gliadin a zein v obilných zrnech.

Bílkovina ke skladování iontů železa: ferritin ve slezině. Bílkovina ke skladování iontů železa: ferritin ve slezině.

Bílkovina ke skladování kyslíku: myoglobin

Význam bílkovinné makromolekuly pro depotní funkci spočívá v tom, že se při zachování hmotnosti koncentrace depotní látky sníží jeho molekulární koncentraci a tedy i jeho osmotický tlak. Tohoto principu se v živé hmotě užívá obecně pro skladování nízkomolekulárních látek.

Biologické funkcePohybové proteiny

Funkce: Je průvodcem pohybu buněk a tkání.

Příklady: Svalové vlákno obsahuje dvě základní svalové bílkoviny –myosina

aktin , dalšími složkami jsou troponin a tropomyosin.

Proces kontrakce svalu zahrnuje interakci všech těchto čtyř bílkovin za regulace ionty Ca2+.

Tyto speciální skupiny bílkovin vykonávají mechanochemické funkce: přeměňují chemickou energii na mechanickou práci.

Biologické funkceImunoglobuliny a Proteiny s ochrannou funkcí

Imunoglobuliny (protilátky) a imunitní systém: rozeznávají cizorodé struktury od vlastních, zneškodní a vyloučí tyto cizí struktury z organismu a vytvoří imunologické paměti, tj. schopnost urychlené odpovědi při opětovném setkání s danou cizí strukturou.

Funkce ochranné: Např. srážení krve -přeměna fibrinogenu, rozpustné bílkoviny krevní

plasmy, na nerozpustný fibrin.

Poranění organismu vyvolá kaskádovitou aktivaci řady faktorů bílkovinné povahy: aktivace jednoho faktoru katalyzuje aktivaci faktoru následujícího. Účastní se více než 10 různých bílkovin krevní plasmy, vitamin K a ionty Ca2+.

Biologické funkceSignální protein a Receptorový protein

Funkce: Přenáší informační signály z buňky do buňky

Příklady: mnoho hormonů, růstových faktorů, neuromodulátorů jsou proteiny

Signální proteiny

neuromodulátorů jsou proteiny

Funkce: V buňkách deteguje chemické signály (chuťové a vonné látky) a fyzikální signály (fotony elektromagnetického záření) a předává je k zpracování buňce.

Příklad: Rhodopsin v oční sítnici zachycuje světlo

Receptorový proteiny

Enzymy

1. Oxidoreduktasy:katalyzují • přenos atomu vodíku -Transhydrogenasy, Hydrogenasy; • přenos elektronů - Transelektronasy; nebo • vestavění atomu kyslíku do substrátu Oxygenasy. 2. Transferasy:

Realisují přenos skupin(-CH3, -NH2, zbytek glukosyapod.).3. Hydrolasy: 3. Hydrolasy:

Hydrolyticky štěpí vazby, vzniklé kondensací, např. amidové, esterové,… 4. Lyasy:

Katalyzují (energeticky nenáročné) nehydrolické štěpení a vznikvazeb C-C, C-O, C-N,... Provádějí to většinou tak, že odštěpují ze substrátu nebo do něj vnášejímalé molekuly (H2O, CO2, NH3,...) bez pomocí dalšího reaktantu.

5. Isomerasy: Realisují vnitromolekulové přesunyatomů a jejich skupin, tedy vzájemné přeměny isomerů.

6. Ligasy: Katalyzují vznik energeticky náročných vazeb za současného rozkladu látky uvolňující energii, např. ATP.

Složení a molekulární vlastnosti enzymů

Nebílkovinná část: KOFAKTOR

Enzym = bílkovinná část + nebílkovinná část

Prosthetická skupinaje pevně vázánana bílkovinnou složku jako stabilní součást molekuly

Koenzyms bílkovinnou složkou vázán jen slabě a může se od ní lehce oddělovat (disociovat). Apoenzym + koenzym = holoenzym

Koenzym a prosthetická skupina se však odlišují ve způsobu regenerace, tj. přechodu do původního stavu po splnění katalytické funkce.

Chemie kofaktorůPřehled vitaminů a jejich koenzymových foremPřehled vitaminů a jejich koenzymových forem

Název (symbol)Thiamin (B1)

Riboflavin (B2)

Kyselina nikotinová(resp. Nikotinamid)

Kyselina pantothenová

Koenzymová nebo aktivní formaThiamindifosfát (TPP)Flavinmononukleotid (FMN)Flavinadenindinukleotid (FAD)Nikotinamidadenindinukleotid (NAD)Nikotinamidadenindinukleotidfosfát (NADP)Koenzym A (CoA)Kyselina pantothenová

Kyselina listová (folát)Pyridoxin (B6)

Kyanokobalalamin (B12)Kyselina askorbová (C)

Biotin (H)Kyselina lipoová

Vitaminy A (karotenoidy)Vitaminy D (kalciferoly)

Koenzym A (CoA)Tetrahydrofolát (FH4)Pyridoxalfosfát (PALP)Koenzym B12Není přesně známaBiocytinLipoyllysin

11-cis-retinal1,25-dihydroxycholekalciferol

Enzymové bílkoviny

Bílkovinná část: Enzymové bílkoviny• monomerní, tvořené jediným peptidovým řetězcem,

Enzym = bílkovinná část + nebílkovinná část

• monomerní, tvořené jediným peptidovým řetězcem, • oligomerní, složené z několika podjednotek, • multienzymové komplexy, tvořené několika molekulami různých

enzymů.

Domény v jednotlivých peptidových řetězcích mají specifickou funkci: katalytická, regulační, kooperativní.

Enzymové bílkoviny -Aktivní centrum enzymůAktivní centrum enzymů

Aktivní centrum enzymů oblast, kde se váží substráty a kofaktory.

Typy interakcí:•Vodíkovéa iontovévazby (nukleofilní a bazické katalýsy),•Kovalentní vazba(kovalentní katalýsa).

Katalytické skupiny:

•kovové ionty fungují jako elektrofilní činidla.

Katalytické skupiny: zbytky aminokyselin, podílející se na tvorbě a štěpení vazeb.

•karboxylové skupiny,•hydroxylová skupina, •thiolová skupina, •imidazolový kruh histidinu.

Tyto skupiny se účastnínukleofilníabazické katalýsy.

•aminoskupinalysinu tvoří Schiffovu basi s oxoskupinou- kovalentní katalýsa.

Specificita enzymové katalýzy

Specifita účinku Enzym sníží aktivační energii jen u jediné reakce z četných

termodynamicky možných reakcí.

COOH-OOC

H

H

H

H

H

NH2L-glutamát

glutamátdehydrogenasa (NADP+) glutamátdekarboxylasa (PALP)

Substrátová specifitaSubstrát v aktivním centru je vázán ve třech bodech a přesně orientován, tím je substrátová specifita zajišťována na třech úrovních: strukturní specifita , regiospecifitaa stereospecifita.

L-glutamát

glutamátaminotransferasa (PALP)

COOH-OOC

H

H

H

H

O

+ pyridoxamin-5-fosfát

glutamátdehydrogenasa (NADP+)

COOH-OOC

H

H

H

H

O

+ NADPH + NH4+

glutamátdekarboxylasa (PALP)

COOHH2C

H

H

H

HNH2

CO2 +

Mechanismus katalytického působení enzymů

Teorie aktivovaného komplexu:E + S = ES# = ES = EX# = EP = EP# = E + P

S

E-S#

E-S

E-X#

E-P

E-P#

P

Ea

E [kJ]

Arrheniova rovnice: k = A . exp (-Ea/RT)

Hypotéza zámku a klíče - Fischer (1894) reakèní koordináta

Hypotéza indukovaného přizpůsobení -Koshland (1959)

E

A

B

CS

ES

Hypotéza zámku a klíče - Fischer (1894)

Rentgenová analýza ukázala, že vazebná místa většiny enzymů jsou z větší části vytvořena předem, ale že vazba substrátu u nich navozuje určitou strukturní úpravu

Enzymová kinetika - Reakce s jedním substrátem (Reakce s jedním substrátem (11))

počáteční celková rychlost: v = d [P]/dt = k+2[ES]

S + E ES P + Ek+1

k-1

k+2

Lze vyjádřit formální rovnicí:

Biologické objekty jsou otevřené systémy s konstantním vnitřním prostředím: je v nich setrvalý (stacionární) stav- časově se neměnící složení a konstantnost fysikálních vlastností.

v = d [P]/dt = k+2[ES]rychlosti dílčích reakcí:-d[S]/dt = k+1[S].[E] – k-1[ES]; d[ES]/dt = k+1[S].[E] – (k-1 + k+2)[ES];d[E]/dt = -k+1[S].[E] + (k-1 + k+2)[ES]celková koncentrace enzymu:[E]0 = [E] + [ES]Za podmínky stacionárního stavu (d[ES]/dt = 0)

platí: k+1[S].[E] = k+1[S].([E]0 – [ES]) = (k-1 + k+2)[ES]; [ES] = k+1[S].[E]0/( k+1[S] + k-1 + k+2)

v = k+2[E]0[S]/{ (k-1 + k+2 )/k+1 + [S]}

Mezní (limitní) rychlostiV = k+2[E]0 a Michaelisa konstantaKM = (k-1 + k+2)/k+1

v = V[S]/( KM + [S]) rovnice Michaelise a Mentenové

Enzymová kinetika - Reakce s jedním substrátem (2)Reakce s jedním substrátem (2)

rovnice Michaelise a Mentenovv = V[S]/( KM + [S]) ⇒⇒⇒⇒ 1/v = (KM/V)(1/[S]) + 1/V

Mezní (limitní) rychlostiV = k+2[E]0 a Michaelisa konstantaKM = (k-1 + k+2)/k+1

Faktory odpovědné za vysokou účinnost a Faktory odpovědné za vysokou účinnost a specifityspecifity enzymové katalýzyenzymové katalýzy

� Schopnost enzymů přivést molekuly substrátů do potřebné blízkosti

� Vhodná orientace substrátu na molekule enzymu

� Přechodná tvorba kovalentních vazeb mezi substrátem a enzymem

� Aktivní centrum může deformovat nebo polarizovat vazby v substrátech a činit je aktivnější

� Aktivní centrum vytvoří specifické „mikroprostředí“ se značně odlišnými fyzikálními vlastnostmi vodného media

� Faktor časový - doby existence aktivovaného komplexu enzym-substrát.Čím déle bude tento komplex existovat, tím více se ho rozloží na produkt.

Fyzikálně chemické faktory ovlivňující EA (1)

Vliv teploty: Teplota ovlivňuje

Rychlost enzymových reakcí vzrůstá s rostoucí teplotou: k = A . exp (-Ea/RT)

rozpustnost kyslíkunezbytného pro oxidační reakce apod.

stabilitu enzymu, ionizaci funkčních skupin,

afinitu enzymu k substrátu, rychlost štěpení ES komplexu, pH pufrů,

Log k

1/TTeplotní optimum

Maximum této závislosti se nazývá optimální teplota enzymu.

a

však současně dochází k inaktivaci enzymuv důsledku denaturacejeho bílkovinné části a příp. i odštěpení kofaktoru.

Fyzikálně chemické faktory ovlivňující EA (2)

Vliv pH: Aktivita enzymů vymezena poměrně úzkou oblastí pH. Při extrémních hodnotách pH dochází k

• ireverzibilním změnám struktury enzymové bílkoviny,

• ionizace substrátů může způsobit jejich disociaci,

• disociaci vazebných skupinenzymu a katalytickou reakci.• disociaci vazebných skupinenzymu a katalytickou reakci.

Hodnota pH s maximem enzymové aktivity bývá označována jakopH-optimum.

7 8 9

aktivita

pHpH-optimum

Látky ovliv ňující EA - Inhibice a aktivace enzymových reakcí

aktivátory zvyšují aktivitukationty kovů s protonovým číslem od 11 do 30

nukleotidy, organické fosfáty

inhibitory snižují účinek enzymurůzné anorganické a organické sloučeniny, ionty

mají afinitu k některé komponentě enzymové reakce

Efektory nebo modifikátory.Látky ovlivňují katalytickou účinnost enzymů

InhibiceIreversibilní inhibitory blokují nevratně enzymovou aktivitu tím, že vytvářejí s enzymem velmi pevný komplex enzym-inhibitor (EI).

Reversibilní inhibitory inhibitor rychle a reversibilně váže na enzym nebo na komplex enzym-substrát.

Ireversibilní inhibitory Reversibilní inhibitory

Látky ovliv ňující EA - Inhibice a aktivace enzymových reakcí

aktivátory zvyšují aktivitukationty kovů s protonovým číslem od 11 do 30

nukleotidy, organické fosfáty

inhibitory snižují účinek enzymurůzné anorganické a organické sloučeniny, ionty

mají afinitu k některé komponentě enzymové reakce

Efektory nebo modifikátory.Látky ovlivňují katalytickou účinnost enzymů

Aktivace• Aktivátory : přispívají ke katalytické účinnosti enzymu, aniž se

jakkoli účastní vlastní reakce. • Modifikací kovalentní struktury bílkovin : např. proteolytickým

odštěpením blokující peptidové sekvence z neaktivního proenzymu.

Ireversibilní inhibitory Reversibilní inhibitory

Regulace enzymové aktivity

Regulace enzymově katalysovaných reakcí může probíhat v prostoru i čase.

Regulace kompartmentací enzymů:Spojení do multienzymových komplexů,Lokalizacev různých kompartmentech buňky (organelách, cytoplazmě),Lokalizacev různých kompartmentech buňky (organelách, cytoplazmě),Vázání v membránách organel nebo membráně cytoplasmatické.

Přímá regulace enzymové aktivity:Řízení jednotlivé metabolické dráhy tzv. regulačními enzymyRegulace rychlostí metabolických pochodů je zajišťována právě regulací aktivity těchto enzymů a to allosterickou regulací,

kovalentní regulací, regulací pomocí energetického náboje

Chemická energie a Gibbsova energie

Biologické objekty jsou otevřené systémy⇒ může se vytvořit setrvalý (stacionární) stav, charakterisovaný časově se neměnícím složením a konstantností fysikálních vlastností.

Při chemických reakcích za podmínekkonstantního tlaku a teplotylze Energetické změny kvantitativně charakterisovat změnou Energetické změny kvantitativně charakterisovat změnou enthalpie (∆∆∆∆H) a Gibbsovy energie (∆∆∆∆G).

∆∆∆∆H: udává celkovou energetickou změnu při přechodu z výchozího do konečného stavu a představuje reakční teplo při konstantním tlaku. Teplo získané z biochemických reakcí má význam pro udržení konstantní tělesné teploty, která je podmínkou života u vyšších organismů, nelze je však využít pro jiné životní funkce.

∆∆∆∆G = ∆∆∆∆H – T∆∆∆∆S: představuje maximální množství práce, které lze při této reakci získat. Výraz T∆S udává minimální množství tepla, které musí při dané teplotě (T) při reakci vzniknout i při jejím nejdokonaleji reversibilním provedení.


∆∆∆∆G = RT lncP

p.cQq

cAa.cB

b– RT ln

[P]p.[Q]q

[A] a.[B]b

aA + bB = pP + qQvan´t Hoffova rovnice:

Pro počáteční koncentrace všech složek reakce rovné jedné platí:Pro počáteční koncentrace všech složek reakce rovné jedné platí:

∆G0 = -RT ln K.Tento vztah platí i pro biochemické reakce; pokud se jich však účastní i vodíkové ionty, musela by podle definice být i jejich výchozí koncentrace rovna jedné, tj. pH = 0. Tato podmínka je, vzhledem k nutnosti enzymové katalýsy biochemických reakcí, nereálná.

Pro standardní změnu Gibbsovy energie při biochemické reakcise užívá místo veličiny ∆G0 velčina ∆∆∆∆G´, která platí pro výchozí pH = 7. Při T = 298 K platí: ∆G´ = - 8,341 . 10-3 . 298 . 2,3 log K

∆∆∆∆G´ = - 5,706 log K


∆∆∆∆G´ < 0 exergonické reakce ∆∆∆∆G´ > 0 endergonické reakce

Endergonické reakce jsou spřaženys exergonickými reakcemi.Podmínkou úspěšnosti tohoto spřažení je, aby absolutní hodnota ∆G

exergonické reakce byla větší než reakce endergonické a aby obě reakce měly společný meziprodukt. reakce měly společný meziprodukt.

Spřažené reakce:Exergonická reakce A + X → B + XX ∆G1 < 0Endergonická reakce C + XX → D + X ∆G2 > 0

∆G1 > ∆G2

Energie se přenáší z exergonické do endergonické reakce přenašečem energie

Universální přenašeč energie Universální přenašeč energie –– ATPATP

Adenosintrifosfát (ATP)

∆∆∆∆G´ hydrolysy ATP při 37°C, pH 7, za přítomnosti Mg2+

NN

NN

NH2

OCH2OP

O

O-

P

O

O

O-

O-

O-

O

O

P

ATP + H2O = ADP + Pi + H+ ∆∆∆∆G´ = - 33 kJ.mol-1

ATP + H2O = AMP + PPi + H+ ∆∆∆∆G´ = - 33 kJ.mol-1

ATP + 2 H2O = AMP + 2 Pi + 2 H+ ∆∆∆∆G´ = - 66 kJ.mol-1

∆∆∆∆G´ je často používáno jako jednotka metabolické energie Vysoká hodnota ∆G´ hydrolysy ATP je připisována především poklesu elektrostatické odpudivostiv molekulách produktů hydrolysy a dále existenci anorganického fosfátu v řadě resonančních foremo podobné energii. Produkty štěpení jsou proto termodynamicky stabilnější, takže mají nižší obsah Gibbsovy energie než molekula makroergické sloučeniny.

OHOH


Čerpání energie z molekul ATP:

Prostřednictvím zbytků molekuly ATP přenáší část její energie i na substráty, čímž se zvýší jejich chemická energie; určitý podíl energie se přitom ovšem vždy znehodnotí jako neužitečné teplo.přitom ovšem vždy znehodnotí jako neužitečné teplo.

O

OHH

HH

OHOH

H OH

H

OH

O

OHH

HH

OHOH

H OH

H

O(P)ATP ADP

hexokinasa


Čerpání energie z molekul ATP:

Prostřednictvím zbytků molekuly ATP přenáší část její energie i na substráty, čímž se zvýší jejich chemická energie; určitý podíl energie se přitom ovšem vždy znehodnotí jako neužitečné teplo.přitom ovšem vždy znehodnotí jako neužitečné teplo.

Ukládání energie do molekul ATP:

Substrátovou fosforylace: ADP + M-P = ATP + M; ADP + Pi + M-X = ATP + M + X

Oxidační fosforylace, fotofosforylace:fosforylace spřažená s oxidací

Aerobní respirace a Oxidační fosforylace�Aerobní respirace tvoří terminální fázi katabolismu. Tento

metabolický děj spočívá v přenosu elektronů, odebraných organickým substrátům (NADH a sukcinátu) na molekulární kyslík - terminální akceptor elektronů.

�Elektrony při aerobní respiraci se předávají prostřednictvím dýchacího řetězce, složeného z oxidoreduktas, lokalizovaného v buněčných řetězce, složeného z oxidoreduktas, lokalizovaného v buněčných organelách mitochondriích.

�Oxidace a fosforylace jsou těsně spřaženy v dobře fungující mitochondrii: přenos elektronů dochází jen v případě, že ADP je fosforylován. Pokud v reakční směsi není přítomen žádný ADP, mitochondrie se nachází v klidovém stavu a rychlost spotřeby O2 je minimální.

�Fosforylace takto spojena s oxidací se označuje jako aerobní (oxidační) fosforylace.

COO-

CH2

COO-

HOH

COO-

CH2

COO-

OH+

+

+

+

N+

NH2

O

OOO

-

O

P N

NH2

O

OOO

-

O

P

HH

redukovaný substrát oxidovaný substrát

NAD+ NADH

Princip biologických oxidoredukcí

redukovaný substrát + NAD+ → oxidovaný substrát + NADH + H+

O

N

H

OH

H

OHH

O

O

O-

O

P

OH

OH

H

OH

H

N

N N

NH2

O

N

H

OH

H

OHH

O

O

O-

O

P

OH

OH

H

OH

H

N

N N

NH2

NAD NADH


Nernst Peters: ΕΕΕΕ = E0Ox,Red-

RTzF

lnaRedaOx

Ox + z e = Red

Ox + Red = Red + OxOx1 + Red2 = Red1 + Ox2

Při rovnováze platí: K = aRed1aOx2 / aOx1aRed2

E1 = E2

⇒ -RT lnK = (E02 - E0

1) zFTedy ∆G0 = -RT lnK = (E0

2 - E01) zF

pro pH = 7 platí ∆∆∆∆G´ = (E0´2 - E0´1) zF


Probíhá-li oxidace NADH + H+ + ½ O2 = NAD+ + H2O

E2°´ NAD+,NADH = -0,32 V; E1°´O,O2- = +0,81 V

∆∆∆∆G´ = (E0´2 - E0´

1) zF = -218 kJ⇒ je možno získat teoreticky 7 molekul ATP.

Ve skutečnosti nelze využít veškerou uvolněnou energii, takže oxidací 1 molekuly NADH molekulárním kyslíkem lze získat maximálně 3 molekuly ATP.NADH molekulárním kyslíkem lze získat maximálně 3 molekuly ATP.

Lehningerova rovnice

NADH + H+ + ½ O2 + 3 ADP + 3 Pi = NAD+ + 3 ATP + 4 H2O

Přenos vodíku z NADH na elementární kyslík probíhá stupňovitě „štafetou“ v dýchacím (respiračním) řetězci.

Struktura mitochondrie

Vnit řní membrána absolutně nepropustná pro NAD+, NADH, NADP+, NADPH a koenzym A a jeho acylderiváty. Obsahuje všechny složky

Mezimembránový prostorobsahuje především nukleosidkinasy, např. ATP + AMP = 2 ADP a nukleosiddifosfátkinasu:ATP + NDP = ADP + NTP

Obsahuje všechny složky dýchacího řetězce(flavoproteiny, FeS-proteiny, cytochromy a, a3, b, c) a ubichinon dále adenosintrifosfatasu.

Matrix obsahuje rozpustné enzymy citrátového cyklu, enzymy procesu ββββ-oxidace mastných kyselina systém proteosynthetických enzymů.

Dýchací řetězecje složen z oxidoreduktas, uspořádaných do

čtyř kotvenýchenzymových komplexů (I –IV ) amobilních přenasečů (CoQ a cytochrom c):

Komplex I NADH:ubichinon-oxidoreduktasakatalysuje redukci semichinoidní formy ubichinonu na ubichinol.

NADH + H+ + 2 UQH⋅⋅⋅⋅ = NAD+ + 2 UQH2

Komplex II sukcinát:ubichinon-oxidoreduktasakatalysuje reakci:Komplex II sukcinát:ubichinon-oxidoreduktasakatalysuje reakci:-OOC-CH2-CH2-COO- + UQ = -OOC-CH=CH-COO- + UQH2

Komplex III ubichinol:cytochrom c-oxidoreduktasa2 UQH2 + 2 cytochrom c Fe3+ → 2 cytochrom c Fe2+ + 2 UQH⋅ + 2 H+

Komplex IV ferrocytochromc:kyslík-oxidoredutasa4 cytochrom c Fe2+ + O2 = 4 cytochrom c Fe3+ + 2 O2-

Dýchací (respirační) řetězec

Součinností komplexů I, III a IV se přenášejí dva elektrony NADH na kyslík za současného transportu šesti H+ z matrix do mezimembránového prostoru mitochondrie.

Přenos dvou elektronů ze sukcinátu na O2, realisovaný součinností komplexů II, III, a IV, vede k přenosu pouze čtyř H+ přes vnitřní mitochondriální membránu. Nižší produkce osmotické práce z oxidace sukcinátu proti NADH odpovídá dobře rozdílům v E0´obou redox systémů.

Komplex V: ATP-synthasakatalysuje reakci:ADP + Pi = ATP + H2O ∆G´= +30,5 kJ . mol-1

ATP-synthasa využije transmembránový gradient koncentrace H+, vzniklý přenosem elektronů ze substrátů dýchacího řetězce (NADH a sukcinátu) jako zdroj energie.

Aerobní (oxidační) fosforylaceHypotézy energetického spřažení:

1. Chemická hypotéza (Edward Slater, 1953)

2. Chemiosmotická hypotéza (Peter Mitchell 1961)

3. Konformační hypotéza (Paul Boyer 1964)

Vychází z několika základních předpokladů:

1- Funkce oxidoredukčních složek membrány je prostorově směrována (napříč membránou jedním směrem);

2- V dýchacím řetězci se kombinují systémy, které přenášejí pouze elektrony (např. Fe2+

→ Fe3+ + e-), a systémy, v nichž je přenos elektronů kombinován s přenosem protonů (např. FADH2 → FAD + 2 e- + 2 H+).

Chemiosmotická teorie

(např. FADH2 → FAD + 2 e- + 2 H ).

3- Výsledkem je přeměna ∆G´ oxidoredukčních reakcí na osmotickou práci (přenos H+

z místa nižší koncentrace do místa vyšší koncentrace). Jak vytvořený gradient pH, tak membránový potenciál (∆Ψ) působí na protony tzv. protonmotorickou sílu a „táhnou“ je zpět

PMF = ∆Ψ + RT/nF . ∆ln[H+] = ∆Ψ – 2,3RT/nF . ∆pH

4- Když rozdíl elektrochemického potenciálu protonů je větší než změna Gibbsovy energie hydrolysy ATP, obrátí se při řízeném zpětném přechodu H+ přes membránu činnost adenosintrifosfatasy (ATP-asy) a nastává synthesa ATP, a tak se osmotická práce mění znovu na chemickou energii tím, že je tento pochod spojen s tvorbou ATP z ADP a anorganického fosfátu ADP + Pi + H+ = ATP + H2O.

Mechanismus syntézy ATP

ATP-synthasa je poháněna konformačními změnami:

Průchod 2 až 3 protonů kanálem vede na katalytické složce k synthese ATP z ADP a Pi. Reakce zahrnuje tři kroky:

1. Vazba ADP a Pi k volně vázajícímu místu L

ATP-synthasa je protein složený z mnoha podjednotek:

1. Vazba ADP a Pi k volně vázajícímu místu L

2. Konformační změna mění L-místo na T-místo a katalyzuje tvorbu ATP.

3. K syntéze ATP dochází na T-místě, zatímco ATP disociuje z O-místa na jiné podjednotce.

Sacharidy

Největší zastoupení v živé přírodě z kvantitativního hlediska.

Vyskytují se v každé buňce.

Funkce:- důležitý a lehko dostupný zdroj energie(např. glukosa)- důležitý a lehko dostupný zdroj energie(např. glukosa)

- stavebnísložky buněk a tkání (celulosa a chitin)

- zásobnílátky (glykogen, škrob)

- složkynukleotidů a jiných účinných látek (kofaktory enzymů, glykoproteiny, antibiotika)

- prekursory lipidů, aminokyselin, kyseliny askorbové a jiných významných složek živých soustav.

SacharidyRozdělení Název diagramu

Monosacharidy glykosidy

Rozdělení sacharidů

podle počtu uhlíkůtriosy, tetrosy, pentosy, hexosy, heptosy, nonosy

podle funkčních skupinaldosy, ketosy

deriváty monosacharidů

oligosacharidydo 10 jednotek

homopolysacharidy

heteropolysacharidy

polysacharidy

složené sacharidy a heteroglykosidy

SacharidyMonosacharidy -strukturastruktura

Stavba molekuly: alifatický uhlíkový řetězec, obsahující jednu karbonylovou skupinuC=O a hydroxylové skupiny OH na všech ostatních atomech uhlíku.

O OHO OH

D-glukosa D-fruktosa

OH

OH

OH

OH

O

OH

OH

OH

OH

OH

OH

O

1 1

2

3

4

5

6

2

3

4

5

6

OH

O

H OH

OH H

H OH

H OH

OH

OH H

H OH

H OH

OH

O

Aldosa: karbonylová skupina na primárním atomu uhlíku

Ketosa:karbonylová skupina na sekundárním atomu uhlíku

SacharidyMonosacharidy -nomenklaturanomenklatura

O

H OH

OH

O

OH

OHD-glyceraldehyd didydroaceton

(glyceron) Grn(glyceral) Gra

aldotriosa a ketotriosa (C3) aldotetrosy (C4)O

OH

H OH

H OH

OH

O

OH H

H OH

(glyceron) Grn(glyceral) Gra

OH

O

H OH

H OH

H OH

D-ribosaOH

O

H OH

OH H

H OH

D-xylosaOH

O

OH H

H OH

H OH

D-arabinosa

aldopentosy (C5) ketopentosy (C5)

OH OHD-erythrosa D-threosa

OH

H OH

H OH

O

OH

D-ribuosaOH

OH H

H OH

O

OH

D-xylulosa

SacharidyMonosacharidy -Fischerovy a Haworthovy vzorceFischerovy a Haworthovy vzorce

OH

H H

OH

14

5

6O H

OHHOH

H

OHOH

14

56

α

pětičlenný cyklus (furanosa) šestičlenný cyklus (pyranosa).

O

H OH

OH H

H OH

H OH

H

OH

H OH

OH H

H OH

H

H O

OH

OHD-glukosa

1

2

3

4

5

6

1

56

4

3

2

OHH

H

OHOH

H OHα-D-glukopyranosa

1

23

4

α

O OH

HH

OHH

OHH

OHOH

β-D-glukofuranosa

β O

HH

HH

OHOH

H OH

OH

OH

β-D-glukopyranosa

β

O

H OH

OH H

H OH

H

OH OH

1

56 4

3

2

OH

OHH

H23

α-D-glukofuranosa

α

SacharidyMonosacharidy -MutarotaceMutarotace

OH

H H

OH

OH

H OH

OHβ

H OH

OH H

OH

OHH

H

OHOH

H OH

α-D-glukopyranosa

α HH

H

OHOH

H OH

β-D-glukopyranosaCH2OH

OH H

H OH

H OH

D-glukosa

SacharidyMonosacharidy -derivátyderiváty

Alditoly, polyoly ( –itol):

O

H OH

OH H

OH

H OH

OH H

OH

OH H

H OH

H OH

OH

OH H

H OH

H OH

D-glukosa D-glucitol

redukce

Jsou většinou metabolicky inertní pro živočichy a rostliny, proto se např. D-glucitol (sorbit) užívá jako neenergické sladidlo pro diabetiky.

SacharidyMonosacharidy -deriváty deriváty

Alduronové kyseliny(-uronát):

OOHO

OOH

Aldarové kyseliny (-arát):

Aldonové kyseliny (-onát):

OH

H OH

OH H

H OH

H OH

kyselina D-glukonová OH

O

H OH

OH H

H OH

H OH

O kyselina D-glukuronová

O

OHH

HH

OHOH

H OH

H

OOH

OH

H OH

OH H

H OH

H OH

O

kyselina D-glukarová


Fosforečné estery

O

OH

HH

OHOH

H

OH

O-

O

P

1

O

OH

H

OH

OH

HH

O OH

O-

O-

O

P 6

D-fruktosa-6-fosfátOOH

H OH

O-

O-

P

D-glukosa-1-fosfát

D-fruktosa-6-fosfát

O

OHH

HH

OHOH

H OH

H

O

O-

O-

O P

6

D-glukosa-6-fosfát

O

OH

H

OH

OH

HH

O O

O-

O-

O

P O-

O-

O

P16

D-fruktosa-1, 6-bisfosfát


DeoxymonosacharidyNapř. 2-deoxy-D-ribosa-

základní složka DNA.

O H

OHH

H

H

OH

H

OH

2-deoxy-D-ribosa2-deoxy-D-ribosa

O

OHH

HH

OHOH

H NH2

H

OH

O

OHH

HH

OHOH

H NHCOCH3

H

OH

D-glukosamin N-acetyl-D-glukosamin

Aminomonosacharidy (deoxyaminosacharidy).

SacharidyGlykosidy - glykosidová vazba

Glykosidy lze odvodit reakcí poloacetalové hydroxylové skupiny s jinou molekulou za odštěpení vody.

Tato acetalová vazba se označuje jako glykosidová vazba.

O

OH

O

OH

H A

R

O

AOHOH

OH R

O

OHOHOH

OH

A = O: O-glykosid; A = N: N-glykosid ; A = S:S-glykosid

R = sacharid ⇒ oligomery a polymery sacharidů, tj. homoglykosidyR = nesacharidová molekula (aglykon) ⇒ heteroglykosidy.

SacharidyGlykosidy - oligosacharidy

Disacharidy:

Maltosa[α-D-Glc-(1→4)-D-Glc]: O

OH

OHO

OH

O

OHOH

OH

OH

OH

1α2

3

4

5

6

1α2

3

45

6

OH OH

O

OHOH

OH

O

OH

O OHOH

OH

OH

1β2

3

45

6

1β2

3

4

5

6

Cellobiosa[β-D-Glc-(1→4)-D-Glc]:


Disacharidy:Laktosa[β-D-Gal-(1→4)-D-Glc]:

O

OH6

1β23

4 5

6

1α2

3

456 O

OHOHOH

O

OHO

OH

OH

OH

OH

OOH

OH

OH

O

OH

O

OHOH

OH

12

3

4 5

1β2

3

4

5

6α


Sacharosa[α-D-Glc-(1→2)-β-D-Fru]:O

OHOH

CH3

OH

OO

OH

OH

5

6

1α

2β

234

5

6

O

OOHOH

OH

OH

OOH

OHCH3

OH1

3 4

5

6

1α 2β2

3

45

6

OOH

OH OH134

5 2β

SacharidyGlykosidy - reservní polysacharidy

Škrob: Je směsí αααα- amylosy(asi 20 %) a amylopektinu (asi 80 %).

αααα-Amylosa je lineární polymer, hexikálně svinutý, ve vodě rozpustný.

O

OH

OH

O

OH

OH

O

OH

OH

O

OH

OH

O

OH

OH

O

OH

OH

1α41α 1α41α4 1α41α4OH

OHO OOH

OH

OH

OH

OHO O

OH

OH

OH

OHO OH

OH

OH

1α1α 1α1α4 1α1α4

O

O

O

O

OO

O

O

O

O

OO

O

O

OH

OHO


Amylopektin vazba α(1→4), větvená molekula s vazbou αααα(1→→→→6) přibližně vždy po 20 až 30 glukosových jednotkách.

n

n n

O

OH

HH

O

OH

H OH

H

OH

O

HH

H

OOH

H OH

H

OH

O

HH

H

OHOH

H OH

H

OH

O

O

HH

H

OOH

H OH

H

OH

O

O

HH

H

OHOH

H OH

H O

HH

H

OH

H OH

H

OH

O

OH

HH

OH

OH

H OH

H

OH

O

OHH

HH

O

OH

H OH

H

OH

O

HH

H

O

OH

H OH

H

OH

O

HH

H

O

OH

H OH

HO

HH

H

O

OH

H OH

H

OH

O

HH

H

O

OH

H OH

HO

HH

H

O

OH

H OH

H

OH

O

HH

H

OOH

H OH

H

OH

O

HH

H

OOH

H OH

H

OH

O

OH

HH

OHOH

H OH

H

OH

O

HH

H

OH

H OH

H

OH


O

OH

HH

O

OH

H OH

H

OH

O

HH

H

OOH

H OH

H

OH

O

HH

H

OHOH

H OH

H

OH

OHOH OH

Glykogen: větvení po 12 glukosových jednotkách

Podobně jako Amylopektin obsahují i glykogen malé množství vázané kyseliny fosforečné.

n

n n

H OH

O

O

HH

H

OOH

H OH

HO

O

HH

H

OHOH

H OH

H O

HH

H

OH

H OH

H O

OH

HH

OH

OH

H OH

H

O

OHH

HH

O

OH

H OH

H

OH

O

HH

H

O

OH

H OH

H

OH

O

HH

H

O

OH

H OH

HO

HH

H

O

OH

H OH

H

OH

O

HH

H

O

OH

H OH

HO

HH

H

O

OH

H OH

H

OH

O

HH

H

OOH

H OH

H

OH

O

HH

H

OOH

H OH

H

OH

O

OH

HH

OHOH

H OH

H

OH

O

HH

H

OH

H OH

H

OH

SacharidyGlykosidy - stavební polysacharidy

O

O

OH

OH

O

OH

O OHOH

OH

OH

O

OH

1β4

1β4

Celulosaje lineární polymer tvarunataženého pásuobsahující 1 400 až 15 000 zbytků D-glukosy spojených β(1→4) glykosidovými OH

O

O

OH

OH

O

OH

O

OH

OH

O

OHOH

OH

O

OH

O

OH

OH

OH

1β4

1β4

1β4

1β4

β(1→4) glykosidovými vazbami.

SacharidyGlykosidy - Heteroglykosidy

Heteroglykosidy jsou zvláštním případem složených sacharidů.

H A

O

AOHOH

OH

R

O

OHOHOH

OH

R OH ROH

Aglykonem může být alkohol, amin, thiolnebo karboxylová kyselina.

Heteroglykosidy mají často výrazný fysiologický účinek, a jsou součástí rostlinných drog, antibiotik, barviv. Glykosidová vazba se snadno hydrolyticky štěpí specifickými enzymy.

Univerzálně rozšířené jsou N-glykosidy purinových a pyrimidinových basí (nukleosidy).

SacharidyGlykosidy - Heteroglykosidy

Nukleosidysloženy z β-D-ribosy resp. deoxyribosy a nukleových bází.

Obáze

H

OH

H

OH

H

OH

Obáze

HHH

O

O-

O

O

P

O-

O-

O

P

n

Obáze

H

OH

H

O

OH

O

-

O POHOH

OHOHH

nukleosidnukleotid (n = 0, 1, 2)

OHOO

-

3´,5´-cyklický nukleotid

Nukleotidy jsou fosforečné estery nukleosidů, mají řadu funkcí:ƒ stavební jednotka nukleových kyselinƒ přenašeči energie, aktivují meziprodukty v řadě biosynthesƒ součástí důležitých kofaktorů enzymů – NAD(P)+, FAD aCoAƒ cyklické purinové nukleotidy (cAMP, cGMP) jsou regulátory metabolismu a neuromodulátory.

Metabolismus sacharidů

• Odbourávání oligosacharidů a polysacharidů

• Odbourávání monosacharidů - Glykolýza • Odbourávání monosacharidů - Glykolýza

• Oxidační dekarboxylace. Alkoholové kvašení. Mléčné kvašení

• Citrátový cyklus

Metabolismus sacharidůOdbourávání oligosacharidů a polysacharidů - HydrHydrololýzaýza

Podstatnou složku potravy živočichů tvoří rostlinné škroby a živočišné glykogeny.

Rostlinné škroby a živočišné glykogeny v gastrointestinálním systému (trávicím ústroji) jsou hydrolyticky štěpeny na glukosu.

Nejdůležitějšími enzymy, které je štěpí, jsou glykosidasy amylasy, obsažené ve slinách a pankreatu.

amylosa (lineární glukan) limitní dextrin maltosa + glukosaα-amylasa

amylopektin a glykogen (rozvětvený glukan) amyloglukosidasamaltosa

maltosa maltasa glukosa

laktosa galaktosa + glukosa

sacharosa fruktosa + glukosa

celulosa vodík, methan, octová, propionová, máselná kyselina

laktasa

sacharasa

celulasy

Metabolismus sacharidůOdbourávání oligosacharidů a polysacharidů - FFosfolosfolýzaýza

Zásobní a vnitrobuněčné polysacharidy se štěpí fosforolyticky působením enzymu fosforylasy

O

OOH

OHOH

OH

O

OOH

OH

OH

O

OH

OH

OH

neredukující konec

Pi.EH+

E + Pi + glykogen

OOH

OH

O

OOH

OH

OH

O

OOH

OH

OH

...

O

OH

OHOH

OH

OH O

OOH

OH

OH

O

OOH

OH

OH

O

OOH

OH

OH

O

OOH

OH

OH

...

+

+

.Pi.EH

O

OOH

OHOH

OH

O-

O-

O

P + EH+

glukosa-1-fosfát

Metabolismus sacharidůOdbourávání oligosacharidů a polysacharidů - FFosfolosfolýzaýza

Působením enzymů se glykogen štěpí na glukosa-1-fosfát.

E + Pi + glykogen→ glukosa-1-fosfát+ EH+

Asi 10 % glukanu zůstává nerozštěpenoa je zachováno jako „očko“

4-α-D-glukanotransferasa

amylo-1,6-glukosidasaAsi 10 % glukanu zůstává nerozštěpenoa je zachováno jako „očko“ (startér, primer) pro jeho novou biosynthesu.

Metabolismus sacharidůRegulace Regulace glykogenolýzyglykogenolýzy

Fosforylasa se vyskytuje ve dvou formách: jako aktivní, přítomný ve formě tetramer se označuje fosforylasa a; dimerní, neaktivní forma se označuje jako fosforylasa b.

ADRENALIN(glukagon)

adenylátcyklasa ADENYLÁTCYKLASA

ATP cAMP

proteinkinasa PROTEINKINASA

Ca-fosforylasa-b-kinasa Ca-FOSFORYLASA-b-KINASA-(P)

fosforylasa b FOSFORYLASA a

FOSFORYLASAFOSFATASA

glykogen

Glc-1-P

Mg2+/Ca2+, ATP

2 Pi

ATP ADP

Regulace fosforylasy

Adrenalin aglukagon vyvolávají intracelulární syntézu cAMP - aktivatoru proteinkinas.

Proteinkinasy: alosterické enzymy - tetramer, mají část regulační a část katalytickou. Vazbou cAMP v podjednotkách regulačních a jejich fosforylací za přítomnosti ATP se změní tetramer na dva dimery.

Aktivní proteinkinasaje schopna aktivovat fosforylasu ba přeměnit ji na fosforylasu a. Tím zahájí štěpení glykogenu – zvýšuje se koncetrace glukosy v krvi.

Aktivní proteinkinasaje však současně schopna fosforylovat glykogensynthasu, a tím ji přeměňovat z formy aktivní do formy neaktivní. A tím glykogeneze je inhibována. přeměňovat z formy aktivní do formy neaktivní. A tím glykogeneze je inhibována.

Insulin působí opačně – brání vzniku cAMP. Proto se rozvinou děje opačné: účinkem fosfoproteinfosfatasse přemění aktivní fosforylasu ana neaktivní. Defosforylací se však aktivuje glykogensynthasa, takže výsledkem této části regulačního obvodu je převaha glykogeneze nad glykogenolýzou

Alosterická regulace fosforylas, proteinkinas a fosfatas vlivy pozitiních nebo negativních efektorů.

Pro fosforylasypozitivním faktorem je AMP a Glc-1-P, zatímco ATP má účinek opačný.

Pro fosfoproteinfosfatasaje inhibitorem ATP.

Metabolismus sacharidůOdbourávání monosacharidů

Sacharidy jsou metabolisovány ve formě fosforečných esterů.

Fosforylace má trojí význam: �Vznikající fosforečné estery mají vyšší obsah energie, a jsou proto

reaktivnější�Fosforylové skupiny mohou být vazebnými, resp. rozpoznávacími �Fosforylové skupiny mohou být vazebnými, resp. rozpoznávacími

centry pro enzym�Přítomnost polární negativně nabité skupiny činí cukry neschopné

procházet membránami, a vystupovat tak z buněk nebo přecházet do jiných organel.

Klíčovou látkou v metabolismu sacharidů je glukosa-6-fosfát.

Metabolismus monosacharidůKlí čovou látkou v metabolismu sacharidů je glukosa-6-fosfát.

U živočichů glukosa-6-fosfát vzniká různými katabolickými i anabolickými reakcemi:�Fosforylací glukosy, která vzniká hydrolytickým štěpením oligo- a polysacharidů

potravy.�Isomerací glukosa-1-fosfátu, který je produktem fosforolytického štěpení reservního

polysacharidu glykogenu.�Z jiných monosacharidů, uvolňovaných při trávení potravy.

glukosa-6-P

glukosa-1-P

glykogen

glukosa 6-fosfoglukonát

fruktosa-6-P

manosa,aminocukry

Glukosa-6-fosfát je dále odbouráván na pyruvát .

Za aerobních podmínek je pyruvát oxidačně dekarboxylován na AcetylCoA a dále oxidován v citrátovém cyklu na oxid uhličitý a vodu.

Za anaerobních podmínek je pyruvát přeměňován na redukovaný konečný produkt, např. laktát ve svalu

nebo u kvasinek na ethanola oxid uhličitý.

Metabolismus monosacharidůMechanismus glykolýsy: Embdenovo-Meyerhofovo-Parnasovo-schéma

Glykolytické enzymy se vyskytují v cytoplazmě prakticky všech buněk.

Jednotlivé reakce glykolýzy můžeme rozdělit do dvou základních

reakčních celků: 1. Přeměna glukosy na glyceraldehyd-3-fosfát,

Pro glykolýzu jsou důležité tři základní aspekty:

1. Osud uhlíkatého skeletu sacharidů (změny strukturní)

2. Oxidačně-redukční přeměny jako zdroj energie

3. Přeměna ADP a anorganického fosfátu na ATP

2. Dehydrogenace glyceraldehyd-3-fosfát a vznik pyruvátu.


1. Přeměna glukosy na glyceraldehyd-3-fosfát

O

OHH

HH

OHOH

H

OH

glukosafosfátisomerasa

ATP ADP

hexokinasa

O

OHH

HH

OHOH

H

O(P)

O

OHOHH

H

(P)O OH

OHOH

H OH

O

OHH

OH

OH

HH

(P)O O(P)OH

O

O(P)

O

H OH

O(P)

+

triosafosfátisomerasa

fruktosabisfosfátaldolasa

OHOH

H OH

OHHOH

H

ATP ADP

fosfofruktokinasa


2. Dehydrogenace glyceraldehyd-3-fosfát

O

H OH

NAD+ NADH + H+PiO(P)

H OH

O

glyceraldehyd-3-fosfát

ADP ATP

fosfoglycerátkinasa

O-

H OH

O

O(P)

O-

H O(P)

OH

O

fosfoglycerátmutasa enolasa

CH2

O-

O(P)

O

O(P) O(P)

glyceraldehyd-3-fosfát dehydrogenasa

Metabolismus sacharidůMechanismus glykolýsy: Embdenovo-Meyerhofovo-Parnasovo-schéma

3. Vznik pyruvátu

OHO O-

O

Mimořádně vysoké ∆G´hydrolýsy 2-fosfoenolpyruvátu způsobuje, že enzym pyruvátkinasaprakticky

CH2

OH

O(P)

OADP ATP

CH3

O

O

O

pyruvátkinasa

pyruvátkinasaprakticky nevratně fosforyluje ADP. Pyruvátkinasová reakce je tedy ventil, který brání zpětné synthese glukosy z pyruvátu cestou EMP a umožňuje regulaci synthesy a odbourávání sacharidů.

Metabolismus sacharidůMechanismus glykolysy: Embdenovo-Meyerhofovo-Parnasovo-schéma

Čistý výtěžek glykolýzy

Shrnutí: Sumární reakce tohoto procesu lze tedy vyjádřit rovnicí:

glukosa + 2 ATP + 2 NAD+ + 2 Pi + 2 ADP → 2 pyruvát + 4 ATP + 2 NADH + 4 H+ + 2 H2O

neboli glukosa + 2 NAD+ + 2 Pi + 2 ADP → 2 pyruvát + 2 NADH + 4 H+ + 2 ATP + 2 H2O

Odbourávání monosacharidů - mléčnmléčné kvašeníé kvašení

Hromaždění kyseliny mlečné vyvolává acidosu, a je příčinou únavy svalu a vyčerpání.

Odbourávání monosacharidů - Alkoholové kvašeníAlkoholové kvašení

Tvorba ethanolu není neomezená; při koncentraci

Mikroorganismy např. kvasinek, dekarboxyluje, dále redukuje na ethanol.

neomezená; při koncentraci 15% působí toxicky i na kvasinky a usmrcuje jej.

Jiné druhy kvasinek a plísní řeší problémy anaerobního života jinými chemickými mechanismy, čehož lze využít pro kvasné výroby např. kyseliny mlečné, butanolu, glycerolu aj.

Metabolismus sacharidůOdbourávání monosacharidů - oxidační dekarboxylaceoxidační dekarboxylace

Pyruvát se aerobně odbourává na acetyl-CoA v mitochondriích, kam přechází z cytoplasmy -Oxidační dekarboxylacedekarboxylace

je poměrně složitý proces, katalysuje ji multienzymová jednotka, tzv. pyruvátdehydrogenasový komplex.

Přeměna pyruvátu na acetyl-CoA: oxidační dekarboxylace

Metabolismus sacharidůOdbourávání monosacharidů - Citátový cyklusCitátový cyklus

Princip, význam

Citrátový cyklus, cyklus trikarboxylových kyselin nebo podle objevitele sira Hanse A. Krebse (1937) Krebsův cyklus je centrem veškerého metabolismu.

Odbourávání většiny substrátů ve druhé fázi aerobního katabolismu uvolní jen menší část jejich energie, asi ¾ jí zůstává v acetyl-CoA.

Odbourávání acetyl-CoA v citrátovém cyklu probíhá stupňovitě, konzervuje uvolněnou energii ve formě ATP a vytváří četné biosynthetické prekurzory

LipidyCharakteristika lipid ů - Definice lipidůDefinice lipidů

Název lipidy označujeme pestrou skupinu nízkomolekulárníchpřírodních látek, nerozpustných ve vodě (hydrofobních),ale dobře rozpustných v nepolárních rozpouštědlech(lipofilních).

Chemicky rozdělujeme lipidy podle jejich stavby na dvě hlavní skupiny:

Lipidy: estery vyšších mastných kyselin a alkoholů nebo jejich derivátů

(zmýdelnitelné lipidy).

Isoprenoidy: jejich molekuly jsou sestavovány ze zbytků isoprenu.

(nezmýdelnitelné lipidy).

LipidyCharakteristika lipid ů - Rozdělení lipidůRozdělení lipidů

Jednoduché Složené Isoprenoidní

LIPIDY

vosky

triacylglyceroly

acylsteroly

fosfolipidy

glykolipidy

steroly

žlučové kyseliny

LipidyCharakteristika lipid ů - Hlavní biologické funkce lipidůHlavní biologické funkce lipidů

Zdroj a reserva energie:

Acylglycerolyjsou energicky nejbohatší potravou 38 kJ.g-1(sacharidy17 kJ.g-1).

Strukturní funkce :

Polární lipidy vytvářejí strukturní jádro biomembrán. Polární lipidy vytvářejí strukturní jádro biomembrán.

Ochranné funkce:

Acylglycerolový obalněkterých orgánů chrání před mechanickým poškozením.

Podkožní tukzabraňuje nadměrné ztrátě tepla a vody.

Analogické funkce vykonávají i ochranné vrstvy vosků na listech, plodech, peří, srsti, krunýřích hmyzu apod.

LipidyJednoduché lipidy -acylglycerolyacylglyceroly

Acylglyceroly- tvoří nejpočetnější skupinu jednoduchých lipidů,

- jsou základem živočišných tuků a rostlinných olejů - směsi smíšených triacylglycerolů obsahujících různé acylové zbytky mastných kyselintriacylglycerolů obsahujících různé acylové zbytky mastných kyselinv jedné molekule.

H2C

CH

H2C

O

O

O CH3

O

CH3

O

O

CH3

1357911131518

1 3 5 7 9 11 1316

1 3 5 7 9 10 12 14 16 18

LipidyJednoduché lipidy –nasycené a nenasycené mastné kyselinynasycené a nenasycené mastné kyseliny

LipidyJednoduché lipidy –nasycené mastné kyselinynasycené mastné kyseliny

Mastné kyseliny

CH3 OH1246810121416

O

16

C4 máselnáC6 kapronováC8 kaprylováC10 kaprinová

C12 laurováC14 myristováC16 palmitová

C18 stearováC20 arachováC22 behenová

LipidyJednoduché lipidy –mastné kyselinymastné kyseliny

Nenasycené mastné kyselinydvojné vazby v konfiguraci cis

CH3OH

O

1357

910121416

O

CH91012141618

kys. palmitolejová 16 (9:10)

kys. olejová 18 (9:10)

OH

O

CH3 1357

9101213151618

OHCH3 1357

910121416

OH

O

CH31357

9101213151718

OH

O

CH313

5

7

9

10

12

13

15

1618

68111420

*kys. linolová 18 (9:10 12:13)je esenciální kyselina

kys. arachidonová 20 (5:6 8:9 11:12 14:15)

kys. arachidonová je prekurzor vysoce účinných látek zv. prostaglandiny a leukotrieny.

kys. olejová 18 (9:10)

kys. linolenová 18 (9:10 12:13 15:16)

LipidyEikosanoidy (prostaglandiny, thromboxany, prostacykliny)

Eikosanoidy jsou mastné kyseliny s dvaceti uhlíkovými atomy, které ve své struktuře obsahují pětičlenný kruh.

OH

O

CH3

O

PGA1

OH

O

CH3 CH3

OH

OH

O

CH3

OH

O

OH

O

CH3

OH

O

OH

PGB1

PGE1

OH

O

CH3

CH3

arachidonová kyselina

prostannová kyselina

13579

10

1113 15 17 19

20

LipidySložené (polární) lipidy

Složené (polární) se liší od lipidů jednoduchých nejen složitější chemickou stavbou, ale i biologickým významem.

složené lipidy

podle charakteru

podle polární složky

fosfolipidy glykolipidypodle charakteru alkoholové složky

fosfatidylethanolaminy fosfatidylinositoly

fosfatidylcholin plasmalogeny

fosfatidylseriny

glycerofosfolipidy

sfingomyeliny

sfingofosfolipidy sfingoglykolipidy

LipidySložené (polární) lipidy -GlycerofosfolipidyGlycerofosfolipidy

H2C

CH

CH2

O

O

O

O

P

O

O

O

CH3

CH3

Jsou amfifilní molekuly s nepolárními alifatickými konci a polárními X-fosforylovými hlavami. Charakteristický je pro ně obsah jednoho nenasyceného acylového zbytku.

Jsou v nízké koncentraci ve vodě rozpustné, nad určitou koncentrací(tzv. kritickou micelární koncentrací) se shlukují do větších celků (micel).

Uplatňují se především jako stavební základ biologických membrán.

O- x

O


Fosfoacylglycerolyjsou estery 1,2-diacylglycerol-3-fosforečné (fosfatidové) kyseliny s alkoholy.

CH

CH2

O O

O

O

CH3

CH3H2C O O

O-

P

xO

CH3

Název X-OH Vzorec Název fosfolipidu

Voda -H fosfatidová kyselinaEthanolamin -CH2CH2NH3

+ fosfatidylethanolamin (kefalin)Cholin -CH2CH2N(CH3)3

+ fosfatidylcholin (lecithin)Serin -CH2CH(NH3

+)COO- fosfatidylserin (kefalin)Glycerol -CH2CH(OH)CH2OH fosfatidylglycerol


H

H2C

CH

CH2

O

O

O

O-

O

P

x

O

O

O

CH3

CH3

HH

HOH

HOH

H OH

OHOH

H

CH2

HC

CH2

O

O

O

R4

R3

O

O

O-

O

O

P

CH2CHCH2

OH

Inositol fosfatidylinositol

Fosfatidylglycerol difosfatidylglycerol

(kardiolipin)


Plasmalogenyjsou glycerofosfolipidy, ve kterých je

substituent na C1 vázán na glycerolovou kostru α,βα,βα,βα,β-nenasycenou etherovou vazbou.

H2C

CH

CH2

O

O

O

O-

O

P

x

R2

O

R1 O

= -CH2CH2NH3

-CH2CH2N(CH3)3+

-CH2CH(NH3+)COO-

Polární skupiny plasmalogenů tvoří hlavně ethanolamin,

cholin, serin.

LipidySložené (polární) lipidy -SfingolipidySfingolipidy

Sfingolipidy: Základem struktury těchto látek je nenasycený aminoalkohol sfingosin (E)-2-aminooktadek-4-en-1,3-diol.

CH2CH3 OH34681012141618

H2C

CH

CH2

OH

NHR

O

CH3 OH

1

2

Mastná kyselina se váže amidovou vazbou na aminoskupinu a tvoří ceramidy - základní složku všech sfingolipidů.

LipidySložené (polární) lipidy -SfingoSfingoglykoglykolipidylipidy

CH

CH2

NHR

CH3 OH

Sfingoglykolipidy Jsou součástí vnějšího povrchu buněčných membrán.

sacharid vázaný na primární alkoholové

skupině.

Sulfatidy: vyskytují se v tkáních mozku, plic, kosterního svalstva, jater aj. sacharid = β-D-galaktosa-3-sulfát

H2C OO

sacharid

Cerebrosidyobsažené v mozkové tkáni mají sacharid = β-D-galaktosa,

Cerebrosidy jiných tkání majísacharid = β-D-glukosa

LipidySložené (polární) lipidy -SfingoSfingoglykoglykolipidylipidy

Gangliosidyse vyskytují převážně v šedé hmotě mozkové, kde tvoří 6 % lipidů.

CH

CH2

NHR

CH3 OH

H2COO

OOH

OH

OH

Orozvìtvený oligosacharid

obsahují jako sacharidovou složku rozvětvený oligosacharid vázaný na ceramid přes glukosu; postranní větve tvoří zbytky N-acetylneuraminové (sialové) kyseliny (NeuNAc).

LipidyIsoprenoidní lipidy

Isoprenoidní lipidy patří mezi steroidy, základ jejichž struktury je polycyklický skelet cyklopentano[b]perhydrofenanthrenu.

131712

1116

H

H H149

810 15

16

756

H1

4

2

3H

H

H

Steroidy jsou hydrofobní nebo amfifilní látky, z nichž mnohé mají charakter hormonů. Strukturní a transportní význam mají steroly a žlučové kyseliny, které řadíme do skupiny lipidů.

LipidyIsoprenoidní lipidy - SterolySteroly

Steroly se vyskytují v živočišných a rostlinných buňkách jako volné alkoholynebo estery mastných kyselinv rostlinách většinou jako aglykony heteroglykosidů;

byly prokázány i u některých mikroorganismů.

Steroly jsou obecně důležitou součástí membrán.

Podle původu dělíme steroly na zoosteroly(živočišné), fytosteroly (rostlinné), mykosteroly (steroly hub) a mořské steroly(steroly mořských živočichů a rostlin).

LipidyIsoprenoidní lipidy - ZoosterolyZoosteroly

CH3

CH3

CH3

H

H

H

HCH3

CH3

1

2

3β5 7

89

10

11

12

13

14 1516

17

18

19

20

2122

23

24

25

26

27

Cholesterol: se vyskytuje v relativně vysoké koncentraci v každé živočišné buňce.

Modeluje tekutost a permeabilitu její plasmové membrány.Je výchozí látkou pro biosyntézu dalších důležitých steroidů –

žlučových kyselin, pohlavních hormonů, kalciferolů.

V normálně fungující tkáni jsou plynule syntetizovány a odbourávány.

Patologicky se cholesterol ukládá ve stěnách krevních cév a vyvolává atherosklerosua nebo ukládá ve žlučových kamenech.

OH 45

67

LipidyIsoprenoidní lipidy - Žlučové kyselinyŽlučové kyseliny

Žlučové kyseliny jsou hlavní součástí žluče; syntetizují se z cholesterolu v játrech, skladují a koncentrují ve žlučníku.

CH3

CH3

H

OH X

O

CH3

CH3

H

OH OH

O

CH3

H

H

H

OH OHH

CH3

H

H

H

OHH

X: OH kyselina cholová NHCH2CH2SO3

- taurocholát

NHCH2COO- glykocholát

kyselina deoxycholová

Nejznámnější je cholová a deoxycholová kyselina,

Usnadňují trávení a střebávání lipidů.

LipidyLipoproteiny

Lipoproteiny vznikají spojením lipidů se specifickými bílkovinamizvanými apolipoproteiny, nekovalentní hydrofobní interakcí nepolárních interakcí nepolárních oblastí obou složek

Lipoproteiny tvoří součásti buněčných membrán, cytoplasmy buněk, krevní plasmy a vaječného žloutku. V krevní plasmě působí jako přenáseče triacylglycerolů a cholesterolu.

LipidyPlasmové lipoproteiny

Funkce: zajišťují transport a distribuci lipidů prostřednictvím krve a lymfatického systému. Fungují též jako regulátory metabolismu lipidů.

Typ Hustota (g.cm-3) Protein / LipidChylomikrony < 0,950 0,01

Funkcetransport triacylglycerolů a cholesterolu ze střev do Chylomikrony < 0,950 0,01

VLDL 0,950 – 1,006 0,1

IDL 1,006 – 1,019 0,25

LDL 1,019 – 1,063 0,25

HDL 1,063 – 1,210 1,00

LDL jsou LDL jsou zozoddpovědnépovědné za vysokou hladinu krevního cholesterolu a aterosklerosu.za vysokou hladinu krevního cholesterolu a aterosklerosu.

transport triacylglycerolů a cholesterolu ze střev do tkání

transport triacylglycerolů a cholesterolu z jater do tkání

transport cholesterolu z tkání do jater

Metabolismus lipidů

• Odbourávání triacylglycerolů

• Aktivace mastných kyselin• Aktivace mastných kyselin

• β-Oxidace mastných kyselin

Hydrolytické štěpení rezervních triacylglycerolů

Triacylglyceroly jsou skladovány ve zvláštních tkáních, jsou méně mobilních než sacharidy a jsou vhodné spíše pro dlouhodobou potřebu.

Hydrolýzu rezervních triacylglycerolů v tukových tkáních katalyzují hydrolasy - karboxylesterasy nazývané lipasy.

H2C

CH

H2C

O

O

C

O

R

C

O

R

O C

O

R

+ 3 H2O

H2C

CH

H2C

OH

OH

OH + 3 R-COO- + 3 H+

hydrolasy - karboxylesterasy nazývané lipasy.

Hydrolytické štěpení lipidů z potravyLipidy se podílejí ze 20-40% na energii, která je do organismu přiváděna potravou.

V žaludku začíná trávení lipidů činností žaludečních lipas.

V duodenu nastává intenzivní hydrolysa ⇒ di-, monoacylglyceroly + mastné kyseliny

V tenké střevě ⇒ glycerol + mastné kyseliny.

Z fosfolipidů odštěpují fosfolipasyfosforečnou kyselinu a aminoalkoholy.

Z glykolipidů odštěpují glykosidasysacharidy

H2C

H2C

O

O

O

R1O

R2

O O

O-

O

P Xfosfolipasa A2

H2O C

O

R2 O-

H2C

H2C

O

O

O

R1

H

O O

O-

O

P X

fosfolipid lysofosfolipid

fosfolipasa A1

fosfolipasa C fosfolipasa D

Vstřebávání a rozvod

K vstřebávání (resorpce) produktů trávení lipidů dochází v tenké střevě.

Mastné kyseliny 10-12C z buněk střevní sliznice přímo do krve.

Mastné kyseliny s delším řetězcem ⇒

Mastné kyseliny s delším řetězcem ⇒ triacylglyceroly.

Triacylglyceroly +

nehydrolysované lipidy

lipoproteinycholesterol

fosfolipidy

chylomikrony ⇒ do krve

Metabolismus glycerolu

Glycerol ⇒ dihydroxyacetonfosfát ⇒ EMP ⇒ citrátový cyklus.

H C OH + +

H2C OH

H2C

CH

H2C

OH

OH

OH

glycerol

ATP ADP

glycerolkinasa

H2C

CH

H2C

OH

OH

O O-

O-

O

P

glycerolfosfát

NAD+ NADH + H+

glycerolfosfát dehydrogenasa

C

H2C

O

O O-

O-

O

P

dihydroxyacetonfosfát

Odbourávání mastných kyselin cestou ββββ-oxidace

β-Oxidace byla objevena F. Knoopem v r. 1904,

její mechanismus objasnil F. Lynen až v r. 1951. její mechanismus objasnil F. Lynen až v r. 1951.

• Aktivace mastné kyseliny

• Vlastní β-oxidace.

• Thiolysa

Aktivace mastných kyselin a transport

mastná kyselina + CoA + ATP → acyl-CoA + AMP + PPi

Protože rovnovážná konstanta této reakce blíží 1, pro Protože rovnovážná konstanta této reakce blíží 1, pro „pohánění“ reakce je nutné odstranit jeden z jejích produktů, totiž difosfát, exergonickou hydrolýzou enzymem difosfátasou. Tím jsou z molekuly ATP čerpány dvě jednotky metabolické energie.

PPi + H2O = 2 Pi + 2 H+

Transport mastných kyselin přes mitochondriální membránu

ββββ-oxidace mastných kyselin a thiolysa

CH3 (CH2)n SCoA

H

H

H

H O

αβ

acyl-CoA

FAD FADH2

acyl-CoA- dehydrogenasa

CH3 (CH2)n SCoA

H

H O

αβ

trans-∆2-enoyl-CoA

H2O

enoyl-CoA- hydratasa

CH3 (CH2)n SCoA

OH

H

H

H O

αβ

3-hydroxyacyl-CoA

NAD+ NADH + H+

CH3 (CH2)n C SCoA

O H O CoASH

CH3 SCoA

O

CH3 (CH2)n C SCoA

O

+3-hydroxyacyl-CoA- dehydrogenasa

CH3 (CH2)n C SCoA

Hαβ

β-oxoacyl-CoA

β-oxoacyl-CoA-thiolasa

CH3 SCoA

acetyl-CoA

CH3 (CH2)n C SCoA

acyl-CoA+

SCoA

O

...CH2HH

HH

B:

Enz

SCoA

O

...CH2

H

H

HHB:

Enz

enoyl-CoA-isomerasa

SCoA

O

OH

O

SCoA

O

CH3

propionyl-CoA sukcinyl-CoA

Oxidace nenasycených mk a mk s lichým počtem uhlíkových atomů

Energetický výtěžek β-oxidace kyseliny palmitové vytvoří: 7x(2+3) + 8x12 – 1 = 130ATP.

Poruchy metabolismu sacharidů a lipidů

von Gierkova choroba: Nedostatek glukosa-6-fosfatasy např. znemožňuje využití jaterního glykogenu jako zdroj energie, zvětšení jater a hypoglykemie. McArdlova choroba: Nedostatek fosforylasy ve svalech, neschopnost využívat glykogen jako zdroj energie pro svalový tah. neschopnost intenzívní svalové práce a bolestivost svalů. Zažívací potíže po použití mléka: Nedostatek laktasyve střevní sliznici, hromaděná laktosa ve střevě podporuje růst patogenních mikroorganismů. Galaktosemie: Nedostatek galaktokinasy nebo příslušných uridyltransferas hromadění galaktosy v krvi (galaktosemie,) její přeměna na toxické produkty (např. alkohol galaktitol) - zvracení, žloutenka a nevratné poškození centrální nervové soustavy.

Energetický metabolismus sacharidů souvisí těsně s energetickým metabolismem lipidů. Tvorba toxických ketolátek (ketogenesa) doprovází všechny stavy nedostatku glukosy jako zdroj energie, tj. hladovění, von Gierkovu chorobu a chybnou funkci hormonálního systému regulujícího metabolismus glukosy.

Acetonurie: Využívání triacylglycerolů jako zdroj energie. zvýšená β-oxidace MK, rychlejší tvorba Ac-CoA, nedostatek oxalacetátu v citrátovém cyklu (bez odbourání glukosy chybí pyruvát pro anaplerotické pochody), vznik volného acetoacetátu(pKa 3,5) vyvolává tzv. acidozu, spontánně dekarboxyluje a vytváří aceton. Oba tyto produkty působí toxicky; aceton se vylučuje močí (acetonurie).

Diabetes mellitus: Nedostatek nebo neschopnost funkce hormonu insulinu, který reguluje vstup glukosy do svalů a tukových tkání a potlačuje fosforolýzu glykogenu v játrech. Projevuje se zvýšením obsahu glukosy v krvi nad hodnotu, která může být resorbována v ledvinách, a následkem toho vylučováním glukosy močí (glykosurií), což vyvolává také zvětšení objemu vyloučené moči. Tím se zvyšuje potřeba vody. Zároveň stává intenzivní ketogenesa a acetonurie. Diabetes mellitus se často projevuje u starších lidí, vede k závažnému poškození organismu (slepota, selhání ledvin, hormonální poruchy aj.) a je častou příčinou smrti, není-li řádně léčena.

Metabolismus bílkovin

• Proteasy a proteolýza

• Buněčný pool aminokyselin

• Metabolismus aminokyselin

• Obecné reakce odbourání aminokyseliny

• Metabolismus amoniaku, močovinový cyklus

Metabolismus bílkovin

Metabolismus bílkovin se v řadě směrů liší od metabolismu sacharidů a lipidů.

• Hlavní stavební materiálbuněk a tkání, prakticky jediný zdroj dusíku - tedy všech biologicky významných dusíkatých látek.

• Bílkoviny se neustále odbourávají a znovu tvoří. Průměrný poločas lidských bílkovin ~ 80dní.lidských bílkovin ~ 80dní.

• Jednotlivé aminokyseliny mají zcela individuální metabolismus.• Bílkoviny se účastní celkové látkové přeměny mnohem

podstatněji než sacharidy a lipidy: Postradatelné aminokyseliny mají velmi pestrý metabolismus; Esenciální aminokyseliny nevstupují tolik do reakcí s ostatními látkami, a souvisejí s nimi většinou nevratnými vztahy, neumožňujícími jejich zpětný vznik.

• Biosynthesa bílkovin je řízená genetickým kódem.

Proteolysa a Proteasy

Odbourávání bílkovin začíná jejich hydrolytickým štěpením. Proteolysu katalysují proteasy:

• Proteasy pracují bez kofaktorů, některé vyžadují přítomnost různých kovových iontů.

• Proteasy nejsou obecně substrátově specifické. Štěpí však určité typy • Proteasy nejsou obecně substrátově specifické. Štěpí však určité typy peptidových vazeb.

• endopeptidasy, katalysující hydrolysu uvnitř řetězce za vzniku peptidů různé velikosti,

• exopeptidasy: Karboxypeptidasy odštěpují C-koncové aminokyseliny, aminopeptidasyaminokyseliny z N-konce polypeptidového řetězce. Některé proteasy vykazují endo- i exopeptidasovou aktivitu.

Proteasy

Trávící (digestivní) enzymyúčastní se trávení potravy v zažívacím traktu:

• Žaludeční endopeptidasy.Žaludky dospělých savců obsahují pepsin Aa pepsin C, zvaný též gastricin. Mláďata savců vylučují do žaludeční šťavy chymosin. Vývojem mláděte dochází postupně k záměně chymosinu za pepsin. Při mléčné výživě živočicha synthesa chymosinu přetrvává déle.

• Proteasy pankreatické šťávy. Aktivovaná pankreatická šťáva obsahuje 7 odlišných • Proteasy pankreatické šťávy. Aktivovaná pankreatická šťáva obsahuje 7 odlišných proteas: endopepdidasy: trypsin, chymotrypsin A, B, C, elastasua exopeptidasy karboxypeptidasu Aa B. Jejich překrývající se specifita k určitým typům peptidových vazeb umožňuje kompletní rozklad bílkovin potravy.

• Enzymy střevní šťavy. V tenkém střevě vznikají aminopeptidasy, a dipeptidasy. Dipeptidasy vyžadují přítomnost určitých kovových iontů.

Kathepsiny odbourávají tkáňové bílkoviny živočichů. Jsou věšinou lokalisovány v buněčných organelách lysosomech a pracují při zhruba neutrálním pH. Uplatňují též při autolyse bílkovin v odumřelých tkáních, např. zrání masa.

Proteolysa

Hydrolýza bílkovin potravyv žaludku: pepsin, 0,4-0,5% HCl ⇒ bílkoviny denaturují a neúplně se hydrolysují

v tenké střevě: pH 7,5-8,5, pankreatické proteasy, střevní aminopeptidasy, dipeptidasy ⇒ volné aminokyseliny.

aminokyseliny + štěpy peptidů + neporušované bílkoviny přecházejí střevní sliznicí ⇒⇒

Odbourávání tkáňových bílkovin

Aktivní bílkovinaModifikace

Inaktivní bílkovinaProteasy

Fragmenty

LYSOSOM nebo VAKUOLA

fragmentyaminokyselinaAminokyselina

do lymfy nebo krve ⇒ do tkání.

Buněčný pool aminokyselin

Volné aminokyseliny tvoří v organismu stálou hotovost neboli pool:méně než 1/3 z exogenního zdroje, více než 2/3 z endogenního zdroje.

Další osud aminokyselin po výstupu z poolu může být různý:

• Největší část se využije jako stavební materiál k výstabě nových tělních • Největší část se využije jako stavební materiál k výstabě nových tělních bílkovin.• Mnohé aminokyseliny slouží k synthese jiných biologicky důležitých dusíkatých látek, jako jsou puriny, pyrimidiny, porfyriny, nikotinamid a další.• Přebytečné aminokyseliny jsou užity jako metabolické palivo nebo jako stavební materiál v procesu glukoneogenese. Jako zdroj energie slouží i při hladovění nebo poruchách organismu (např. při cukrovce).

Metabolismus aminokyselin

Pyridoxalfosfát (PLP) je kofaktorem početných enzymů metabolismu aminokyselin.

H2C CH2CH2CH2

N

CH

O-

O

CH

CO

NH2

+

R C* COO-

NH2

H C* COO-

N

CH

O-

O

R

H

Podle druhu katalysované reakce následují tyto obecné reakce odbourání aminokyselin.-labilisace vazby C-H a transaminace,-labilisace vazby C-C a následná dekarboxylace aminokyseliny,-labilisace vazby C-R a aldolové štěpení,-labilisace vazby C-N a racemisacePLP-enzymy katalisují i eliminační a substituční reakce na β- a γ- uhlících aminokyselin.

+

NH

+CH3

O

O-

O-

OP

-NH

+CH3

O

O-

O-

OP

R COO-

NH2+

NH

+

O-

CH3

O

Lys::::

PO3

NH

+

OH

CH3

O

PO3

-HCN

R COO-

NH

+

OH

CH3

O

PO3

H2CN

R COO-

NH

+

OH

CH3

O

PO3

NH2

R COO-

O+

N

R CH

H2CN

R CH-

O

R

NH2+

NH

+

OH

CH3

O

PO3

N

R COO-

H

+ Lys:::

NH

OH

CH3

O

PO3 NH

+

OH

CH3

O

PO3

H2C

NH

+

OH

CH3

O

PO3

INH

OH

CH3

O

PO3

HCN

HC COO-

NH

+

OH

CH3

O

PO3

HCN

CH-

COO-

NH

+

OH

CH3

O

PO3

O

NH2 CH2 COO-

+

Metabolismus aminokyselin

TransaminaceR1 CH COO-

NH2+ pyridoxal-P

R1 C COO-

O+ pyridoxamin-P

R2 CH COO-

NH2

+pyridoxal-P

R2 C COO-

O+pyridoxamin-P

R2 CH COO-

NH2

+R2 C COO-

O+

R1 CH COO-

NH2

R1 C COO-

O

α-Oxokyselinou na níž se převádí aminoskupina z PMP, bývá nejčastěji 2-oxoglutarová kyselina. Tento společný akceptor aminoskupin většiny aminokyselin umožňuje shromáždění těchto skupin do jedné látky, glutamát. Ten pak poskytuje aminoskupiny k různým synthesám, resp. je zavádí do finálních reakcí, jimiž se tvoří konečný produkt vylučování odpadního dusíku.

Oxidační deaminace

Oxidační deaminaci glutamátu katalysuje pyridinová dehydrogenasa glutamátdehydrogenasa (GDH) s koenzymem NAD+ i NADP+, jejich redukované formy se regerují v dychacím řetězci. Funguje v mitochondriích prakticky všech savčích buněk.

COO-

NH2

-OOC CH2CH2+ NAD+ + NADH + NH4

+COO-

O

-OOC CH2CH2

Močovinový cyklus

Ureosynthetický cyklus probíhá nepřetržitě v játrech. ⇒ do krve ⇒ v ledvinách glomerulární filtrací ⇒ do moče.U dospělého zdravého a náležitě živeného člověka se denně vytvoří a U dospělého zdravého a náležitě živeného člověka se denně vytvoří a vylučuje v průměru 25 až 35 g močoviny.

Děj realisovaný ureosynthetickým cyklem lze vystihnout sumární rovnicíNH3 +HCO3

- + -OOC-CH2-CH(NH3+)-COO- + 3ATP =

= H2NCONH2 + -OOC-CH=CH-COO- + 2ADP + 2Pi + AMP + PPi

Metabolismus bílkovinMetabolismus aminokyselin –Močovinový cyklusMočovinový cyklus

Metabolismus bílkovinMetabolismus aminokyselin –Močovinový cyklusMočovinový cyklus

Biosyntéza

• Biochemické redukce a systém NADPH/NADP+

• Pentosový cyklus• Pentosový cyklus

• Biosyntéza sacharidů

• Biosyntéza lipidů

N+

NH2

O

OOO

-

O

PN

+

NH2

O

OHH

OO-

O

P

jsou nejdéle známé (1906) koenzymy,jsou deriváty vitaminu B

NAHPH/NADP+ aNADH/NAD + - nikotinamidové dehydrogensy

Biochemické redukce a systém NADPH/NADPBiochemické redukce a systém NADPH/NADP++

nikotinamidadenindinukleotid (NAD+) nikotinamidadenindinukleotidfosfát (NADP+)

O

N

H

OH

H

OHH

O

O

O-

O

P

OH

OH

H

OH

H

N

N N

NH2

O

N

H

O

H

OHH

O

O

O-

O

P

H

OH

H

OH

H

N

N N

NH2

O-

O-

O

P

vitaminu B6.

Nevázané mají E°´ = -0,32 V,vazbou na epoenzym se mění jejich redoxní potenciál E°´

Biochemické redukce a systém NADPH/NADPBiochemické redukce a systém NADPH/NADP++

NADPH/NADP+ Vs NADH/NAD+

shodný standardní redoxpotenciál (E0´ = -0,32 V). Odlišná specifičnost vazby na různé enzymy

biochemický rozdíl ve specifičnosti využití energie: biochemický rozdíl ve specifičnosti využití energie: redukční síly NADH k oxidační fosforylaci - energie NADPH se proto využívá k

přímým redukcím v cytosolárním prostoru buňky. Lokalizace NADH v mitochondriální matrix – NADPH mimomitochondriální a

NADPH + NAD+ = NADH + NADP+ katalyzuje enzym NAD(P)+-transhydrogenasa

Zdroj NADPH u heterotrofních organismů je především glukosa, u autotrofních fotochemická energie (sluneční záření).

Pentosový cyklusPentosový cyklusVýznam: Pentosový cyklus je amfibolický děj

•Pentosový cyklus umožňuje výrobu NADPH - potřebné „redukční síly“ biosynthetických reakcí,

•Je zdrojemribosafosfátupro synthesy nukleových kyselin a nukleotidových kofaktorů. nukleotidových kofaktorů.

Pentosový cyklus není hlavní cestou odbourávání sacharidů, ale dějem doplňkovým.

Všechny reakce pentosového cyklu jsou poměrně snadno reverzibilní ⇒snadná vzájemná přeměna meziproduktů.

Přestane-li být potřeba NADPH a ribosafosfátu nutná, odstraní se nadbytek meziproduktů pentosového cyklu tak, že se postupně převede na meziprodukty glykolýsy.

Metabolismus sacharidůOdbourávání monosacharidů - Pentosový cyklusPentosový cyklus

Pentosový cyklusPentosový cyklus

O

OHH

HH

OHOH

H

O(P)

O

HH

H

OHOH

O(P)

O

NADP+ NADPH + H+

glukosa-6-fosfátdehydrogenasa

H2O

6-fosfoglukonolaktonasa

O

H OH

OH H

H OH

H OH

OH

NADP+ NADPH + H+

6-fosfoglukonátdehydrogenasa

Oxidační fáze – Tvorba NADPH

H OH H OH

O(P)

H OH

O(P)

O

H OH

O

H OH

H OH

OH

O(P)

O

H OH

H OH

OH

ribulosa-5-fosfát

CO2


OH

H OH

OH

H ribosafosfátisomerasa O

OH H

OH

ribulosafosfát-3-epimerasaO

H OH

OH

Regenerační fáze – Tvorba ribosa-5-fosfátu

O(P)

H OH

H OH

ribosa-5-fosfát

O(P)

OH H

H OH

xylulosa-5-fosfát

O(P)

H OH

H OH

ribulosa-5-fosfát


R

H

O

R'

H

O

R R'

H

OH

O

+ transketolasa

Regenerační fáze – mechanismus acyloinové a aldolové kondenzace

acyloin

R

H

O

R'

OH

H O

H R R'

H

OH

OH

H O

+ transaldolasa

aldol

Metabolismus sacharidůOdbourávání monosacharidů - Pentosový cyklusPentosový cyklus

Pentosový cyklus Vs. GlykolýzaPentosový cyklus Vs. Glykolýza

Oba pochody probíhají v cytosolu, jednotlivé enzymy jsou volně pohyblivé v roztoku a jejich účinky se mohou kombinovat.

Glykolýza naprosto nezávisí na systému NADPH/NADP+.

Pentosový cyklus naprosto nezávisí na systému ATP/ADP.

Oba pochody vycházejí ze stejného meziproduktu - glukosa-6-fosfátu a katalytické aktivity jejich enzymů jsou srovnatelné.

Nízká spotřeba energie (nedostatek pohybu) spolu s vysokým obsahem sacharidů v potravě přispívá k zvýšení využití glukosy v alternativním pochodu, tj. tvorbě NADPH. Tento stav podporuje tvorbu vysoce redukovaných látek – mastných kyselin.

Biosyntéza sacharidů

K doplňování hladiny glukosy v organismu slouží její synthesa z necukerných látek: glukogenní aminokyseliny, pyruvát, laktát, glycerol, meziprodukty citrátového cyklu. laktát, glycerol, meziprodukty citrátového cyklu.

Této „novotvorbě“ glukosy říkáme glukoneogenesa.

Pokud na tento děj navazuje výstavba oligo- a polysacharidů užívá se termín glykogenogenesa.

Glukoneogenesa- Přeměna Přeměna pyruvátupyruvátu na glukosuna glukosu

CH3

O-

O

O

Promotorem glukoneogenesy jsou hormony glukagona adrenalin.

Hlavním místem glukoneogenese u savců jsou játra, ledviny. V cytoplasmě buněk těchto orgánů se aminokyseliny, laktát a glycerol, které sem byly přivedeny krví z periferie, mění na pyruvát.

HCO3- + ATP ADP + Pi

pyruvátkarboxylasa

O-

O

O

O-

GTP GDP + CO2

fosfoenolpyruvátkarboxykinasyCH2

O-

O(P)

O

fosfoenolpyruvát

fosfoglycerátmutasa

enolasa2-fosfoglycerát

pyruvát

Ooxalacetát

fosfoenolpyruvát

ADP ATP

fosfoglycerátkinasa

ADP ATP

3-fosfoglycerát 1,3-bisfosfoglycerát

NAD+ + PiNADH + H+

NAD+ + PiNADH + H+

glyceraldehy-3-fosfátdehydrogenasa

glyceraldehyd-3-fosfát

dihydroxyacetonfosfát

triosafosfátisomerasafruktosa-1,6-bisfosfát

aldolasa

ATPADP

fosfofruktokinasa

H2O Pi

fruktosabisfosfatasafruktosa-6-fosfát glukosafosfátisomerasa

glukosa-6-fosfát

ATPADP

glukosa-6-fosfatasa

hexokinasa

H2O Pi

glukosa

2 pyruvát + 4 ATP + 2 GTP + 2 NADH + 2 H+ + 6 H2O → glukosa + 4 ADP + 2 GDP + 2 NAD+ + 6 P

Glykogenogenesa- Biosynthesa glykogenuBiosynthesa glykogenu

N

OCH2O

OHOH

P

O

O-

P

O

O

O-

O-

O-

O

O

P

NH

O

O

uridintrifosfát

O

O(P)H

HH

OHOH

H OH

H

OH

glukosa-1-fosfát

+

OHOH

N

OCH2O

OHOH

P

O

O-

P

O

O

O-

O

NH

O

OO

HH

H

OHOH

H OH

H

OH

+ O-

P

O

O-

P

O

O

O-

O-

uridindifosfoglukosa

Glukosa-1-fosfáturidyltransferasy


ADRENALIN(glukagon)

adenylátcyklasa ADENYLÁTCYKLASA

ATP cAMP

Regulace syntézy glykogenu


proteinkinasa PROTEINKINASA

glykogensynthasa DGLYKOGENSYNTHASA I

glykogensynthasa-D-fosfatasa

Rovnováhu mezi odbouráváním a biosyntézou glykogenu udržuje regulační mechanismus, v němž má významné postavení veličina, která je sama předmětem regulace – totiž koncentrace glukosy v krvi čili glykémie. Snížené hodnoty glykémie zvyšuje adrenalin a glukagon, a zvýšené hodnoty glykémie snižuje insulin.

Proces biosyntézy mastných kyselin lze rozdělit do tří fází:

• Výroba malonyl-CoA.

Biosynthesa mastných kyselinBiosynthesa mastných kyselin

• Výroba malonyl-CoA.

• Syntéza palmitové kyseliny.

• Další přeměny palmitátu.

Výroba Výroba malonylmalonyl--CoACoA -- AcetylAcetyl--CoACoA--karboxylasakarboxylasa

Výroba malonyl-CoA probíhá na enzymovém komplexu ligasy.

Acetyl-CoA-karboxylasase skládá ze tří funkčních podjednotek:

• bílkovinný nosič biotin BCCP (Biotin Carbonyl Carrier Protein);

• biotinkarboxylasa, která katalysuje za účasti ATP navázání CO2 na BCCP, čímž je CO2 převeden do aktivované formy;

• karboxyltransferasa, která přenáší CO2 z BCCP-biotinu na acetyl-CoA za vzniku malonyl-CoA.

Výroba Výroba malonylmalonyl--CoACoA -- AcetylAcetyl--CoACoA--karboxylasakarboxylasa

Mutienzymový komplex mastná kyselina-synthasa, se skládá ze dvou disociovatelných bílkovinných podjednotek A a B. Každá z sedmi podjednotek má různých katalytických míst s různými typy enzymové aktivity.

Součástí obou podjednotek je bílkovinný nosič ACP (acyl carrier

Mastná kyselinaMastná kyselina--synthassynthasaa

Součástí obou podjednotek je bílkovinný nosič ACP (acyl carrier protein), jehož součástí je 4´-fosfopantethein.

Fosfopantetheinpředstavuje dlouhé pohyblivé raménko, které umožňuje přenos meziproduktu, navázaného thiolovou skupinou (tzv. centrální SH, cSH), od jednoho katalytického místa k druhému.

Kondenzační reakce se aktivně účastní dvě sulfhydrylové skupiny: fosfopantetheinová (cSH) a další sulfhydrylová skupina periferního cysteinu (pSH), která je součástí kondenzačního enzymu.

Mastná kyselina-synthasa

• Transacylace

• Kondensace acylu s malonylem

Biosynthesa palmitové kyselinyBiosynthesa palmitové kyseliny

• První redukce

• Dehydratace

• Druhá redukce

Mechanismus syntézy mastných kyselinMechanismus syntézy mastných kyselin

Přehled reakční dráhy

Biosynthesa palmitové kyselinyBiosynthesa palmitové kyseliny

Vyrobená palmitová kyselina se uvolní z vazby na ACP a aktivuje reakcí s CoA za účasti ATP a katalýzy acyl-CoA-synthetasy.

Vzniklý palmitoyl-CoA se může buď – zapojit do synthesy lipidů, – použit na výrobu kyselin s delším řetězcem, – použit na výrobu nenasycených kyselin nebo hydroxykyselin.

Další přeměny palmitátuDalší přeměny palmitátu

Tyto další úpravy však neprobíhají v cytosolu:

Řetězec se prodlužuje v mitochondriích přímo acetyl-CoA bez použití malonyl-CoA.

Nenasycené mastné kyseliny se pak tvoří specifickými NADP+-dehydrogenasami; jsou stereospecifické a umožňují vznik cis-isomeru.

Energetická bilance: 7(n/2 – 1) ATP

Na výrobu mastné kyseliny o n uhlíkových atomech je tedy za potřebí 7(n/2 – 1) energetických jednotek ATP.

Elongace mastných kyselinElongace mastných kyselin

Desaturace mastných kyselinDesaturace mastných kyselin

Biosynthesa lipidů

Fotosyntéza

• Princip Fotosynthesy

• Fotosynthetický aparát - chloroplasty• Fotosynthetický aparát - chloroplasty

• Světlá fáze

• Tmavá fáze

Uhlíkový cyklus

Princip fotosyntézy

Synthesa glukosy redukcí oxidu uhličitého - CO2 za přítomnosti H2O

n CO2 + 4n e- + 4n H+ → (CH2O)n + n H2O

Dvě fáze fotosyntézy:

Organický uhlík

energie

katabolický dì jCO2

fotosyntéza

ν

Fotochemická (světlá): světelná energie ⇒ energie “chemická”, tj. ATP a NADPH.

Chemická (temná): chemická energie se využívá k redukci oxidu uhličitého.

V principu lze obě tyto fáze uskutečnit odděleně.

hνH2O

Fotosynthetický aparát - chloroplast

Fotosynthetický aparát

Chloroplasty obsahují zelená barviva

chlorofyl a (modrozelený),

chlorofyl b (žlutozelený),

některé pigmenty, např. karotenoidy;některé pigmenty, např. karotenoidy;podílejí se na absorpci světla v zelené oblasti.

FotosyntézaFotosynthetický aparát

chlorofyly + specifické bílkoviny↓

chlorofylové komplexy↓

anténové (světlosběrné) komplexy (kvantosomy), obsahující asi 200 molekul

chlorofylu.chlorofylu.

Uvnitř jednotky se předává zachycená energie mezi molekulami pigmentů bez podstatné ztráty energie. Tento proces je ukončen přenosem na specialisovaný chlorofylový komplex tzv. reakční centrum. K reakčnímu centru se připojuje systém využívající zachycenou energii, který je tvořen řetězcem oxidoredukčních systémů analogických dýchacímu řetězci.

FotosyntézaSvětlá fáze fotosyntézy

E = hν = hc / λE = NAhc / λ = 1,196.10-4 / λ

Viditelné záření λ = 400 - 700 nm Viditelné záření λ = 400 - 700 nm E = 171 až 299 kJ.mol-1

⇒⇒⇒⇒ Absorpce červeného světla může tedy poskytnout dostatečnou energii pro produkci ATP i NADPH.

FotosyntézaSvětlá fáze fotosynthesy -Fotoredukce NADPFotoredukce NADP++

Světlá fáze sestává ze čtyř procesů:

Fotochemická excitace fotoreceptoruabsorpce slunečního záření

Fotooxidace (fotolysa) vodyFotooxidace (fotolysa) vody

H2O → (2 H+ + 2 e-) + 1/2 O2

Fotoredukce NADP+

NADP+ + 2 H+ + 2 e- → NADPH + H+

Fotofosforylace(tvorba ATP)

ADP + Pi + H+ → ATP + H2O

Světlá fáze fotosynthesy -FotofosforylaceFotofosforylace

FotosyntézaTemná fáze fotosynthesy

Celkově lze vyjádřit Calvinův cyklus rovnicí:

→

FotosyntézaTemná fáze fotosynthesy -CalvinůvCalvinův cykluscyklus

6 CO2 + 12 NADPH + 12H+ + 18 ATP + 12 H2O → C6H12O6 + 12 NADP+ + 8 ADP + 18 Pi

Podle této rovnice může probíhat fixace a redukce CO2 i bez přístupu světla.

Nukleové kyseliny a Proteosynthesa

• Složky nukleových kyselin

• Struktura a funkce nukleových kyselin• Struktura a funkce nukleových kyselin

• Mechanismus přenosu genetické informace a jejích změn

• Biosynthesa peptidových řetězců, antibiotika

Složky nukleových kyselinSložky nukleových kyselin

- Dusíkaté base: pyridinové a purinové

N

N

NH

N

O

NH2

NH

NH

O

O

NH

NH

O

O

CH3

1

2

3

4

5

6

N

N

O

NH2

OH

5-methylcytosin (mC)

NH

N

O

NH2CH3

- Sacharid: D-ribosa a 2-deoxy-D-ribosa- Fosforečná kyselinaPodle sacharidové složky se dělí na ribonukleové kyseliny (RNA) a deoxyribonukleové kyseliny (DNA).

H H Hpyrimidin cytosin (Cyt, C) uracil (Ura, U) thymin (Thy, T)

1 NH

O5-hydroxymethylcytosin (hmC)

N

N N

NH

N

N

NH2

N

NH

N

NH

NH2

O

N

NH

N

NH

O

N

NH

purin adenin (Ade, A) guanin (Gua, G) hypoxanthin (Hyp, I)

1

2

3

4

5

6

7

8

9

NukleosidyNukleosidy

Nukleosidy: ribosidy a 2-deoxyribosidy purinových a pyridinových basí

Přehled basí a jejich ribonukleosidůBase NukleosidCytosin (C, Cyt) Cytidin (C, Cyd)Uracil (U, Ura) Uridin (U, Urd)

O

N

HHH

OH

N

O

N

HHH

OHN

N N

O

N

OHOH

OH

NH

O

O

O

OHOH

OH

NHNH

O

O

uridin (U, Urd) pseudouridin (Ψ, Ψrd)

Uracil (U, Ura) Uridin (U, Urd)Pseudouridin (ψ, ψrd)

Thymin (T, Thy) Thymidin (T, Thd)Adenin (A, Ade) Adenosin (A, Ado)Guanin (G, Gua) Guanosin (G, Guo)Hypoxanthin (Hyp) Inosin (Ino)

Uracil tvoří dva typy nukleosidů: uridin a vzácněji tzv. pseudouridin

(OH, H)OH

H

(OH, H)OH

H

NukleotidyNukleotidy

Obáze

H

OH

H

OH

H

OH

Obáze

H

OH

H

OHH

O

O-

O

O

P

O-

O-

O

P

n

nukleosidnukleotid (n = 0, 1, 2)

Obáze

H

OH

H

O

OH

O

O-

O P

3´,5´-cyklický nukleotid

Nukleotidy jsou fosforečné estery nukleosidů. Nukleotidy jsou velice rozšířené složky organismů a plní v nich řadu funkcí:

� Jsou stavební jednotkami nukleových kyselin.� Nukleosidpolyfosfáty jsou přenašeči energie - ATP. Jiné nukleosidtrifosfáty mohou

analogicky sloužit jako reserva energie pro buňku. Jsou však používány pouze k některým speciálním účelům a nemají universální použití jako ATP.

� Adenosinové meziprodukty jsou součástí důležitých kofaktorů enzymů – NAD(P)+, FAD a CoA.

� Cyklické purinové nukleotidy (cAMP, cGMP) jsou regulátory metabolismu a neuromodulátory.

Struktura a funkce DNAStruktura a funkce DNA

Primární (kovalentní) chemická struktura je určena sledem nukletidových zbytků. Sledem basí nukleových kyselin je nejen zapsána genetická

ON

O

OH

N

N

N

NH2

O- OP N

NH

O

O

CH31'

2'3'4'

5'

12

3 4

56

7

89

21

34

5

6

5’-konec

A

Tje nejen zapsána genetická informace, ale base slouží též k jejímu předání a zpracovávání.

Na celkovém tvaru molekul NA, a zejména jejich funkci se více podílejí struktury vyšších řádů, založené především na vodíkových vazbách.

O

O OPO

N

O

O

O

O- OP

ON

O

N

NH2

O

O

O- OP

N

NN

NH

O

O

NH2

O

O

O-

PO-

1'2'3'

4'

5'

3’-konec

C

G


Páry pyrimidinové a purinové base: A=T, C≡G jsou stabilní a nezaměnitelné.

Princip komplementarity je základem funkce nukleových kyselin: Dvě dvojice basí představují dva znaky dvojkové soustavy, která je vhodná pro přenos a uchovávání informace.


Dvouvláknová makromolekula tvoří dvojitou šroubovici (dihelix); sousedící base se (dihelix); sousedící base se pootočí o cca 36°.

Průběh obou vláken pentosafosfátového řetězce je antiparalelní.

Rentgenová struktura

Kalotový model

Struktura a funkce RNAStruktura a funkce RNA

RNA je chemicky velmi podobná DNA.

Rozdíly:•C2´-hydroxyl ⇒ nízká chemická stabilita; použitá RNA rychle odbourávána.

•RNA obsahuje cytosin a uracil, adenin a guanina další minoritní base •RNA obsahuje cytosin a uracil, adenin a guanina další minoritní base dihydrouracil (UH2) a pseudouridin (Ψ).

•Buněčná RNA tvoří převážně lineární jednovláknovou formu. V sekundární struktuře pak vytvářejí komplementární úseky dvojšroubovice a nekomplementární úseky volné smyčky.

V buněčném prostředí RNA představují dynamické molekuly, jejichž konformace se mění během synthesy a funkce. RNA asociují s jedním nebo více proteiny, které je stabilisují a mají význam pro jejich funkci a strukturu RNA.

Transferová RNA (tRNA)

Představuje přibližně 15 % celkové buněčné RNA.

Molekuly tRNA obsahují průměrně 65 až 110 nukleotidových zbytků; značné množství minoritních basí, které jsou ve smyčkách.

Funkce: přenoszbytku aminokyseliny do místa biosynthesy bílkoviny Funkce: přenoszbytku aminokyseliny do místa biosynthesy bílkoviny (ribosomu) a jeho zařazení na správné místo sledu ve vznikajícím proteinu.

Chemickým základem přenosu informace z nukleových kyselin na bílkoviny je aminoacyl-tRNA: „aminokyselina označovaná antikodonem“

Struktura a funkceStruktura a funkce ttRNARNA

DHU-smyčka TΨC-smyčka

antikodonová smyčka Molekula tRNA

připomíná písmenko L

Nukleové kyseliny -Struktura a funkceStruktura a funkce rrRNARNA

Ribosomální RNA (rRNA)Je v buňce součástí specifických organel zvaných ribosomy.

Cytoplasmatické ribosomy eukariotních buněk jsou složeny ze 4 molekul RNA a 70 až 80 proteinů, které jsou specificky rozděleny mezi dvě nestejně velké složky organely, označováné jako podjednotky.

Ribosomální RNA představuje přibližně 80 % celkové buněčné RNA a je metabolicky stálá, obsahuje 50 až 70 % basí v komplementárních párech.

Nukleové kyseliny -Struktura a funkceStruktura a funkce mmRNARNA

Mediátorová RNA (mRNA, messenger RNA)

Neobsahuje minoritní base.

Funkce: přenos genetické informace z DNA, obsažené v buněčném jádře, do místa proteosynthesy, tj. cytosolárních ribosomů. do místa proteosynthesy, tj. cytosolárních ribosomů.

Nukleové kyseliny -Struktura a funkceStruktura a funkce mmRNARNA

mRNA obsahuje vedoucí, kódovací a závěrečnou sekvenci

čepička z 7-methyl-guanosinu (MeG).

Kódující sekvence pak začíná zpravidla tripletem AUG a končí tripletem UAG, nebo UAA nebo UGA

Závěrečná sekvence je různě dlouhá a je zakončena sekvencí poly A

sekvenci

MeG je “obráceně” vázán na 5´-koncový nukleotid trifosfátovou vazbou.

Kromě uvedených typů RNA existuje jaderná RNA, mitochodriální RNA a virová RNA.

Mechanismus přenosu genetické informace a jejích změn

Francis Crick 1958

“centrální dogma”molekulární biologie

Biosynthesa DNAPrincip replikacePrincip replikace

Dihelix mateřké DNA se přerušením vodíkových vazeb rozplete,

každé vlákno slouží jako matrice pro vytvoření komplementárního otisku.

Vzniknou tak pro dvě dceřiné buňky dvě, zcela identické kopie, v nichž jedno z vláken pochází identické kopie, v nichž jedno z vláken pochází z originálu (meteřské DNA) a druhé, doplňkové, je vyrobeno. Hovoříme proto o replikaci semikonservativní.

Stavebními jednotkami pro nové vlákno jsou energií bohaté deoxyribonukleosid-5´-trifosfáty.

Genetické analysy ukazují, že chybné zařazení jednoho nukleotidů připadá na 109 až 1011

kopírovaných nukleotidů.

Biosynthesa DNA- Hlavní replikační enzymyHlavní replikační enzymy

DNA-polymerasyjsou transferasyMg2+

(DNA)n zbytků + dNTP → (DNA)(n+1) zbytků + Ppi

Jsou známy tři druhy bakteriální DNA-polymerasy a dva druhy isolované z živočišných tkání s rozdílnými katalytickými vlastnostmi. tkání s rozdílnými katalytickými vlastnostmi. Mají vedle transferrasové (replikasové) aktivity i aktivitu hydrolytickou (nukleasovou). To umožňuje DNA-polymerase odstraňovat nesprávně zařazené zbytky rostoucího řetězce DNA.

Aby reakce proběhla, musí být splněny následující podmínky:•Musí existovat vlákno mateřské DNA, sloužící jako matice.•DNA-polymerasa dokáže připojovat další nukleotidy pouze na už existující polynukleotidový řetězec: očko neboli primer .•Base připojovaného nukleotidu musí být komplementární k basi mateřského vlákna. Enzymy DNA-polymerasy a RNA-polymerasy přijímají instrukce od mateřského vlákna.

Biosynthesa DNAMechanismus replikaceMechanismus replikaceReplikace začíná ve specifických místech chromosomu, zvaných počateční body replikace, iniciační body nebo replikační body.

Působením tzv. topoisomeras a různých faktorů přerušují vodíkové vazby mezi oběma vlákny DNA a nabývá tvaru vidlice.

Do ní nasedne do obou mateřských vláken RNA-polymerasa a vytvoří na každém z nich krátký RNA-primer.primer.

Na něm pak dochází k vlastní replikaci Okazakiho fragmentů za katalysy DNA-polymerasou III.

Po odstranění úseků RNA DNA-polymerasou I, Okazakiho fragmenty a jsou pak spojeny v souvislý řetězec činností DNA-ligasy.

Biosynthesa RNA––Transkripce genůTranskripce genů

RNA-polymerasy n NTP → RNA + n PPi

DNA-řízené (dependentní) RNA-polymerasy potřebují ke své funkci přítomnost iontů Mg2+; účinné jsou též ionty Mn2+.

RNA-polymerasa nepotřebuje primer.

Není také známo, že by tento enzym měl nukleasové aktivity.

RNA-polymerasa je velký oligomerní enzym. Např. enzym z E. coli je α2ββ´δω. Součástí molekuly jsou též dva ionty Zn2+, vázané v β a β´podjednotce. Mají katalytickou, regulační i strukturní úlohu.

Signály pro zahájení a ukončení transkripceIniciační signály a sekvence sloužící k vazbě RNA-polymerasy, jsou obsaženy v úseku DNA, kterému říkáme promotor . Je rozpoznán δ-podjednotkou enzymu.K zakončení (terminace) slouží k tomu úsek matrice DNA, nazývaný terminátor, terminační signál nebo stop signál.Tyto signály jsou dvojího druhu, jedny jsou pravděpodobně rozpoznávány samotnou RNA-polymerasou, druhé se uplatní pouze v přítomnosti specifické bílkoviny zvané ρ-faktor.

Transkripce probíhá ve čtyřech stupníchRekognace, Iniciace, Elongace, Terminace

Biosynthesa RNA––Mechanismus transkripceMechanismus transkripce

Posttranskripční modifikace

Transkripcí vznikají prekorsory všech typů RNA, k jejich převedení do konečné aktivní podoby, dříve než opustí jádro, slouží posttranskripční úpravy. Zahrnují tři druhy procesů:

Biosynthesa RNA––Mechanismus transkripceMechanismus transkripce

Štěpení fosfodiesterových vazeb v upravených velkých prekursorech a případné spojování vzniklých fragmentů.

Připojení nukleotidů ke koncům řetězců RNA.

Specifické chemické modifikace některých nukleotidových zbytků.

Mutace

Mutace je změna určitého genu. V přírodě vznikají mutacespontánně nebo mohou býtvyvolánymutagenními vlivy.

Základem genové mutace je změna sekvence nukleosidů v DNA. Genová mutace můženastat:

.změnoubaseči basí(bodovámutace).změnoubaseči basí(bodovámutace)

.posunem basí, způsobeným buď ztrátou páru basí (delece), nebo včleněním jinébase do sekvence (inserce)

Všechny modifikace struktury DNA mohou vést k mutaci pouze tehdy, uplatní-li se vprocesu replikace. Relativní stabilita DNA in vivo je zvýšena opravnými mechanismy,které jsou schopny v době mezi dvěma replikacemi chybu nejen identifikovat, ale iodstranit.Opravné mechanismy mají velký význam, neboť všechny buňky jsou víceči méněkontinuálně vystaveny mutagenním vlivům, které mohou poškodit jejich genetickouvýbavu. Mutagenesu a karcinogenesu je tak možné chápat jakoselhání opravnýchmechanismů.

Proteosynthesa -ProteosynthetickýProteosynthetický aparátaparát

Ribosomy

Ribosomy jsou buněčnými továrnami na výrobu bílkovin, sestávají ze dvou podjednotek – malé a velké. V průběhu proteosynthesy dochází k intenzivní disociaci a asociaci ribosomů.

Při proteosythese se ribosom posunuje po mRNA, je v přímém styku s ribosomem vždy jen velmi krátký úsek matrice. Na jednu molekulu mRNA se současně může vázat jen velmi krátký úsek matrice. Na jednu molekulu mRNA se současně může vázat několik ribosomů. Tím výrazně zvyšuje efektivita procesu výroby bílkovin a buňka vystačí s relativně malým množstvím mRNA.

Komplex mRNA s více ribosomy se nazývá polysom. Polysomy mohou být různě velké podle rozsahu mRNA a mohou zahrnovat 3 až 20, ale i 50 až 100 ribosomů.

Ribosomy mají řadu vazebných míst. Klíčový význam mají dvě oblasti, nazvané aminoacylové místo (místo A) a peptidové (peptidylové) místo (místo P).

U eukaryot se sekreční bílkoviny většinou synthetisují na ribosomech vázaných na membrány endoplasmatického retikula.

Proteosynthesa -ProteosynthetickýProteosynthetický aparátaparát

Aktivované aminokyselinyKaždá z 20 aminokyselin má nejméně jeden specifický aktivační enzym aminoacyl-tRNA-ligasa. Pro svou plnou aktivitu potřebuje ionty Mg2+ a tvorbu aminoacyl-tRNA realisuje jako dvoustupňový proces.

MatriceMatriceAktivní formy mRNA obsahují na obou koncích struktury, které se nepřekládají. Úvodní sekvence (angl. leader sequence), nazývaná též iniciační, usnadňuje rozpoznání iniciačních signálů translace a koncová sekvence rozpoznání signálů pro ukončení synthesy peptidového řetězce.

Translační faktoryJsou rozpustné bílkoviny cytoplasmy, vytvářejí komplex s GTP, který funguje jako allosterický efektor.

Iniciace probíhá ve třech fázích:1. Disociace ribosomu: na 40S-ribosomální

podjednotce je vázán iniciační faktor eIF-3, který se v závěru podílí na oddělení ribosomální 40S a 60S podjednotky.

V buňkách eukaryot váže iniciační faktor eIF-2specifickou iniciační aminoacyl-tRNAi (konkrétně Met-tRNA i

Met) s GTP a spolu s 40S-ribosomální podjednotkou vytváří vstupní komplex.

2. V dalším kroku se vstupní komplex naváže na mRNA a vytvoří tak za účasti nejméně tří dalších mRNA a vytvoří tak za účasti nejméně tří dalších faktorů, souhrnně označovaných jako eIF-4,iniciační 40S-komplex. Tento krok vyžaduje přítomnost GTP. Met-tRNAiMet rozpozná antikodonovou sekvencí startovací kodon AUG na mRNA, a tím se nastaví začátek “čtení”.

3. V závěru iniciace vzniká 80S-iniciační komplex za spoluúčasti iniciačního proteinu eIF-5 navázáním 60S-ribosomové podjednotky na 40S-iniciační komplex. To je doprovázeno uvolněním iniciačního faktoru eIF-2 a rozštěpením GTP na GDP a fosfát.

ELONGACE

Elongace peptidového řetězce spočívá v postupném vřazování zbytků dalších aminokyselin do synthetisovaného řetězce.

navázání aminoacyl tRNA do vazebného místa “A” iniciačního komplexu

přenesení vzniklé peptidyl-tRNA z vazebného místa “A” na

vytvoření peptidové vazby mezi aminokyselinami

místa “A” na “P”

TerminaceVe vazebném místě “A” stop-kodony UAG, UAA nebo UGA, dochází k vazbě bílkovinného uvolňovacího faktoru na ribosom. Tento protein využívá molekuly vody pro nukleofilní atak karbonylového uhlíku C-terminální aminokyseliny (místo další aminokyseliny).

Závěrečný krok po uvolnění polypeptidového řetězce je Závěrečný krok po uvolnění polypeptidového řetězce je rozpad ribosomu na podjednotky, které se tím připraví k zahájení synthesy další bílkoviny.

Rychlost proteosynthesy je značná – za 1 sakundu se naváže 20 až 40 aminokyselinových zbytků, takže za jednu minutu může být synthetisováno 6 molekul bílkoviny o Mr = 4 . 104.

Pro srovnání: při laboratorní přípravě peptidů se za den naváže je několik aminokyselinových zbytků.

Posttranslanční modifikace peptidových řetězcůUvolněný polypeptidový řetězec si svoji terciární strukturu formuje samostatně (jeho konformace závisí na primární struktuře) a většinou je již plně funkční. Přesto však bývá uvolněný protein z různých důvodů dále modifikován několika způsoby:

Formylová skupina: Koncového AN-formylmethioninu prokaryot bývá odštěpena účinkem formylmethionindeformylasy,jedna či několik A-koncových aminokyselin může být odštěpeno působením aminopeptidas.

Oxidací vhodných skupin-SH cysteinylových zbytků se mohou vytvářet pevné disulfidové můstky. Tyto můstky se podílejí na stabilizaci terciární struktury.

Modifikují se postranní řetězceněkterých aminokyselinových zbytků. V kolagenu je tak hydroxylován prolin na hydroxyprolin a lysin na hydroxylysin. To ale znamená, že poloha hydroxyprolinu a hydroxylysinu vřetězci není přímo řízena DNA; prolinový triplet tak kóduje i hydroxyprolin a lysinový triplet kóduje i hydroxylysin.

Odštěpením určitých “krycích” částípolypeptidového řetězce se z dosud inaktivní bílkoviny získá funkční protein.

Antibiotika a proteosynthesaŘada z antibiotik zasahuje i do proteosynthesy, popřípadě i do synthesy nukleových kyselin. Mechanismus jejich účinku je různý.

Na malou ribosomální podjednotkou ribosomů prokaryot se váže streptomycin (a další aminoglykosidová antibiotika), zkřiví ji a způsobí tím chybné interakce kodon-antikondon.

Vazba tetracyklinu na ribosomy prokaryot zabraňuje navázání aminoacyl-tRNA na vazebné místo „A“ ribosomů.ribosomů.

Inhibici translokace způsobuje erythromycin.

Peptidyltransferasu prokaryot specificky inhibuje chloramfenikol, který je jinak chemicky nejjednodušší antibiotikum a proto se vyrábí i syntheticky.

Tím, že různá antibiotika zasahují proteosynthesu na různých místech, mají i značný význam při jejím studiu. V něm se uplatnila i antibiotika, která jsou jinak příliš toxická pro klinické využití.

Biosynthesa peptidových antibiotik, jako jsou např. valinomycin, gramicidin S, aktinomycin, bacitracin, tyrothricin a další, neprobíhá na ribosomech, ale na multienzymových komplexech, které řídí a provádějí synthesu peptidu bez zásahu nukleových kyselin.

Tento výukový materiál vznikl v rámci projektu CZ.1.07/2.2.00/28.0296CZ.1.07/2.2.00/28.0296„Mezioborové vazby a podpora praxe v přírodovědných a technických studijních programech UJEP“, spolufinancovaného Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.

Documents

BIOCHEMIE - UJEPchemistry.ujep.cz/userfiles/files/Biochemie N208_MEVAPOX.pdf · Nukleové kyseliny: složeny z nukleotid ů, mají funkce skladování, p řenosu a zpracování biologické